◇武漢輕工大學電氣與電子工程學院 張澤華 謝妍 呂樂 譚圳城 張杰

隨著農村電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的檢測方式已逐漸無法滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的需求，提升電力系統(tǒng)的檢測能力已迫在眉睫。本文通過分析農村電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀和特點，結合現(xiàn)有的光纖傳感器的發(fā)展歷史與研究成果，對光纖傳感器在農村電力系統(tǒng)季節(jié)性用電有載調容控制和火災報警方面的應用進行了研究。相信在不久的將來，光纖傳感器會在電力系統(tǒng)中得到更廣泛地應用。

光纖傳感技術研究始于1977年。隨著光纖技術和光通信技術的快速發(fā)展，它是一種新型傳感技術。近年來光纖傳感技術在機械，電子儀器儀表，航空航天，石油，化工，食品安全等領域，得到了發(fā)展和推廣。光纖傳感器具有抗電磁、抗原子輻射干擾、直徑小、柔軟、重量輕、機械性能好、絕緣性好、無感電性、耐水性、耐高溫、耐腐蝕等特點。由于其性能，光纖傳感器能夠在如高溫、高壓等極端環(huán)境條件下，起到偵察，監(jiān)測的作用，而且還能接收到人的感官所感受不到的外界信息，在電力系統(tǒng)方面的應用前景也較為廣泛。為了光纖傳感器的優(yōu)化以及電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，我們可以將光纖傳感器應用到電力系統(tǒng)中[1]。

我國現(xiàn)階段的電網(wǎng)信息化、自動化水平較高，適用性也較強，許多用電設施都可以引入其中。光纖傳感器對信號傳感的靈敏度較高，在發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)都可以進行信號檢測。例如，在農村電力系統(tǒng)中，農村居民數(shù)量多而且分布廣泛，輸送電線路較長，電能在運輸過程中損耗較大，以及農村用電具有季節(jié)性特點，農村電力系統(tǒng)便需要一種現(xiàn)代化監(jiān)測、控制、管理的調度手段，故而可以將光纖傳感器與農村電力系統(tǒng)有效的結合起來。這樣一來，光纖傳感器能得到進一步的發(fā)展，電力系統(tǒng)也在此基礎上可以更高效、安全、便捷的運行。

1 光纖傳感技術的發(fā)展歷史

1977年，世界各國逐漸開始進行對光纖技術的研究。伴隨著光纖通信的發(fā)展，光纖傳感技術也得到大力發(fā)展。近年來光纖傳感技術在機械，電子儀器儀表，航空航天，石油，化工，食品安全等領域的生產(chǎn)過程自動控制，在線監(jiān)測，故障診斷等方面，得到了發(fā)展和推廣。美國光纖傳感器研究起步較早，光纖傳感技術在世界上最為先進，是全球最大的光纖傳感器市場。近年來，中國加大對光纖技術的研究力度，成為亞太地區(qū)最主要的光纖傳感產(chǎn)品市場[2]。

僅就光纖傳感技術而言，中國所取得的成就已經(jīng)接近世界先進水平，與世界尖端技術不斷地縮小差距。在過去幾年，包括南京大學，深圳中科傳感，無錫聯(lián)河，珠海光辰在內的許多學校和企業(yè)都擁有了一套完整的光纖傳感解調方案。在光纖傳感系統(tǒng)的核心部件上，如Skytone的鈮酸鋰波導，廈門大學的窄帶光源，以及長飛，長盈通保偏光纖等許多技術均處于世界前列[3]。

我國光纖傳感器生產(chǎn)以及服務產(chǎn)業(yè)按地域可以分為四大產(chǎn)業(yè)群：以江蘇，上海，浙江，安徽為主的華東三角產(chǎn)業(yè)群；以北京，河北為主的華北地區(qū)環(huán)渤海產(chǎn)業(yè)群；以湖北為主的華中地區(qū)產(chǎn)業(yè)群和以廣東為主的珠三角產(chǎn)業(yè)群。這四大產(chǎn)業(yè)群的企業(yè)總數(shù)占全國光纖傳感企業(yè)的90%。但國內企業(yè)由于技術研發(fā)水平以及市場競爭水平與外國相比仍有差距，參加國際市場競爭有些困難，而且大多都屬于高新企業(yè)，國內市場的企業(yè)規(guī)模也比較小。

光纖傳感產(chǎn)品批量小，品種多，且分布在多級市場；國外的石油巨頭、軍工巨頭，還有ABB、西門子這樣的電力設備大公司都有自己的光纖傳感業(yè)務，在一些新興領域，比如分布式傳感領域，也有一些中小型的專業(yè)公司致力研究。

如今光纖傳感技術的應用領域也十分廣泛。例如，在城市建設中，光纖光柵壓力傳感器可以用于測試施工壓力和載荷壓力，從而合理評估該建設結構的性能。又如在電力系統(tǒng)中，光纖溫度傳感器可以實時監(jiān)測光纖線路的溫度，測量誤差不超過1℃，適用于一些對溫度控制有著嚴格把控的精密設備[4]。

從華裔科學家高錕對光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表自己的見解以來，人們就在光纖這條道路上一直探索著。光纖這一名詞從那時便已經(jīng)深入在通信發(fā)展的歷史長河之中，可以說光纖讓通信發(fā)生了質變。當然，其后研究出的光纖傳感技術也在飛速發(fā)展著。未來的光纖傳感器應用領域將更加廣泛，應用的場景也更貼近人們生活。

2 農村電力系統(tǒng)的特點

農村電網(wǎng)是指縣級市，區(qū)級區(qū)域內的城鎮(zhèn)，農村，農耕區(qū)以及林牧區(qū)用戶供電的配電網(wǎng)，農村配電網(wǎng)是農民進行電氣耕作以及農業(yè)現(xiàn)代化的基礎設施。

在發(fā)電廠將電通過送變電線路運輸過來，到達供配電所，再送給用戶的過程中。輸配電線路在農村地區(qū)無疑是最需要解決的難題。農村居民數(shù)量多而且分布比較廣泛，這就導致需要很長的輸送電線路，運輸成本顯然增加，再加之由于較長的送電線路，電能在運輸過程中變壓器損耗較大，無疑增加了維修成本。

農村的房屋建設比較混亂，沒有特點，高度不一，所以電網(wǎng)分支很多，有時候會有六七個分支，這又增加了安裝難度。一旦其中一條分支損壞，那么整個線路就會癱瘓，這又增加了維修難度。

另外一個較為復雜的問題就是農村用電負荷的季節(jié)性特點顯著，例如在農耕時節(jié)，用電需求會很大，而在非耕作時期由于農村的發(fā)展問題用電需求又很小，這就會出現(xiàn)一種能源利用率低的問題，如果在一個地區(qū)僅使用一套不變的電網(wǎng)規(guī)劃方案，那么以年為時間單位，我們在農村地區(qū)損失的電能會是個不小的數(shù)目。

農村電網(wǎng)的自然功率因數(shù)低下，再加上低壓線路過長，無功補償不足從而導致電網(wǎng)低功率運行，造成線路損壞率提高，由此降低電壓質量[5]。

當然一些經(jīng)濟因素也是農村電力系統(tǒng)發(fā)展較為緩慢的原因。不過主要原因還是體現(xiàn)在：運送過程中的損失；季節(jié)性特點所帶來的用電不平均。這兩點急需解決。

3 光纖傳感器在農村電力系統(tǒng)方面的應用

以上研究了農村電力系統(tǒng)所存在的弊端。下面將農村季節(jié)性用電特點以及農村電力系統(tǒng)與光纖傳感器結合使用進行探討。

3.1 季節(jié)性用電方面

為了應對農村季節(jié)性用電的特點，農村電力系統(tǒng)普遍采取以下兩種季節(jié)性負荷措施，一是安裝有載調容變壓器，二是將變壓器進行并聯(lián)運行，普遍優(yōu)先采取第一種措施。在使用有載調容變壓器時，需要靈敏的信號傳輸系統(tǒng)，光纖傳感器相對其他傳統(tǒng)傳感器有著更好的監(jiān)測效果，故而可以將其應用到有載調容控制方面，以達到更加精確的控制效果[6]。

3.2 農村電力系統(tǒng)監(jiān)測方面

光纖傳感器的發(fā)明無疑解決了農村電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的一系列問題。首先，由于農村的輸電線路較長，電能運輸過程中對變壓器的損耗較大，所以提高變壓器使用壽命尤為重要。而變壓器的使用壽命與其繞組溫度有緊密聯(lián)系，因此需要對變壓器進行實時溫度監(jiān)測。

我們基于光纖光柵測量原理，設計出能測量繞組內部溫度的光纖傳感器就可以解決這一問題。針對變壓器繞組的應用環(huán)境，一般選擇硅膠作為粘合劑，將光纖光柵穿過傳感器底座的圓孔，使光柵呈直線狀態(tài)，并在底座的圓孔上涂上硅橡膠。這樣制作出的繞組光纖光柵傳感器在變壓器的穩(wěn)定傳輸方面有著巨大貢獻。

除此之外，根據(jù)農村用電的季節(jié)性特點，不同季節(jié)的用電量有很大差異，導致不同季節(jié)電纜運行的溫度大不相同，甚至會出現(xiàn)達到電纜溫度上限的情況，可能造成電纜的損壞。將光纖光柵傳感系統(tǒng)應用其中，可以實現(xiàn)溫度的分布式監(jiān)測，另外通過配合通風裝置和空調裝置，可以保證在不同的季節(jié)以及用電時期電纜的運行溫度都穩(wěn)定在合理范圍內[7-8]。

另外，農村的林木在干燥氣候下容易造成失火，光纖光柵傳感器可根據(jù)溫度是否異常發(fā)出火災預警。這對火災的預防作出了重要貢獻，同時也防止了輸電線路因火災而被破壞。

4 結束語

隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，對電力系統(tǒng)的監(jiān)測、控制技術的研究也占據(jù)著重要地位。光纖傳感器作為一種性能優(yōu)越的信號傳感器，已得到多方的關注和研究。隨著設備的發(fā)展和技術的改進，光纖傳感器將會廣泛的應用到電力系統(tǒng)的各個領域中?！翱萍家l(fā)展，電力要先行”。電力系統(tǒng)的發(fā)展水平是衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)達程度的重要標志，也是國民經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的重點。相信在不久的將來，光纖傳感器在電力系統(tǒng)中的廣泛應用勢必會為我國的經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻。