光纖傳感器在電力系統中的應用研究

摘 要：我國是一個用電大國，同時又是一個電力資源極度匱乏的國家。我國電力系統發展的好壞對于我國經濟發展以及社會穩定起著至關重要的作用。鑒于此，本文通過對光纖傳感器優點的闡述以及應用分析，希望借助于光纖傳感器的應用，有效改善傳統傳感器應用中的種種弊端，更好的服務于我國整體電力系統的發展，優化我國電力事業以及電網布局，更好保證企業以及居民的用電需求。

關鍵詞：光纖傳感器；電力系統；電力事業；應用分析

1 引言

我國是一個用電大國，同時又是一個電力資源極度匱乏的國家。我國電力系統發展的好壞對于我國經濟發展以及社會穩定起著至關重要的作用。電力系統網絡結構復雜、分布面廣，并且由于我國整體的地域面積以及地勢的差異性使得實際的電纜鋪設以及電力通信網絡的構建過程中存在著諸多不確定因素和隱患，而這些都會對我國整體的電力系統的發展以及電網構建帶來不穩定因素。因此，對系統內各種線路、網絡進行分布式監測顯得尤為重要，只有切實有效的對現有的各個路段以及各個區域的電力系統運行狀態的監督與管理，才能夠切實有效的提升整體的電力系統的有效性、穩定性以及安全性，從而真正保證我國電力事業的可持續化的運行。光纖作為一種新型的通信材料，從近代通信技術的發展而言，光纖通信技術的發展可謂是一次新的技術革命。進入新世紀以來，隨著科學技術的不斷發展，電信的改革以及電信市場的開放，人們對于信息傳輸的容量以及速度有了新的要求，這讓光纖通信有了新的不同的局面。其本身的抗電磁干擾、耐高壓、帶寬資源豐富等特點使得其本身在我國現有的電力事業應用程度以及應用范圍越來越廣泛。目前，采用分布式光纖傳感器進行溫度與應變的測量等已經在包括美國、英國、法國等發達國家所普遍使用，并且取得了良好的效果，能夠持續不間斷的對現有的電力系統進行監測與監督。鑒于此，本文主要通過對于光纖通信本身的優勢分析，進一步研究和探討光纖傳感器在我國現代電力系統監測中的積極作用，分析其對于壓電力線在線測溫的用用分析。

2 光線感應器概述

2.1 光線感應器優點

自上世紀七十年代依賴，光纖技術逐步被人們所意識到其本身不僅僅能夠傳播光，更為重要的是其還可以構成一種新的直接交換信息的元件。即利用其本身的特性，進而將信息進行快速的傳播。并且，相對于傳統的電纜的信息傳輸而言，光前的傳輸其本身的能耗更低、帶寬更高、對于外界的抗干擾能力更強，而這些保證了光纖本身的傳輸能夠使得負載更多的信息，同時傳輸的信息頻率以及內容更加的穩定，避免了傳統電纜傳輸下的信息的失真和不穩定情況。因此，相對于傳統的傳感器而言，光纖傳感器具有傳統傳感器所不可比的優點：機械強度高、重量輕、保密性好、易于遠距離遙測、不受電磁干擾、響應速度快等等。在近年來國外的學者研究以及應用過程中，進一步證明了光纖傳感器的上述優勢，并且其本身的消耗較短，能夠大大提升使用壽命，減少了更換的頻率。

2.2 光線感應器基本原理

光纖傳感器的基本原理是將光源發出的光經光纖送人調制區，在調制區內，外界被測參數與進入調制區的光相互作用，由此使得其中的內容能夠被調制成相應的信息，從而最終被解調成可以獲得的物理數據。

目前，光纖傳感器按其傳感原理可分為兩大類：

一是傳感型傳感器。其主要是利用對外界信息具有敏感能力和監測功能的光纖作為敏感元件，其本身對于外界的信息監測更加的穩定可靠。二是傳光型傳感器，在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質。對外界信息的“感覺”是依靠其它的功能元件來完成的。就現有主要的傳感技術而言，主要是采用以下三種技術：（1）布里淵散射技術；（2）喇曼散射技術；（3）基于背向瑞利散射技術。上述技術各有不同，針對不同的情況和環境需求下，而可以采用不同的技術應用。

3 光纖傳感器在電力系統中的應用

現代電力系統的發展不僅僅是要求電力傳輸的速率的提高以及能耗的降低，更為重要的是其穩定性的改善，要保證電力傳輸的穩定性就必須要對現有的傳輸線路以及整個系統進行實時的監測，從而保證整個系統以及線路運行的可靠，并且在監測過程中了解現有的系統中所存在的不足以及漏洞，從而第一時間對其進行維護與檢修。而這就需要良好的數據監測設備的保障。顯然傳統的監測設備由于技術限制以及抗干擾能力的不足和安全性不佳，使得其在運用過程中無法得到充分的保障，沒有辦法滿足我國現代電力系統建設發展的需求。而從國外的實踐結果來看，光纖傳感器無疑是較理想的一種監測技術。

3.1 利用法拉第效應的光纖電流（磁場）傳感器

根據法拉第效應，由電流所產生的磁場會引起在該磁場中的光纖（或法拉第晶體）中線偏振光的旋轉，監測偏轉角的大小可以得到對應的電流（磁場）數值。由于傳統的傳感器其穩定性不足，并且測量范圍較小，在監測過程中會受到絕緣材料以及磁場干擾等影響，因而受到了廣泛的詬病。而利用法拉第效應的光纖電流（磁場）傳感器，其使得信息在傳輸過程中，光從激光器發出的激光束經起偏器變成線偏振光，再經顯微物鏡聚焦耦合到單模光纖中。單模光纖繞在高壓載流導體（或套在等離子束流）上。受磁場作用的光束從光纖的另一端出來之后，經第二個顯微物鏡耦合到渥拉斯頓棱鏡上，并由棱鏡把光束分戚振莉方向相互垂直的兩束偏振光，分別進入光操測器。經信號處理系統處理，得到與被電流（磁場）有關的信號。相對于傳統的傳輸方式而言，光纖電流（磁場）傳感器其無疑大大提升了信息傳輸的穩定性與安全性，并且借助于光纖技術本身的測量范圍大以及響應速度快等優勢，使得本身的使用效率以及監測結果得到了顯著地提升。不過其本身依然會受到外界惡劣天氣的影響，從而導致本身的穩定性受到一定的影響。當受環境因素變化的影響時穩定性較差。

3.2 光纖傳感器在我國電力系統光纜監測中的應用

電力系統光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環境差異很大，不同的地貌因素以及天氣自然狀況對于光纜本身的要求也存在一定的差異性。并且部分高山地區或是雷電多發地區，其本身的強烈的電磁場無疑會感染到信息的傳輸以及傳感器本身對于電纜的監測狀況。一般而言，在特殊地區其本身對于光纜的監測要求更高，不僅僅是監測的實時性，同時對于監測設備也提出了更高的難度和要求。目前，電力系統主要采用人工方式用光時域反射計進行光纖的監測。其雖然能夠取代傳統的人工監測所帶來成本負擔，提升了傳統光纜監測效率，但是其本身對于環境要求較高，特別是瑞利散射光基本不受溫度和應力等外界條件的影響，由此也降低了在實際應用的效果。

3.3 光纖傳感器在高壓電纜溫度和應變測量中的應用

正如之前所述，光纖本身的傳輸具有帶寬高、抗干擾能力強以及動態范圍大等諸多優勢，因而其能夠更好地對光纖沿線各點的溫度及應力進行測量，因此分布式光纖傳感技術已經在國外得到了廣泛而普遍的應用。但是，在我國由于整體技術上不太成熟，僅僅是小范圍的使用，并沒有充分在全國各個區域充分實施與鋪開。聯系到我國南方地區所遭受到的雪災來考慮，若能夠在當時就應用現有的分布式光纖傳感技術無疑能夠在如此惡劣的條件下，對于電纜系統進行切實有效的監測，從而能夠對存在故障的電纜在第一時間發現以及維修，從而第一時間避免了故障所帶來的后續危害性，更好的保證了整體電纜系統運行的穩定性和有效性，由此可見光纖傳感器在電力系統將具有廣泛的應用前景和應用價值。

3.4 光纖傳感器在電功率傳感器中的應用

電功率是反映電力系統中能量轉換與傳輸的基本電量，電功率測量是電力計量的一項重要內容。其更多的是應用于現代變電站的監測應用，對于現代變電站而言，借助于其自身尺寸小、自身功耗低、頻帶寬、抗干擾、無線圈鐵芯、易于組網和遙測等突出特點。更適宜目前傳統變電站互感器、測溫元件改造和智能變電站建設應用，通過遠程控制以及監測，從而更有效的保證了變電站各項數據使用監測的穩定性、可靠性以及安全性。而隨著現代光纖技術的作用被人們所不斷發掘，其在電力功率傳感器中的應用也逐步被人們所挖掘和發現。目前這一技術已經在日本、美國、英國等國家被廣泛成功應用。并且從實際結果而言，對于變電站本身的運行以及實際運作具有積極的促進作用，更好的提升了電力供應的穩定性。

4 結束語

一個國家的經濟發展離不開穩定而有效的電力供應。從現代發達國家的實踐經驗可以看到，光纖傳感器本身對于電力供應穩定的重要性，其通過對于高壓電纜溫度、電功率等方面的測量使得任何一個傳輸環節出現問題都能夠切實而有效的反饋給控制和傳輸中心，從而在第一時間對現有的電網以及傳輸線纜進行維修，從而保證了電力傳輸的可靠性和安全性。而我國作為一個電力大國，電力運輸的可靠性與穩定性直接決定了我國經濟未來的發展能否可持續。近年來，針對其在電力系統中的應用我國企業以及學者都開展了不同程度的研究，并且逐步在相關領域進行了應用。未來隨著光纖傳感器的進一步廣泛應用，無疑有效改善傳統傳感器應用中的種種弊端，更好的服務于我國整體電力系統的發展，優化我國電力事業以及電網布局，更好保證企業以及居民的用電需求。

[參考文獻]

[1]MOHAMED N，ALAHBABI，YUH T Cho，et al.150kmrange distributed temperature sensor based on coherentdetection of spontaneous Brillouin backscatter and in-line Raman amplification. Journal of the Optical Society of America.2005.

[2]張朋，王寧，陳艷，王海燕.光纖傳感器的發展與應用[J].現代物理知識，2009（02）.

[3]唐宇，劉傳菊.光纖傳感器及其研究現狀[J].科技資訊，2009（07）.

[4]陳繼宣，龔華平，張在宣.光纖傳感器的工程應用及發展趨勢[J].光通信技術，2009（10）.

[5]李卓明，李永倩，何玉鈞.光纖布里淵傳感器在電力系統光纜監測中的應用探討[J].電力系統通信.