光纖傳感技術在電力系統中的應用前景

國網安徽省電力公司信息通信分公司 丁 健

光纖傳感技術在電力系統中的應用前景

國網安徽省電力公司信息通信分公司 丁 健

光纖傳感技術為電力系統的安全穩定運行提供了一種新的監測手段，具有質量輕、徑細、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、信號衰減小、集信息傳感與傳輸于一體等特點，可以解決常規檢測技術難以完全勝任的測量問題。依靠其特殊的物理性質，在電力系統中一定會有較好的應用前景。

光纖傳感技術；電力系統；應用前景

1.光纖傳感技術概述

光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質難以相比的優點，非常適用于強電磁場干擾和高電壓的環境里，其中分布式光纖傳感技術和光纖光柵傳感技術在電力系統已逐步得到推薦應用。

1.1 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術主要通過光纖拉曼散射效應和光時域反射技術來實現。拉曼散射指的是光通過介質時由于入射光與分子運動相互而引起的波長發生變化的一種散射。在拉曼散射光中，根據波長變化方向的不同分為斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，較短波長的反斯托克斯光對溫度非常敏感，而較長波長的斯托克斯光對溫度則相對不敏感。利用這一關系，反斯托克斯光強和斯托克光強的比值能準確反映光纖的溫度信息。光時域反射技術是指激光在光纖中前向傳播時，不同光纖位置的背向拉曼散射光返回光纖入射端的時間是不同的，通過區分該時間即可確定散射信號所對應的光纖位置，從而實現物理參量的分布式測量。

1.2 光纖光柵傳感技術

附圖1 光纖散射光譜

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵，其基本結構為沿纖芯折射率周期性的調制，所謂調制就是沿著光纖軸線均勻分布的折射率產生大小起伏的變化。當光纖光柵的外界環境發生變化時，就有可能導致光纖光柵的中心波長隨著溫度產生變化。由于光纖材料的熱光效應，光纖光柵的周期也發生變化，從而導致纖芯有效折射率和纖芯折射率調制周期的變化，最終導致了光纖光柵波長的漂移，通過監測光柵反射光的波長變化，就可以知道光柵處的溫度變化。

附圖2 光纖布拉格光柵結構示意圖

2.光纖傳感技術優勢

光纖傳感技術以光纖為媒介感知和探測外界被測信號，在傳感方式、傳感原理和信號的探測及處理等方面都與傳統的電子傳感技術有著明顯的差異，自上世紀七十年代光纖傳感技術被發展以來，引入光纖、光纖通信、光電感應和信號采集與定位等多種技術，尤其在某些特殊領域及惡劣工況下具有明顯的技術優勢。首先，利用光纖具有的大容量信息傳輸特點，使其既成為外界信號的感受器，又是信息的傳輸器，從而具有一物多用的特點；且通過調制和處理光的相位、頻率、振幅以及偏振態等多種參數，能夠敏銳地感知外界物理量和化學量的變化，其敏感性和精確度都具有較高的優勢。其次，由于光纖使用絕緣材料制成，不易引起自燃和爆炸，因此在易燃易爆環境中作業的安全性能很高，對環境的影響較少，具有本質安全性；并在復雜的電氣環境之中，光纖傳感器受到的影響很小，其抗干擾性、穩定性和可靠性都表現較好，同時利用光信號傳播的特點，使其響應速度得到保證。再次，利用光通信技術容易組網，可以完成長距離的分布式測量，實現對采集信息的大范圍高速傳播。最后，其化學性質表現穩定，能夠對抗惡劣環境，經濟環保，安全可靠，具有較好的使用價值。

3.光纖傳感技術在電力系統中的推薦應用

3.1 電力系統關鍵設備監測

風機葉片對于風力發電來說具有十分重要的意義，一般會在風機葉片上安裝光纖應力傳感器，以便對風機葉片所受到的壓力進行實時的監控，進而得出風力數據。光纖應力傳感器體積小，重量也很輕，這種小巧靈便的傳感器分布在風機葉片上，對風力發電造成的影響很小。

3.2 電力系統關鍵部位溫度監測

要對火力發電機組的鍋爐和燃料室進行溫度的監測，可以將光纖溫度傳感器安置在燃燒室的內部，它可以測量一千攝氏度以內的溫度，便于人們通過燃燒室的溫度分布來推斷燃燒效率，并以此為根據來調制燃燒過程，以便做到安全生產。

3.3 電力系統關鍵點氣體監測

電力系統的安全運行需要通過氣體監測來確知二氧化碳、硫化氫、氨氣、氮氣、氯氣以及六氟化硫等氣體，以便更好地控制發電環境，這時候，管線氣體傳感器就能夠發揮巨大作用。這種傳感器的原理是利用氣體在不同波長光照下能夠表現出不同的特征吸收譜線的特性，用吸收光譜法對氣體濃度進行監測，因此能夠對多種氣體進行監測。它具有耗損低、不發熱、不帶電，不燃燒無明火等優點，能夠避免傳感器本身的作用造成環境的失火；全光纖結構又可以在長距離多點探測中發揮作用；光纖氣體傳感器對于環境有較好的適應程度，在潮濕的環境中不易發生故障，在粉塵多的地方也不容易造成爆炸。

3.4 電力系統輸電線路監測

對于長距離輸電線路的監控更是發揮光纖傳感技術的優勢所在，如在架空裸線內部一般用普通的通信光纖加上光源和光探測器制作而成的分布式光纖傳感器。其優點就在于既可以傳感，又能夠傳遞信息。這種傳感器主要用來對遠距離的標志物進行大量位置的、連續的測量以及監控，主要可以用于應力和溫度的實時監控。上述分布式溫度光纖傳感器的敷設十分簡單，具有高達一米的分辨率，不僅可以測量故障點的位置，還可以優化輸電線路的功率分配；在這種傳感器參與之下建立起防火預警系統，往往可以收到良好的效果。另外，地下電纜的溫度測量就依靠這種分布式溫度光纖傳感器，一般采用電纜表面敷設和電纜內部敷設兩種方式。

3.5 電力系統光纖傳感技術新應用

利用光纖抗輻射的特性，在核能發電領域通過光纖傳感技術對核電廠反應堆進行監測，包括混凝土健康狀況、高溫部件的情況以及核廢料堆的溫度等，這是光纖傳感器的新應用。此外，隨著光傳感技術的發展和設備工藝水平的提高，光纖傳感器的應用范圍會越來越廣。

4.結論

隨著電力自動化程度的提高，實現電力系統關鍵要素的電壓、電流、磁場、應力、溫度以及速度等實時信息的監測，對提高電力系統的安全性、穩定性和供電質量的可靠性具有重要意義。光纖傳感技術作為一種新型監測方式，研究和工程應用表明，系統安全穩定可靠，獲取信息及時準確全面，經濟效益和社會效益顯著，在現代信息通信等新技術領域應用推廣前景廣闊。

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