1、.光纖傳感技術在智能電網安全綜合監測中的應用山東微感光電子有限公司:目 錄1.研究背景12.研究目的與意義23.研究內容34.研究目標及技術路線55.研究方案65.1.光纖傳感技術65.1.1光纖光柵傳感技術65.1.2光纖分布式溫度檢測技術115.1.3光纖氣體檢測技術125.2 光纖傳感技術在電力安全監測中的應用145.2.1 光纖電纜溝綜合監測145.2.2 光纖高壓開關柜溫度監測191. 研究背景隨著電力系統互聯的不斷發展，現代電網規模日益擴大，逐漸形成了全國統一、甚至跨國的大型聯合系統。隨著電力網絡互聯程度的不斷提高，系統越來越龐大，運行方式越來越復雜，保證系統安全可靠運行的難度也越

2、來越大，使整個電網的安全穩定問題越來越突出。在現代大電網中，各區域、各部分互相聯系、密切相關，在運行過程中互相影響。如果電網結構不完善，缺少必要的安全監測措施，一個局部的小擾動或異常運行也可能引起全系統的連鎖反應，甚至造成大面積的系統瓦解。大規模的電力系統對現有的電網安全狀態綜合監測提出了新的挑戰。電力系統是現代社會中最重要、最龐大的工程系統之一。電能供應的中斷，不僅直接影響到國防與工農業生產、交通，造成人民生活紊亂，在某些情況下甚至釀成及其嚴重的社會性災難。隨著我國電力系統向高效環保可持續發展的目標發展，電力系統的安全高效運行更加重要。電力設備和電力線路的運行狀態監測是保證電力系統安全高效運

3、行的重要手段。但是，在具有強電磁干擾、高壓的惡劣環境下，電子傳感器具有很大局限性。因此，急需對電網運行狀態進行實時在線綜合檢測的有效手段。光纖傳感技術是20世紀70年代末興起的一種先進的多學科交叉技術。光纖傳感器所具有的諸多獨特優點，使得光纖傳感器在電力系統安全監測中發揮了巨大作用。（1）光纖傳感器本質為介電材料，傳輸光信號，本質安全，因此可應用于高電壓、強電磁干擾的惡劣環境；（2）體積小、物理性質穩定，適合于在線監測材料結構的健康狀況，甚至可以將光纖傳感器直接置于材料內部，和材料融為一體形成智能材料和結構；（3）復用能力強，可實現對一線多點、兩維點陣或空間分布的連續監測，在同一條檢測通道中可

4、以將多個/多種傳感器探頭串連和并聯使用，從而實現對多參數的快速準確測量；（4）光纖傳輸損耗小，信號傳輸距離遠，可用于遠距離監測。光纖溫度傳感器、光纖聲發射傳感器、光纖振動傳感器、光纖氣體傳感器、光纖水位傳感器等等，可用于高壓開關柜、高壓變壓器繞組、發電機定子等發電、輸變電設備的溫度、振動、絕緣程度（局放定位和測量）等狀態的實時在線測量，同時可以對電纜的溫度進行實時分布式測量和定位，對輸變電電纜溝的氣體濃度、水位狀況進行實時測量。光纖傳感技術必將大大推動電力系統安全監測技術的發展。2. 研究目的與意義電力系統和電力產業是關系到國計民生的方方面面，因此上到國家、電力系統各單位，下到終端用戶，均對智

5、能電網的安全和可靠性提出了更高的要求。在智能電網的格局下，原來的信息集中控制系統“各司其職”、分布控制系統“離線整定、實時動作”的格局必須改變。針對智能電網對安全性的需求，需要一種新的智能安全網絡系統，可以實現電力業務安全防護由技術防護到策略防護的跨越。電力變電站安全監測被提上了前所未有的高度。智能電網必須具備高度的“自監”安全能力，才能確保電網流在發、輸、變、配、用和調度的各個環節安全、順暢的傳導，對智能電網的成敗至關重要，建設實時動態檢測系統，適時建設無人值班變電站和集控中心站; 智能電網安全綜合監測系統產生重大影響, 對電網的發展, 對電網的安全、穩定運行起到越來越強大的支撐作用。根據智

6、能電網規劃，到2015年，在電網安全監測關鍵技術和設備上實現重大突破和廣泛應用；到2020年，全面建成智能電網。這一戰略規劃的提出，意味著國家將在這一領域持續加大投資力度。智能電網規劃對在線監測技術的發展提出了要求，為理工監測的發展提供了廣闊的空間。因此，要高度重視對大電網運行狀態的綜合監測，重視利用先進的科學技術，通過科技進步，提高駕馭大電網的能力，確保電力系統的安全可靠運行。3. 研究內容本項目主要研究內容： u 研制新型的高性能光纖溫度、氣體、壓力、位移等傳感器；u 研制適于電力系統工程現場應用的光纖電力安全狀態監測的解調儀；u 建立基于光纖傳感技術的智能電網安全綜合監測系統，主要包括：

7、光纖電纜溝綜合監測: 實現電纜溝井內電纜接頭溫度、環境溫度、可燃有毒氣體濃度、積水深度等環境及運行狀態的在線實時監測。光纖高壓開關柜溫度監測: 發電廠，變電站的高壓開關柜溫度實時在線監測。變壓器狀態監測: 主要應用于頂層油溫，繞組溫度以及環境溫度的測量。輸電鐵塔狀態綜合監測: 實現輸電鐵塔的桿塔傾斜、塔基沉降、振動等狀態的綜合監測。系統框圖4. 研究目標及技術路線主要研究目標：研制新型的高性能光纖溫度、氣體、壓力、位移傳感器；以及適于電力系統工程現場應用的光纖電力安全狀態監測的解調儀；研究光纖傳感器在電力系統應用的安裝、固定等關鍵工程技術。通過該項目的實施，實現包括環網柜、變壓器、高壓開關、電

8、纜、發電機等多種大型設備、器材等進行在線狀態監測及預警，在解決本質安全型電力安全監測監控系統工程化主要系列問題方面獲得突破，建立智能電網安全監測監控和災害預警示范工程；產生一系列擁有自主知識產權的新產品。技術路線圖：項目研究的技術路線5. 研究方案5.1.光纖傳感技術5.1.1光纖光柵傳感技術光纖傳感無電安全監測技術是本世紀興起的前沿應用學科，既用光纖感測信號又用光纖傳輸信號，是目前傳感技術最杰出的代表，是自動檢測的革命性技術。光纖光柵傳感器是一種新型全光纖無源器件，與普通傳感器相比，具有不可比擬的優勢和特點:它本質防爆、無電傳感、化學性能穩定、傳輸距離遠、可用于對外界參量的絕對測量，這種特性

9、在傳感器領域中引起了革命。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調制后，即成為光柵。光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光，中心波長為布喇格波長。光纖光柵傳感的基本原理是布拉格反射。當光波傳輸通過FBG時，滿足Bragg 條件的光波將被反射回來，這樣入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率n 和光柵周期，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，測量此漂移量就可直接或間接地感知

10、外界物理量的變化。根據光纖光柵對外界溫度和應力敏感的特性，設計不同的封裝，可以制成光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖水位傳感器、光纖振動傳感器等各種傳感器。 光柵結構示意圖 光纖水位傳感器 光纖溫度傳感器 光纖振動傳感器 光纖溫度傳感器由于光纖光柵傳感器是以波長為編碼的，使得光纖傳感器具有更高的監測靈敏度和監測精度，同時可以利用波分復用技術組成大容量、多類型的混合傳感系統，利用一臺監測設備就可以實現溫度、壓力、水位、振動等的多參數檢測。光纖光柵傳感系統光纖光柵溫度傳感器原理光纖光柵（FBG）是一種反射式光纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10mm長的裸光纖，在纖芯產生折射率周期調制，

11、在布拉格波長上，在光波導內傳播的前向導模會耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。對于特定的空間折射率調制周期（）和纖芯折射率（n），布拉格波長為：B2n（1）由式(1)可以看出：n與的改變均會引起反射光波長的改變。因此，通過一定的封裝設計，使能外界溫度、應力和壓力的變化導致n與發生改變，即可使FBG達到對其敏感的目的。 光纖光柵原理示意圖FBG中心波長與溫度變化的關系為BB（1）T（2）式中，B是溫度變化引起的反射光中心波長的改變；T為溫度的變化量；為光纖的熱光系數。在1550nm波段，FBG對溫度的敏感系數分別為：10pm/oC 光纖光柵溫度傳感器溫度測試數據5.1.2光纖分布式溫度檢測技術光

12、纖分布式測溫的基本原理是喇曼（Raman）散射效應。激光在光纖中傳輸的過程中，與光纖分子相互作用, 發生散射。喇曼散射是一種特殊的散射，它會產生兩束波長不同的散射光，一束比光源波長長的光，稱斯托克斯（Stokes）光，和一束比光源波長短的光，稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）光。反斯托克斯光信號的強度與溫度有關，斯托克斯光信號與溫度無關。從光波導內任何一點的反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號強度的比例中，可以得到該點的溫度。同時，利用光時域反射技術（OTDR）技術通過光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些熱點進行定位。利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量和熱點定位。 激光的

13、散射圖譜 分布式測溫光纜光纖分布式測溫系統內部由三個監測單元組成，兩個單元信道(反斯托克斯和斯托克斯)和一個參考信道，這些背光散射的幅值和各點的喇曼散射光的強度成比例，從兩個測量信道得到幅值的關系即可得到沿傳感器電纜的光纖溫度。激光源信號處理模塊OTDR定位距離入射光反射光反（散）射現象光纖分布式測溫原理圖5.1.3光纖氣體檢測技術光纖氣體檢測技術基于光譜吸收技術，當光通過氣體時，光頻電磁波與組成介質的原子、分子將發生作用，使得特定波長的光被氣體吸收。每一種氣體都對應著一個特定波長的吸收光譜圖。光纖氣體傳感器不同濃度瓦斯氣體的吸收如下圖所示。不同濃度瓦斯吸收圖基于光譜吸收技術測量氣體濃度時，可

14、利用可調諧激光二極管的波長可以隨電流大小調制的特點對激光輸出波長進行調制，再利用鎖相放大器優異的微弱信號的提取能力實現氣體吸收光譜線的恢復，就可以實現很好的探測靈敏度，從而測得精度較高的氣體濃度。光纖氣體檢測系統原理框圖5.2 光纖傳感技術在電力安全監測中的應用利用各種光纖傳感傳感器和傳感系統，可以實現對電纜溝水位、電纜溫度、可燃氣體濃度，高壓開關柜觸點溫度，以及輸電鐵塔桿塔振動、傾斜塔基沉降等的綜合監測。5.2.1 光纖電纜溝綜合監測隨著城市化規模擴大建設速度加快，相應的城市附屬設施建設同樣發展迅速，電力電纜供電網絡也得以快速發展，規模龐大的地下供電網絡，電纜分布眾多，如何發展同時對電力部門

15、電纜安全運行，事故預防亦提出更高要求。輸電電纜運行管理，相關部門每年都投入大量人力物力，對電纜溝井內電纜及環境進行巡視檢查。特別是在高溫、大負荷季節進行大量巡檢工作對井溝內電纜接頭進行的紅外測溫，井溝內積水、防火觀察檢測等，但無法實時掌握，進行預防，及時預測。在這種情況下建立一個綜合有效地電纜溝井運行狀態在線監測平臺，對影響運行的重要狀態進行實時在線監測。我們針對電力行業的應用，采用光纖技術設計了對溝井電力電纜接頭溫度、環境溫度、可燃有毒氣體濃度、積水深度的綜合在線監測平臺，實現了電纜溝井內環境及運行狀態的在線實時監測，對相關運行人員提供了可靠地數字依據，更好的做出運行安排，減輕了勞動強度，為

16、安全運行提供了保障。整個系統的安裝分主要為5個部分：1、監控柜內儀器的架設；2、測溫光纜的鋪設；3、測溫光纜的固定；4、測溫光纜與主機系統的連接調試； 5、數據上傳。施工時應主要遵循以下原則：測溫光纜要沿被測電纜敷設，感溫光纜要與北側電纜接觸良好，在電纜接頭處需余留5-10米感溫光纜盤成環形固定在接頭處；對電纜接頭進行重點監測，在特殊區域，如電纜支架處，要進行特別固定。 l 系統安裝：監控柜的架設：監控柜內主要有顯示器，工控機，DTS控制器，激光打印機，報警器，手機短信報警器。將這6種儀器分別按照各自的連方式進行連接。l 測溫光纜的鋪設：光纜的鋪設從放置主機的監控中心開始，首先將光纜所鋪設的電

17、纜路線清理好，除去電纜線路上的水塵等雜物；將測溫光纜架設到放線支架上沿著所需測溫的電纜向前敷設，將光纜逐根拉到位先放到電纜支架上。當遇到電纜接頭時為了測得高精度溫度采用雙環形纏繞方式固定在電纜中間接頭處，第一保證測溫光纜與電纜終端頭及中間接頭緊密接觸，第二能在有效的長度內多采集溫度監測點，達到雙重保證的效果。雙環形纏繞光纜展開長度為5米10米。此處對電纜接頭進行雙環行纏繞電纜接頭處的光纜纏繞注明電纜接頭處光纜固定簡示所有光纜放到位后開始測溫光纜與電纜的固定，每1米捆扎一次。遇電纜固定支架時，在固定支架兩側各捆扎一次。要求光纜安放在電纜的側面，要求保證光纜與電纜有良好的接觸。鑒于排除光纜終端余留

18、20米長，盤成圓并用扎帶扎緊放于光纜盒內，以便排除測量盲區。然后將光纜盒固定于光纜終端的適當位置。主要參數：項目單位參數值備注分布式溫度監測距離km62/4/6/8km可選范圍-30130溫度分辨率0.1精度±1響應時間s<5單通道/km/10000次定位精度m±2信道數 -16可擴展水位監測量程m5測量精度% FS±0.5使用溫度0 40甲烷氣體濃度監測量程%0100靈敏度%0.1精度%01%：±0.05%1%100%：±真值的5%響應時間S8 品字型敷設式光纜現場圖 平行敷設光纜結構圖 現場敷設光纜 電纜接頭處理高壓電纜溝溫度在線監測

19、系統示意圖發現過熱點并報警5.2.2 光纖高壓開關柜溫度監測現代工業中，工業設備運行異常或故障通常表現出溫度的異常變化。發電廠，變電站的高壓開關柜是重要的電器設備。在設備長期運行過程中，開關柜中的動靜觸點結合處和母線排連接處等部位因氧化、松動等因素造成接觸電阻過大而發熱，形成一個惡性循環，而這些發熱部位就成為了故障事故發生的隱患，一旦發生電器設備安全問題，將造成巨大的經濟損失。由于開關柜為密封的狀態，無法直觀看到內部運行狀況；而開關柜一旦運行，很難出現停電的狀況，因此也無法進行停電狀態下的人工巡查；電阻式傳感器由于本身帶電和傳輸線路帶電，在緊湊的開關柜內，要實現系統可靠絕緣監測困難重重，因此導致也無法直接在高壓開關柜內部使用；目前常用的手持式紅外熱成像儀是一種非接觸式測量手段，需人工操作，無法實現不間斷在線測量，感測的是待測物體表面的輻射熱能值，易受溫度、氣氛、污染和干擾等因素的影響；對于高壓開關柜運行過程中內部的真實溫度情況無法