1、.光纖傳感技術在智能電網(wǎng)安全綜合監(jiān)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(nèi)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(jiān)測中的應用145.2.1 光纖電纜溝綜合監(jiān)測145.2.2 光纖高壓開關柜溫度監(jiān)測191. 研究背景隨著電力系統(tǒng)互聯(lián)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，逐漸形成了全國統(tǒng)一、甚至跨國的大型聯(lián)合系統(tǒng)。隨著電力網(wǎng)絡互聯(lián)程度的不斷提高，系統(tǒng)越來越龐大，運行方式越來越復雜，保證系統(tǒng)安全可靠運行的難度也越

2、來越大，使整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題越來越突出。在現(xiàn)代大電網(wǎng)中，各區(qū)域、各部分互相聯(lián)系、密切相關，在運行過程中互相影響。如果電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不完善，缺少必要的安全監(jiān)測措施，一個局部的小擾動或異常運行也可能引起全系統(tǒng)的連鎖反應，甚至造成大面積的系統(tǒng)瓦解。大規(guī)模的電力系統(tǒng)對現(xiàn)有的電網(wǎng)安全狀態(tài)綜合監(jiān)測提出了新的挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會中最重要、最龐大的工程系統(tǒng)之一。電能供應的中斷，不僅直接影響到國防與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、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(tǒng)向高效環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的目標發(fā)展，電力系統(tǒng)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(tài)監(jiān)測是保證電力系統(tǒng)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(huán)境下，電子傳感器具有很大局限性。因此，急需對電網(wǎng)運行狀態(tài)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(yōu)點，使得光纖傳感器在電力系統(tǒng)安全監(jiān)測中發(fā)揮了巨大作用。（1）光纖傳感器本質(zhì)為介電材料，傳輸光信號，本質(zhì)安全，因此可應用于高電壓、強電磁干擾的惡劣環(huán)境；（2）體積小、物理性質(zhì)穩(wěn)定，適合于在線監(jiān)測材料結(jié)構(gòu)的健康狀況，甚至可以將光纖傳感器直接置于材料內(nèi)部，和材料融為一體形成智能材料和結(jié)構(gòu)；（3）復用能力強，可實現(xiàn)對一線多點、兩維點陣或空間分布的連續(xù)監(jiān)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(lián)使用，從而實現(xiàn)對多參數(shù)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(jiān)測。光纖溫度傳感器、光纖聲發(fā)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(fā)電機定子等發(fā)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(tài)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(tǒng)安全監(jiān)測技術的發(fā)展。2. 研究目的與意義電力系統(tǒng)和電力產(chǎn)業(yè)是關系到國計民生的方方面面，因此上到國家、電力系統(tǒng)各單位，下到終端用戶，均對智

5、能電網(wǎng)的安全和可靠性提出了更高的要求。在智能電網(wǎng)的格局下，原來的信息集中控制系統(tǒng)“各司其職”、分布控制系統(tǒng)“離線整定、實時動作”的格局必須改變。針對智能電網(wǎng)對安全性的需求，需要一種新的智能安全網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電力業(yè)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(jiān)測被提上了前所未有的高度。智能電網(wǎng)必須具備高度的“自監(jiān)”安全能力，才能確保電網(wǎng)流在發(fā)、輸、變、配、用和調(diào)度的各個環(huán)節(jié)安全、順暢的傳導，對智能電網(wǎng)的成敗至關重要，建設實時動態(tài)檢測系統(tǒng)，適時建設無人值班變電站和集控中心站; 智能電網(wǎng)安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響, 對電網(wǎng)的發(fā)展, 對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行起到越來越強大的支撐作用。根據(jù)智

6、能電網(wǎng)規(guī)劃，到2015年，在電網(wǎng)安全監(jiān)測關鍵技術和設備上實現(xiàn)重大突破和廣泛應用；到2020年，全面建成智能電網(wǎng)。這一戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，意味著國家將在這一領域持續(xù)加大投資力度。智能電網(wǎng)規(guī)劃對在線監(jiān)測技術的發(fā)展提出了要求，為理工監(jiān)測的發(fā)展提供了廣闊的空間。因此，要高度重視對大電網(wǎng)運行狀態(tài)的綜合監(jiān)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(wǎng)的能力，確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。3. 研究內(nèi)容本項目主要研究內(nèi)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(tǒng)工程現(xiàn)場應用的光纖電力安全狀態(tài)監(jiān)測的解調(diào)儀；u 建立基于光纖傳感技術的智能電網(wǎng)安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括：

7、光纖電纜溝綜合監(jiān)測: 實現(xiàn)電纜溝井內(nèi)電纜接頭溫度、環(huán)境溫度、可燃有毒氣體濃度、積水深度等環(huán)境及運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測。光纖高壓開關柜溫度監(jiān)測: 發(fā)電廠，變電站的高壓開關柜溫度實時在線監(jiān)測。變壓器狀態(tài)監(jiān)測: 主要應用于頂層油溫，繞組溫度以及環(huán)境溫度的測量。輸電鐵塔狀態(tài)綜合監(jiān)測: 實現(xiàn)輸電鐵塔的桿塔傾斜、塔基沉降、振動等狀態(tài)的綜合監(jiān)測。系統(tǒng)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(tǒng)工程現(xiàn)場應用的光纖電力安全狀態(tài)監(jiān)測的解調(diào)儀；研究光纖傳感器在電力系統(tǒng)應用的安裝、固定等關鍵工程技術。通過該項目的實施，實現(xiàn)包括環(huán)網(wǎng)柜、變壓器、高壓開關、電

8、纜、發(fā)電機等多種大型設備、器材等進行在線狀態(tài)監(jiān)測及預警，在解決本質(zhì)安全型電力安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)工程化主要系列問題方面獲得突破，建立智能電網(wǎng)安全監(jiān)測監(jiān)控和災害預警示范工程；產(chǎn)生一系列擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)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(jiān)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(yōu)勢和特點:它本質(zhì)防爆、無電傳感、化學性能穩(wěn)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(diào)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(diào)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(fā)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(jù)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(jié)構(gòu)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(jiān)測靈敏度和監(jiān)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(tǒng)，利用一臺監(jiān)測設備就可以實現(xiàn)溫度、壓力、水位、振動等的多參數(shù)檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)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(chǎn)生折射率周期調(diào)制，

11、在布拉格波長上，在光波導內(nèi)傳播的前向?qū)詈系胶笙蚍瓷淠Ｊ剑纬刹祭穹瓷洹τ谔囟ǖ目臻g折射率調(diào)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(fā)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(shù)。在1550nm波段，F(xiàn)BG對溫度的敏感系數(shù)分別為：10pm/oC 光纖光柵溫度傳感器溫度測試數(shù)據(jù)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?shù)倪^程中，與光纖分子相互作用, 發(fā)生散射。喇曼散射是一種特殊的散射，它會產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(tǒng)內(nèi)部由三個監(jiān)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(xiàn)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(zhì)的原子、分子將發(fā)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(diào)諧激光二極管的波長可以隨電流大小調(diào)制的特點對激光輸出波長進行調(diào)制，再利用鎖相放大器優(yōu)異的微弱信號的提取能力實現(xiàn)氣體吸收光譜線的恢復，就可以實現(xiàn)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(tǒng)原理框圖5.2 光纖傳感技術在電力安全監(jiān)測中的應用利用各種光纖傳感傳感器和傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)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(jiān)測。5.2.1 光纖電纜溝綜合監(jiān)測隨著城市化規(guī)模擴大建設速度加快，相應的城市附屬設施建設同樣發(fā)展迅速，電力電纜供電網(wǎng)絡也得以快速發(fā)展，規(guī)模龐大的地下供電網(wǎng)絡，電纜分布眾多，如何發(fā)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(nèi)電纜及環(huán)境進行巡視檢查。特別是在高溫、大負荷季節(jié)進行大量巡檢工作對井溝內(nèi)電纜接頭進行的紅外測溫，井溝內(nèi)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(tài)在線監(jiān)測平臺，對影響運行的重要狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測。我們針對電力行業(yè)的應用，采用光纖技術設計了對溝井電力電纜接頭溫度、環(huán)境溫度、可燃有毒氣體濃度、積水深度的綜合在線監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了電纜溝井內(nèi)環(huán)境及運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，對相關運行人員提供了可靠地數(shù)字依據(jù)，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(tǒng)的安裝分主要為5個部分：1、監(jiān)控柜內(nèi)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(tǒng)的連接調(diào)試； 5、數(shù)據(jù)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(cè)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(huán)形固定在接頭處；對電纜接頭進行重點監(jiān)測，在特殊區(qū)域，如電纜支架處，要進行特別固定。 l 系統(tǒng)安裝：監(jiān)控柜的架設：監(jiān)控柜內(nèi)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(jiān)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(huán)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(nèi)多采集溫度監(jiān)測點，達到雙重保證的效果。雙環(huán)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(huán)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(cè)各捆扎一次。要求光纜安放在電纜的側(cè)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(nèi)，以便排除測量盲區(qū)。然后將光纜盒固定于光纜終端的適當位置。主要參數(shù)：項目單位參數(shù)值備注分布式溫度監(jiān)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(shù) -16可擴展水位監(jiān)測量程m5測量精度% FS±0.5使用溫度0 40甲烷氣體濃度監(jiān)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(xiàn)場圖 平行敷設光纜結(jié)構(gòu)圖 現(xiàn)場敷設光纜 電纜接頭處理高壓電纜溝溫度在線監(jiān)測

19、系統(tǒng)示意圖發(fā)現(xiàn)過熱點并報警5.2.2 光纖高壓開關柜溫度監(jiān)測現(xiàn)代工業(yè)中，工業(yè)設備運行異常或故障通常表現(xiàn)出溫度的異常變化。發(fā)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(jié)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(fā)熱，形成一個惡性循環(huán)，而這些發(fā)熱部位就成為了故障事故發(fā)生的隱患，一旦發(fā)生電器設備安全問題，將造成巨大的經(jīng)濟損失。由于開關柜為密封的狀態(tài)，無法直觀看到內(nèi)部運行狀況；而開關柜一旦運行，很難出現(xiàn)停電的狀況，因此也無法進行停電狀態(tài)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(nèi)，要實現(xiàn)系統(tǒng)可靠絕緣監(jiān)測困難重重，因此導致也無法直接在高壓開關柜內(nèi)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(xiàn)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(nèi)部的真實溫度情況無法