光纤传感技术在智能电网安全综合监测中的应用讲解

1、光纤传感技术 在智能电网安全综合监测中的应用 山东微感光电子有限公司 目录 1. 研究背景 1. 2. 研究目的与意义 2. 3. 研究内容 3. 4. 研究目标及技术路线 5. 5. 研究方案 6. 5.1. 光纤传感技术 6. 5.1.1光纤光栅传感技术 6 5.1.2光纤分布式温度检测技术 1.1. 5.1.3光纤气体检测技术 12 5.2 光纤传感技术在电力安全监测中的应用 1. 4 5.2.1 光纤电缆沟综合监测 14 5.2.2 光纤高压开关柜温度监测 19 1. 研究背景 随着电力系统互联的不断发展，现代电网规模日益扩大，逐渐形 成了全国统一、甚至跨国的大型联合系统。随着电力网络

2、互联程度的 不断提高，系统越来越庞大，运行方式越来越复杂，保证系统安全可 靠运行的难度也越来越大，使整个电网的安全稳定问题越来越突出。 在现代大电网中，各区域、各部分互相联系、密切相关，在运行过程 中互相影响。如果电网结构不完善，缺少必要的安全监测措施，一个 局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应，甚至造成大 面积的系统瓦解。大规模的电力系统对现有的电网安全状态综合监测 提出了新的挑战。电力系统是现代社会中最重要、最庞大的工程系统 之一。电能供应的中断，不仅直接影响到国防与工农业生产、交通， 造成人民生活紊乱，在某些情况下甚至酿成及其严重的社会性灾难。 随着我国电力系统向高效环保可持

3、续发展的目标发展，电力系统的安 全高效运行更加重要。电力设备和电力线路的运行状态监测是保证电 力系统安全高效运行的重要手段。但是，在具有强电磁干扰、高压的 恶劣环境下，电子传感器具有很大局限性。因此，急需对电网运行状 态进行实时在线综合检测的有效手段。 光纤传感技术是 20 世纪 70 年代末兴起的一种先进的多学科交叉 技术。光纤传感器所具有的诸多独特优点，使得光纤传感器在电力系 统安全监测中发挥了巨大作用。 山东微感光电子有限公司 www.iss- （1）光纤传感器本质为介电材料，传输光信号，本质安全，因此 可应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境； （2）体积小、物理性质稳定，适合于在线监测材

4、料结构的健康状 况，甚至可以将光纤传感器直接置于材料内部，和材料融为一体形成 智能材料和结构； （3）复用能力强，可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连 续监测，在同一条检测通道中可以将多个 / 多种传感器探头串连和并联 使用，从而实现对多参数的快速准确测量； （4）光纤传输损耗小，信号传输距离远，可用于远距离监测。 光纤温度传感器、光纤声发射传感器、光纤振动传感器、光纤气 体传感器、光纤水位传感器等等，可用于高压开关柜、高压变压器绕 组、发电机定子等发电、输变电设备的温度、振动、绝缘程度（局放 定位和测量）等状态的实时在线测量，同时可以对电缆的温度进行实 时分布式测量和定位，对输变电电缆沟

5、的气体浓度、水位状况进行实 时测量。光纤传感技术必将大大推动电力系统安全监测技术的发展。 2. 研究目的与意义 电力系统和电力产业是关系到国计民生的方方面面，因此上到国 家、电力系统各单位，下到终端用户，均对智能电网的安全和可靠性 提出了更高的要求。在智能电网的格局下，原来的信息集中控制系统 “各司其职”、分布控制系统“离线整定、 实时动作”的格局必须改变 山东微感光电子有限公司 www.iss- 针对智能电网对安全性的需求，需要一种新的智能安全网络系统，可 以实现电力业务安全防护由技术防护到策略防护的跨越。电力变电站 安全监测被提上了前所未有的高度。 智能电网必须具备高度的“自监”安全能力，

6、才能确保电网流在 发、输、变、配、用和调度的各个环节安全、顺畅的传导，对智能电 网的成败至关重要，建设实时动态检测系统，适时建设无人值班变电 站和集控中心站 ; 智能电网安全综合监测系统产生重大影响 , 对电网 的发展 , 对电网的安全、稳定运行起到越来越强大的支撑作用。 根据智能电网规划，到 2015 年，在电网安全监测关键技术和设备 上实现重大突破和广泛应用；到 2020 年，全面建成智能电网。这一战 略规划的提出，意味着国家将在这一领域持续加大投资力度。智能电 网规划对在线监测技术的发展提出了要求，为理工监测的发展提供了 广阔的空间。因此，要高度重视对大电网运行状态的综合监测，重视 利用

7、先进的科学技术，通过科技进步，提高驾驭大电网的能力，确保 电力系统的安全可靠运行。 3. 研究内容 本项目主要研究内容： 研制新型的高性能光纤温度、气体、压力、位移等传感器； 研制适于电力系统工程现场应用的光纤电力安全状态监测的解 调仪； 山东微感光电子有限公司 www.iss- 建立基于光纤传感技术的智能电网安全综合监测系统，主要包 括： 光纤电缆沟综合监测 : 实现电缆沟井内电缆接头温度、环境温度、可燃有毒气体浓度、 积水深度等环境及运行状态的在线实时监测。 光纤高压开关柜温度监测 : 发电厂，变电站的高压开关柜温度实时在线监测。 变压器状态监测 : 主要应用于顶层油温，绕组温度以及环境温

8、度的测量。 输电铁塔状态综合监测 : 实现输电铁塔的杆塔倾斜、塔基沉降、振动等状态的综合监测。 系统框图 山东微感光电子有限公司 www.iss- 4. 研究目标及技术路线 主要研究目标： 研制新型的高性能光纤温度、气体、压力、位移传感器；以及适于 电力系统工程现场应用的光纤电力安全状态监测的解调仪；研究光纤 传感器在电力系统应用的安装、固定等关键工程技术。通过该项目的 实施，实现包括环网柜、变压器、高压开关、电缆、发电机等多种大 型设备、器材等进行在线状态监测及预警，在解决本质安全型电力安 全监测监控系统工程化主要系列问题方面获得突破，建立智能电网安 全监测监控和灾害预警示范工程；产生一系列

9、拥有自主知识产权的新 产品。 技术路线图： 山东微感光电子有限公司 www.iss- 项目研究的技术路线 5. 研究方案 5.1. 光纤传感技术 5.1.1 光纤光栅传感技术 光纤传感无电安全监测技术是本世纪兴起的前沿应用学科， 既用光 纤感测信号又用光纤传输信号，是目前传感技术最杰出的代表，是自 动检测的革命性技术。光纤光栅传感器是一种新型全光纤无源器件， 6 山东微感光电子有限公司 www.iss- 与普通传感器相比，具有不可比拟的优势和特点 : 它本质防爆、无电传 感、化学性能稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量，这 种特性在传感器领域中引起了革命。 光纤的材料为石英， 由芯层和

10、包层组成。 通过对芯层掺杂， 使芯层 折射率 n1 比包层折射率 n2 大，形成波导，光就可以在芯层中传播。 当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带 光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配 的窄带光，中心波长为布喇格波长。 光纤光栅传感的基本原理是布拉格反射。 当光波传输通过 FBG时， 满足 Bragg 条件的光波将被反射回来，这样入射光就分成透射光和反 射光。FBG的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率 n 和 光栅周期 ，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅 Bragg 波长的漂移，测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量

11、的 变化。 根据光纤光栅对外界温度和应力敏感的特性，设计不同的封装， 可以制成光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤水位传感器、光纤 振动传感器等各种传感器。 山东微感光电子有限公司 www.iss- 光栅结构示意图 光纤温度传感器 光纤水位传感器 光纤振动传感器 光纤温度传感器 山东微感光电子有限公司 www.iss- 由于光纤光栅传感器是以波长为编码的，使得光纤传感器具有更 高的监测灵敏度和监测精度， 同时可以利用波分复用技术组成大容量、 多类型的混合传感系统，利用一台监测设备就可以实现温度、压力、 水位、振动等的多参数检测。 光纤光栅传感系统 光纤光栅温度传感器原理 光纤光栅（ FBG）是

12、一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干 涉条纹照射一段 10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，在布 拉格波长上，在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式，形 成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期（ ）和纤芯折射率 （n），布拉格波长为： B2n（1） 由式（1） 可以看出： n 与的改变均会引起反射光波长的改变。因 此，通过一定的封装设计，使能外界温度、应力和压力的变化导致 n 与发生改变，即可使 FBG达到对其敏感的目的。 山东微感光电子有限公司 www.iss- b Illumination Optical fibre Transmission Reflection 光

13、纤光栅原理示意图 FBG中心波长与温度变化的关系为 2) BB（ 1） T 式中， B是温度变化引起的反射光中心波长的改变； T 为温 度的变化量； 为光纤的热光系数。在 1550nm波段， FBG对温度的敏 感系数分别为： 10pm/oC 10 山东微感光电子有限公司 www.iss- 光纤光栅温度传感器温度测试数据 5.1.2 光纤分布式温度检测技术 光纤分布式测温的基本原理是喇曼（ Raman）散射效应。激光在光 纤中传输的过程中，与光纤分子相互作用 , 发生散射。喇曼散射是一 种特殊的散射，它会产生两束波长不同的散射光，一束比光源波长长 的光，称斯托克斯（ Stokes ）光，和一束比

14、光源波长短的光，称为反 斯托克斯（ Anti-Stokes ）光。反斯托克斯光信号的强度与温度有关， 斯托克斯光信号与温度无关。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信 号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度。同时，利 用光时域反射技术（ OTDR）技术通过光纤中光波的传输速度和背向光 回波的时间对这些热点进行定位。利用这一原理可以实现对沿光纤温 度场的分布式测量和热点定位 激光的散射图谱 分布式测温光缆 光纤分布式测温系统内部由三个监测单元组成， 两个单元信道 （ 反 斯托克斯和斯托克斯 ） 和一个参考信道， 这些背光散射的幅值和各点的 11 山东微感光电子有限公司 www.iss-

15、喇曼散射光的强度成比例，从两个测量信道得到幅值的关系即可得到 沿传感器电缆的光纤温度。 光纤分布式测温原理图 5.1.3 光纤气体检测技术 光纤气体检测技术基于光谱吸收技术，当光通过气体时，光频电 磁波与组成介质的原子、分子将发生作用，使得特定波长的光被气体 吸收。每一种气体都对应着一个特定波长的吸收光谱图。 光纤气体传感器 不同浓度瓦斯气体的吸收如下图所示。 12 山东微感光电子有限公司 www.iss- 不同浓度瓦斯吸收图 基于光谱吸收技术测量气体浓度时，可利用可调谐激光二极管的 波长可以随电流大小调制的特点对激光输出波长进行调制，再利用锁 相放大器优异的微弱信号的提取能力实现气体吸收光谱

16、线的恢复，就 可以实现很好的探测灵敏度，从而测得精度较高的气体浓度。 光纤气体检测系统原理框图 13 山东微感光电子有限公司 www.iss- 5.2 光纤传感技术在电力安全监测中的应用 利用各种光纤传感传感器和传感系统，可以实现对电缆沟水位、 电缆温度、可燃气体浓度，高压开关柜触点温度，以及输电铁塔杆塔 振动、倾斜塔基沉降等的综合监测。 5.2.1 光纤电缆沟综 合 监测 随着城市化规模扩大建设速度加快，相应的城市附属设施建设同 样发展迅速，电力电缆供电网络也得以快速发展，规模庞大的地下供 电网络，电缆分布众多，如何发展同时对电力部门电缆安全运行，事 故预防亦提出更高要求。 输电电缆运行管理

17、，相关部门每年都投入大量人力物力，对电缆 沟井内电缆及环境进行巡视检查。特别是在高温、大负荷季节进行大 量巡检工作对井沟内电缆接头进行的红外测温，井沟内积水、防火观 察检测等，但无法实时掌握，进行预防，及时预测。在这种情况下建 立一个综合有效地电缆沟井运行状态在线监测平台，对影响运行的重 要状态进行实时在线监测。 我们针对电力行业的应用，采用光纤技术设计了对沟井电力电缆 接头温度、环境温度、可燃有毒气体浓度、积水深度的综合在线监测 平台，实现了电缆沟井内环境及运行状态的在线实时监测，对相关运 行人员提供了可靠地数字依据，更好的做出运行安排，减轻了劳动强 14 山东微感光电子有限公司 www.i

18、ss- 度，为安全运行提供了保障。 整个系统的安装分主要为 5 个部分： 1、监控柜内仪器的架设； 2、 测温光缆的铺设； 3、测温光缆的固定； 4、测温光缆与主机系统的连 接调试； 5、数据上传。施工时应主要遵循以下原则： 测温光缆要沿被测电缆敷设，感温光缆要与北侧电缆接触良好， 在电缆接头处需余留 5-10 米感温光缆盘成环形固定在接头处； 对电缆接头进行重点监测，在特殊区域，如电缆支架处，要进行 特别固定。 系统安装： 监控柜的架设：监控柜内主要有显示器，工控机， DTS 控制器， 激光打印机，报警器，手机短信报警器。将这 6 种仪器分别按照各自 的连方式进行连接。 测温光缆的铺设： 光

19、缆的铺设从放置主机的监控中心开始，首先将光缆所铺设的电 缆路线清理好，除去电缆线路上的水尘等杂物； 将测温光缆架设到放线支架上沿着所需测温的电缆向前敷设，将 光缆逐根拉到位先放到电缆支架上。当遇到电缆接头时为了测得高精 度温度采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处，第一保证测温光 缆与电缆终端头及中间接头紧密接触，第二能在有效的长度内多采集 温度监测点，达到双重保证的效果。双环形缠绕光缆展开长度为 5 米 15 山东微感光电子有限公司 www.iss- 10米 此处对电缆接头进行双环行缠 绕 电缆接头处的光缆缠绕注明 电缆接头处光缆固定简示 所有光缆放到位后开始测温光缆与电缆的固定， 每 1

20、米捆扎一次 遇电缆固定支架时，在固定支架两侧各捆扎一次。要求光缆安放在电 缆的侧面，要求保证光缆与电缆有良好的接触。 鉴于排除光缆终端余留 20 米长，盘成圆并用扎带扎紧放于光缆盒 内，以便排除测量盲区。然后将光缆盒固定于光缆终端的适当位置。 主要参数： 16 山东微感光电子有限公司 www.iss- 项目 单位 参数值 备注 分布式温 度监测 距离 km 6 2/4/6/8km 可选 范围 -30130 温度分辨率 0.1 精度 1 响应时间 s 5 单通道 /km/10000 次 定位精度 m 2 信道数 - 16 可扩展 水位监测 量程 m 5 测量精度 % FS 0.5 使用温度 0

21、40 甲烷气体 浓度监测 量程 % 0100 灵敏度 % 0.1 精度 % 01%： 0.05% 1%100%：真 值的 5% 响应时间 S 8 17 山东微感光电子有限公司 www.iss- 品字型敷设式光缆现场图 平行敷设光缆结构图 现场敷设光缆 电缆接头处理 高压电缆沟温度在线监测系统示意图 18 山东微感光电子有限公司 www.iss- 发现过热点并报警 5.2.2 光纤高压开关柜温度监测 现代工业中，工业设备运行异常或故障通常表现出温度的异常变 化。发电厂，变电站的高压开关柜是重要的电器设备。在设备长期运 行过程中， 开关柜中的动静触点结合处和母线排连接处等部位因氧化、 松动等因素造

22、成接触电阻过大而发热，形成一个恶性循环，而这些发 热部位就成为了故障事故发生的隐患，一旦发生电器设备安全问题， 将造成巨大的经济损失。 由于开关柜为密封的状态，无法直观看到内部运行状况；而开关 柜一旦运行，很难出现停电的状况，因此也无法进行停电状态下的人 工巡查；电阻式传感器由于本身带电和传输线路带电，在紧凑的开关 柜内，要实现系统可靠绝缘监测困难重重，因此导致也无法直接在高 压开关柜内部使用；目前常用的手持式红外热成像仪是一种非接触式 19 山东微感光电子有限公司 www.iss- 测量手段，需人工操作，无法实现不间断在线测量，感测的是待测物 体表面的辐射热能值，易受温度、气氛、污染和干扰等因素的影响； 对于高压开关柜运行过程中内部的真实温度情况无法反映。 光纤光栅温度在线监测系统能同时满足绝缘性、接触式、长期运 行、实时监测高压开关柜内部过热点的条件，具有极高的可靠性和安 全性