光纤传感技术在智能电网安全综合监测中的应用

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 (11)

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 (14)

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。

（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。

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，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；

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

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；产生一系列拥有自主知识产权的新产品。

技术路线图：

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，