光纤传感器及电力设备状态监测应用

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39
50 40 30 20 10
0 0 5000 10000 15000 20000
点数
光纤温度传感器 电子温度传感器
电力设备光纤状态检测应用
1.变压器状态在线检测
1.2光纤绕组温度在线检测系统
温度/度
变压器绕组温度测试
140.0
120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0
0.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 数据点数
0.58
测试数据，
量程0~50ppm，测量误
0.56
差+-0.1ppm。乙炔气体
0.54
的检测灵敏度可以达到
0.02ppm。
0.52
0.5 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
时间/s
27
光纤传感技术研究
10.光纤湿度传感器
基于聚合物镀膜的光 纤光栅湿度传感器
湿度值/%
90.00%
80.00%
光纤传感技术研究
光纤传感技术研究
6.光纤声音传感器
光纤麦克风利用声波对传 感器反射光强度的调制实 现对声音的检测；
光纤传感技术研究
7.光纤风速传感器
光纤振动监测 2
光纤风速监 1 测
风电设 备状态
监测
5 光纤风向监
3 光纤温度监 测
4 叶片健康状态监
光纤传感技术研究
8.光纤分布式温度监测系统
1600
1700
24
光纤传感技术研究
不同气体的吸收谱线及所用主要吸收峰：
molecu les
CH4 C2H2 CO2 CO C2H4 C2H6 H20
absorption peak wavelength
1．653μm 1．530μm 1．608μm 1．567μm 1．623μm 1．678μm 1.387μm
之间双向的功率／信息流，用户可主动选择用电方式。
研究背景
中国坚强智能电网的基本特征： ①信息化：能采用数字化的方式清晰表述电网对象、结构、特
性及状态，实现各类信息的精确高效采集与传输，从而实现电 网信息的高度集成、分析和利用； ②自动化：提高电网自动运行控制与管理水平提升 ③互动化：通过信息的实时沟通及分析，使整个系统可以良性 互动与高效协调。
测
测
温
温
主
光
机
缆
测温距离 测温范围 测温精度 定位精度 测温响应时间
10 km -40℃～350℃
1.0 ℃ ±1m < 10 s
光纤传感技术研究
9.激光气体传感器
吸收强度
x 10-20
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1100
1200
1300
1400 波长
1500
CO2 CO H2O CH4 C2H2
系统
建立
高压 输配 电设 备安 全运 行监 测预 警系 统
汇报提纲
一、研究背景 二、光纤传感器及其研究进展 三、电力设备光纤状态检测应用 四、总结
10
光纤传感技术研究
光纤光栅温度、振动、声音、应变、压力、 液位、超声/局放传感器技术
光纤分布式温度监测系统 光纤气体检测技术
光纤传感技术研究
1.光纤光栅温度传感器
电力设备光纤状态检测应用
5.设备运行状态振动监测预警
光纤温度、振动监测
电力设备光纤状态检测应用
6.光纤电缆沟振动检测定位
光纤微震传感器纪录的数据 光纤微震传感器不需供电，不受电磁场
干扰
总结
坚强智能电网要求对发电、输配电设备状态进行在线监测， 需要传感器满足无源、可靠、抗电磁干扰、多参数、远程、、 易于组网等特点； 通过研究光纤温度、振动、气体、局放以及分布式温度、 应变等传感器及其在电力设备状态监测中的应用；显示了光 纤技术在电力检测领域具有较大的优势和广阔的应用前景 下一步，光纤电力行业传感器将需要在产业化和标准化方 向发展。
技术指标：
（1） -30 – 130℃; （2） 绝缘； （3）阻燃、铠装保护抗冲击振动
光纤传感技术研究
光纤绕组温度传感器
光纤绕组测温传感器（安装于变压器）
光纤传感技术研究
2.光纤绕组动态压力传感器
性能指标： 量程：12 MPa 精度：3%FS 材料：绝缘
绕组动态压力传感器三维仿真 传 感 器 安 装 示 意 图
3
研究背景
根据2009年由IEC所制定的SG3 Roadmap，智能电网代表着 信息时代的一种理想电能输配网络，与传统网络相比，智能电 网的主要标志包括：
更可靠 － 设备可靠、系统更有柔性、抗冲击、自适应； 更环保 － 增强使用水、风、太阳、潮汐、波浪、生物质等可
再生能源的能力； 更高效 － 由当前向用户仅提供单向功率流变为供应商和用户
设备状态监测传感器网络：
针对电力一次、二次设备状态监测关键参数，建立基于光纤光栅、干涉 仪、光谱分析以及拉曼／布里渊散射技术的多参数、多点光纤监测网络；
研究设备故障诊断及预警模型；
技术突破：
实现从当前对设备单体的状态监测，到电网关键设备的状态监测及智能 预警系统的转变。
电力设备安全运行光纤状态监测
第二届中国电力设备状态检修技术大会
光纤传感器及电力设备状态监测应用
刘统玉等 山东省光纤传感重点实验室 山东微感光电子有限公司
1
汇报提纲
一、研究背景 二、光纤传感器及其研究进展 三、电力设备光纤状态检测应用 四、总结
2
汇报提纲
一、研究背景 二、光纤传感器及其研究进展 三、电力设备光纤状态检测应用 四、总结
大型变压器或高压电 气设备状态所需检测 气体： H2、 CO、 CH4 、 C2H4 、 C2H2 、 C2H6 、H2O、CO2 等。
浓度/ppm 浓度/ppm
35 30 25 20 15 10
5 0
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间/s
0.6
乙炔气体传感器的标定
解决 设备 状态 状态 监测 预警 问题
研发温度、振动、超声/局放、压 力、液位、气体浓度、声音等光纤
传感器
研制光纤检测仪和数据采集分站
建立开关柜、变压器、电抗器等 设备温度、振动、局放、气体等
状态综合监控系统
建立高压电缆温度分布、电缆沟水 位、气体；杆塔振动、形变、沉降、 夹具温度、应变，安防等综合监控
A a B b C c 铁心 夹件
电力设备光纤状态检测应用
1.变压器状态在线检测
1.2光纤局放在线检测系统
电力设备光纤状态检测应用
2.分布式电缆在线检测
电力设备光纤状态检测应用 3.皮带机光纤分布式温度、振动监测
槽钢
滚筒
轴承
电力设备光纤状态检测应用
4.光纤开关柜温度监测预警系统
在线监测开关柜触头、母排接点、 电缆头接点温度 声、光、短信报警； 网络发布、远程监测
70.00%
60.00% 50.00%
y = -2.4969x + 79.467 R² = 0.9931
40.00%
30.00%
20.00%
10.00%
0.00% 31.5 31.55 31.6 31.65 31.7 31.75 31.8 波长差/nm
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汇报提纲
一、研究背景 二、光纤传感器及其研究进展 三、电力设备光纤状态检测应用 四、总结
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电力设备光纤状态检测应用
1.变压器状态在线检测
1.1顶低层油温在线检测系统
温度/度
45 40 35 30 25 20 15 10
5 0 0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00
时间
光纤传感器 电子传感器
温度/度
60 三个月测温数据对比
光纤传感技术研究
光纤传感技术研究
3.光纤光栅液位/压力传感器
量程：0 - 5、10、20 m （液位） 0 – 8 MPa （压力） 精度：+/- 0.1% FS 温度自补偿设计
光纤传感技术研究
4.光纤振动传感器
y l k1
a
m c, k2
b
Acceleration x
悬臂梁结构 频响、灵敏度可调
研究背景
智能电网必须具备高度的自我状态监测能力，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。
研究背景
智能电网中设备状态监测特点
参数多：
温度、振动、SF6气体压力、气体浓度、液位、分布式温度／应变，局 放、风速，安防等；
设备数量多、空间分布广：
组尼系数0.7时频响最优
光纤传感技术研究
光纤传感技术研究
5.光纤局放传感器
图 光纤熔融耦合超声传感器结构图
图 石英玻璃封装光纤传感器照片
光纤超声/局放传感器
不带电，不受电磁场干扰 全部由石英玻璃制成、绝缘
技术指标:
峰值灵敏度:-80dB Re (1V/uBar)@150kHz； 带 宽：20k～200 Hz。
传感器网络需要长距离、海量传输能力； 传统电子传感器需要供电、传感器组网能力差；
强电磁场Baidu Nhomakorabea扰：
电源本身和野外雷电干扰，影响电子类传感器信息采集和传输的可靠性。
研究背景
智能电网设备状态光纤监测研究目标
传感器：
研究光纤温度、振动、FS6气体压力、气体浓度、液位、分布式温度／ 应变，局放、风速，安防等传感器；