光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

摘" 要：光纖作為目前最新的傳感技術(shù)，已在智能電網(wǎng)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用場景，本文通過對智能電網(wǎng)中光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，說明光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)中不同時(shí)長需求與應(yīng)用背景下的現(xiàn)狀，并介紹了目前國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)中存在的市場競爭情況。

關(guān)鍵詞 光纖傳感技術(shù)；智能電網(wǎng)；市場需求

智能電網(wǎng)是一種新型電力系統(tǒng)，旨在通過先進(jìn)的信息、通信和自動(dòng)化技術(shù)提升電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和效率。隨著全球能源需求的不斷增長和對可再生能源利用的增加，傳統(tǒng)電網(wǎng)面臨著的一些挑戰(zhàn)，包括線路故障頻發(fā)和電力傳輸效率較低等[1-2]。智能電網(wǎng)通過集成現(xiàn)代通信技術(shù)和智能化設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)的全面監(jiān)控和管理，從而有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。具體來說，智能電網(wǎng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速響應(yīng)，迅速檢測和隔離故障，減少停電時(shí)間和影響范圍[3]。智能電網(wǎng)可以靈活地管理不同來源的電力，包括傳統(tǒng)的化石燃料和可再生能源，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。智能電網(wǎng)通過優(yōu)化電力傳輸和分配，減少能量損失，提高整體能源利用效率。在智能電網(wǎng)中，傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、控制和優(yōu)化的關(guān)鍵[4-5]。然而，傳統(tǒng)傳感技術(shù)在面對智能電網(wǎng)的復(fù)雜需求時(shí)存在諸多局限性，譬如：電網(wǎng)環(huán)境中存在大量的電磁干擾，傳統(tǒng)傳感器容易受到影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或傳感器失效；傳統(tǒng)電傳感器的信號傳輸距離有限，難以滿足大范圍電網(wǎng)監(jiān)測的需求；傳統(tǒng)傳感器通常只能進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)測，而智能電網(wǎng)需要對大范圍、多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；傳統(tǒng)傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的性能往往不穩(wěn)定，難以長期使用。而光纖傳感技術(shù)作為一種新型的傳感技術(shù)，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感技術(shù)的不足，滿足智能電網(wǎng)的需求。光纖傳感器利用光信號進(jìn)行傳輸，不受電磁干擾的影響，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[6]。光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)幾十公里甚至上百公里的信號傳輸，適用于大范圍的電網(wǎng)監(jiān)測。光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)和分布式測量，在一根光纖上可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)位置的參數(shù)，極大提高監(jiān)測效率[7]。光纖材料具有耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，適用于各種惡劣環(huán)境，特別是在高壓電力設(shè)備和線路的監(jiān)測中表現(xiàn)優(yōu)異。

1.光纖傳感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵利用光纖材料的光敏特性，通過相位掩模和紫外激光曝光技術(shù)，在光纖纖芯軸向形成折射率周期性分布的結(jié)構(gòu)，這種特殊的周期性結(jié)構(gòu)可以改變特定波長的光的傳輸路徑，形成類似于濾波器或反射鏡的功能[8]。外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖光柵的有效折射率和光柵周期的改變，從而使布拉格波長發(fā)生偏移，檢測方法：利用光譜分析儀來測量反射光譜的中心波長位置。多個(gè)不同布拉格波長的光纖光柵可以串聯(lián)起來，形成準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。使用寬帶光譜光源輸出光，通過光分路器將光分配到不同波長的光纖光柵傳感器陣列中[9]。光經(jīng)過分路器后傳輸?shù)礁鱾€(gè)光纖光柵傳感器，每個(gè)傳感器根據(jù)其特定的布拉格波長反射特定波長的光。反射光通過分路器被送至波長可調(diào)諧濾波器，只有當(dāng)反射光波長與可調(diào)諧濾波器的波長相同時(shí)，光才能通過濾波器被探測器接收。探測器接收經(jīng)過濾波器的光，并根據(jù)“可調(diào)諧濾波器波長——探測器功率”的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)傳感光柵的波長位置[10]。光纖光柵傳感器可以用于橋梁、大壩、建筑物等結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度監(jiān)測，它們能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，提供早期預(yù)警。在電力系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器可以用于監(jiān)測電纜、變壓器和發(fā)電機(jī)等設(shè)備的溫度和應(yīng)變變化，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。在航空航天領(lǐng)域，光纖光柵傳感器被用于飛行器和航天器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，確保飛行器在運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。

1.2 光纖分布式傳感技術(shù)

光纖分布式傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的不同散射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（如溫度、應(yīng)變等）沿光纖長度方向的連續(xù)監(jiān)測。光量子與介質(zhì)分子非彈性碰撞產(chǎn)生斯托克斯光子和反斯托克斯光子，反斯托克斯光子的強(qiáng)度與溫度呈線性關(guān)系，可用于溫度檢測。光波與光纖中聲子的相互作用引起非彈性散射，其頻移量與環(huán)境的溫度和應(yīng)力成線性關(guān)系，可用于溫度和應(yīng)力的監(jiān)測[11]。

1.2.1拉曼散射應(yīng)用

由于壓力變化引起光波與光纖中聲子的相互作用，導(dǎo)致布里淵散射光的頻移量與環(huán)境的溫度和應(yīng)力成正比關(guān)系。拉曼散射是光纖分布式傳感技術(shù)的一種重要形式，通過測量反斯托克斯光子的強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測。在石油管道應(yīng)用中長距離溫度監(jiān)測是石油管道管理中的重要環(huán)節(jié)，通過拉曼散射技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測石油管道沿線的溫度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防潛在的泄漏和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，確保石油運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃?，溫度監(jiān)測還可以幫助優(yōu)化管道運(yùn)行，提高輸送效率。在電力線路應(yīng)用中，溫度監(jiān)測至關(guān)重要，拉曼散射技術(shù)能夠沿整個(gè)電力線路實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化，及時(shí)檢測過熱和故障，避免因溫度異常引發(fā)的設(shè)備損壞和停電事故。電力線路的溫度監(jiān)測還可以延長設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。

1.2.2布里淵散射應(yīng)用

布里淵散射是光波與光纖中聲子相互作用引起的非彈性散射，其頻移量與環(huán)境的溫度和應(yīng)力成正比關(guān)系。通過測量布里淵散射光的頻移量，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境應(yīng)力和溫度的監(jiān)測。布里淵散射技術(shù)尤其適用于需要長距離和高精度監(jiān)測的場合。在橋梁健康監(jiān)測應(yīng)用中：橋梁在使用過程中會(huì)受到各種應(yīng)力和振動(dòng)的影響，布里淵散射技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化和振動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警結(jié)構(gòu)性問題，防止橋梁發(fā)生倒塌等嚴(yán)重事故，通過監(jiān)測橋梁的應(yīng)力分布，可以優(yōu)化橋梁的設(shè)計(jì)和維護(hù)，延長使用壽命。在建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中：建筑物在地震、風(fēng)力等外部環(huán)境作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和振動(dòng)，通過布里淵散射技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測這些應(yīng)力和振動(dòng)的變化，確保建筑物的安全性。布里淵散射技術(shù)還可以用于老舊建筑物的健康監(jiān)測，幫助評估其結(jié)構(gòu)安全性和必要的加固措施。

2.光纖傳感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1架空線路健康監(jiān)測

覆冰對架空輸電線路的影響極大，可能導(dǎo)致線路斷裂、塔桿倒塌等事故。因此，覆冰監(jiān)測成為智能電網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)。架空輸電線路的健康監(jiān)測可以預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種潛在問題，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。光纖復(fù)合相線（OPPC）將光纖與輸電相線相結(jié)合，不僅能夠傳輸電力，還能作為監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，大大提高了輸電線路的智能化水平。纖復(fù)合架空地線（OPGW）將光纖與地線相結(jié)合，既能起到避雷的作用，又能提供穩(wěn)定的光纖通信通道，為監(jiān)測系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)。光纖光柵傳感器能夠監(jiān)測輸電線路的溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的異常情況，如過熱、松動(dòng)、振動(dòng)過大等問題。利用光纖光柵傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測輸電線路的覆冰情況，通過檢測光纖的應(yīng)變變化，判斷覆冰厚度和重量，及時(shí)采取防護(hù)措施[12]。

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)健康監(jiān)測

在汽輪發(fā)電機(jī)的長期運(yùn)行中，定子和楔子的松動(dòng)是一個(gè)常見的問題，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的振動(dòng)增加，從而影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。持續(xù)的振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力可能導(dǎo)致定子絕緣材料的劣化，進(jìn)而降低定子的絕緣度，增加了電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致停機(jī)和維修需求。發(fā)電機(jī)在過度負(fù)荷情況下運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部材料會(huì)因熱膨脹而導(dǎo)致局部壓力增加，這種壓力變化可能引起機(jī)械應(yīng)力集中，增加部件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。光纖光柵振動(dòng)傳感器具有高靈敏度和精度，可以對葉片、驅(qū)動(dòng)軸和其他重要部件的振動(dòng)、應(yīng)力和溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，有效監(jiān)測汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在問題。

2.3 電氣設(shè)備觸點(diǎn)溫度監(jiān)測

溫度是電氣設(shè)備運(yùn)行的重要參數(shù)之一，直接反映了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。對于變電站中的開關(guān)、刀閘以及電纜接頭等關(guān)鍵部件，溫度變化是監(jiān)測它們是否正常運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。溫度過高可能意味著設(shè)備存在異常，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備故障或損壞，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度對于確保電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。有一個(gè)著名的“6℃法則”，即當(dāng)運(yùn)行溫度超過變壓器最熱點(diǎn)溫度6℃時(shí)，設(shè)備的使用壽命將減半。與傳統(tǒng)傳感技術(shù)不同，光纖傳感器可以直接粘貼在高電壓電氣設(shè)備的表面進(jìn)行溫度測量，能夠提供精確的溫度數(shù)據(jù)。光纖傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸至控制室，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管。通過這種實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，管理人員可以隨時(shí)掌握設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷和退化情況[13]。

2.4 動(dòng)力電纜溫度監(jiān)測

當(dāng)動(dòng)力電纜傳輸?shù)碾娏鞒^設(shè)計(jì)額定值時(shí)，可能導(dǎo)致電纜過載，增加電纜內(nèi)部的熱量和電壓降，加大故障的可能性。電纜連接處或接頭附近的阻抗異常增大，可能導(dǎo)致電流在這些區(qū)域集中，增加局部熱量，加速絕緣老化和電纜損傷的風(fēng)險(xiǎn)。電纜絕緣層可能由于長期工作或環(huán)境條件惡劣而老化，失去原有的絕緣性能，增加電纜故障的風(fēng)險(xiǎn)。光纖分布式拉曼測溫系統(tǒng)可以沿著整個(gè)電纜長度實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜任何位置的異常熱點(diǎn)或溫升情況。系統(tǒng)能夠區(qū)分快速升溫點(diǎn)和慢性升溫點(diǎn)，幫助預(yù)測可能出現(xiàn)的故障，可以精確識別電纜中的瓶頸點(diǎn)，即限制電流傳輸或增加電纜負(fù)荷的關(guān)鍵位置，提供及時(shí)的溫度和位置信息。

3.光纖傳感在智能電網(wǎng)的市場應(yīng)用

3.1架空線路監(jiān)測

架空線路在復(fù)雜的外部環(huán)境中運(yùn)行，受到風(fēng)雨、電磁場等因素的影響。光纖光柵技術(shù)可以對架空線路的應(yīng)變、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)線路的變形或熱量集中現(xiàn)象，避免因此引發(fā)的設(shè)備損壞或電網(wǎng)故障。

3.2發(fā)電機(jī)組監(jiān)測

發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)對電網(wǎng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。光纖光柵傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)、溫度等參數(shù)變化，幫助預(yù)測可能出現(xiàn)的故障。

3.3長距離動(dòng)力電纜監(jiān)測

長距離動(dòng)力電纜承載著電力輸送的重任，其溫度變化直接影響電纜的安全性和使用壽命。光纖拉曼分布式測溫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電纜全長范圍內(nèi)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，識別潛在的熱點(diǎn)和異常情況，及時(shí)采取預(yù)防措施，避免電纜故障和停電事故的發(fā)生。

3.4高電壓電氣設(shè)備監(jiān)測

光纖傳感技術(shù)在高壓電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，主要用于監(jiān)測電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，尤其在高壓設(shè)備的長期監(jiān)測和預(yù)警中發(fā)揮重要作用。

4. 市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐步普及，成為提升電網(wǎng)運(yùn)行效率和安全性的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。國內(nèi)外供應(yīng)商在全球范圍內(nèi)展開競爭，通過技術(shù)創(chuàng)新和市場策略不斷擴(kuò)展自身的市場份額。未來，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入推進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新的不斷推動(dòng)，光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)測和管理中的應(yīng)用前景廣闊。特別是在變壓器繞組測溫、大距離電纜監(jiān)測、振動(dòng)監(jiān)測和新能源設(shè)備監(jiān)測等方面，光纖傳感技術(shù)有望發(fā)揮更大的作用，為智能電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

5.總結(jié)

綜上所述，光纖傳感技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新、成本優(yōu)化和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面的進(jìn)步，為其在電力工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，光纖傳感技術(shù)有望繼續(xù)發(fā)揮重要作用，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向智能化、高效化發(fā)展。

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