光纤传感

随着大、中城市内电力架空线渐渐被埋在地下的电力电缆取代，并在向更高电压等级、更大传输容量发展，架空线入地已经成为世界城市电力、环境发展的趋势和潮流。国网公司也越来越来重视电缆在线监测的重要性，《电缆分布式光纤测温在线监测装置》的行业标准已经发布，同时国家电网已经开始建设《输变电设备的状态监测》，已经正式把电缆廊道在线监测纳入《输变电设备的状态监测》的范畴。与此同时，随着城市地下综合管廊建设步伐不断加快，对城市综合管廊电力舱的监控的重要性也日益增加。随着电缆廊道的加快建设，对电缆运行和廊道安全的监测也显得日益重要。 目前，国网公司已逐步开始实验性地将各独立监控装置进行简单的协调和集成。但是由于尚未形成系统化的电力隧道网络，已建电力隧道均仅根据自身的需要和特点，配置一种或多种监视或控制装置，相互间缺乏必要的联系和有效的协调，无法实现真正的信息共享。现有监控系统也多基于电类传感器，其对环境要求更高、监控不够可靠、后期维护成本也较高。现少见部分基于光纤传感类的技术被分散运用于不同的系统中，综合多方位应用光纤传感技术的电缆廊道的在线监测还没有实施。

近年来，架空输电线路覆冰造成导线断线、杆塔倒塌、绝缘子闪络等事故时有发生，给社会造成了巨大的经济 损失。针对2015年北京地区输电线路覆冰导致的线路跳闸故障，北京电网开展了基于光纤传感的分布式覆冰监测技术研 究与应用工作，并于2016年1月安装了两套分布式光纤覆冰监测系统，实现了110kV聂康线、220kV京聂线、220kV高泉线 和500kV昌海线的覆冰状态在线监测。该系统解决了北京地区主要易覆冰区域线路覆冰监测问题，并有效监测到2016年2 月、11月两次输电线路覆冰现象。经过现场勘查，系统所反映的覆冰过程、发展趋势、覆冰厚度与人工观冰、现场实际 勘查情况相符，验证了系统运行的有效性与准确性。分布式光纤覆冰监测系统在北京电网冰雪天气应急工作中发挥出积 极作用，为保障北京市输电线路安全运行、提高运维单位抗冰能力提供强有力的保障，大幅提高了输电线路覆冰状态监 测水平。

首先阐述了高压电器设备热点温度监测国内外技术发展的现状，其次重点介绍了电力设备异常温升监测问题的解决方案，基于光纤传感技术的电力设备异常温升智能监控系统应用典型案例及检测报告，最后简要介绍了先和其光电科技股份有限公司。

本项目的总体思路是：依托电力光纤网、物联网技术，提出基于电力光纤网的光纤式架空线路微气象监测架构，推动电力光纤传感与电力光纤通信深度融合，在架空线路微气象光感知技术及监测模型算法、无源免维护型装置等方面取得了突破。本成果创新点：1、提出了基于光纤光栅传感技术的架空线路微气象监测方案；2、提出了覆冰、风速、风向、光照、雨量、湿度、气压等微气象参量转化成光纤光栅波长参量的测量技术及监测模型算法；3、研发了8类微气象参量的光纤传感监测装置。本成果实现了线路微气象的高可靠、免维护的集成监测，解决了架空线路微气象传统监测的四大技术难题。累计获得国内授权发明专利9项，实用新型专利12项，软件著作权1项，发表SCI、EI论文8篇。本成果具有：①无源监测长期可靠易维护；②测量与通信融合抗干扰；③光复用技术便于监测集成。装置及系统可用时间从1年左右提升为4年，提高了电网防灾减灾能力和运行维护水平，推动了电网监测和通信技术的进步。

该成果彻底解决了输电线路长期无法全线路实时在线覆冰监测的问题，并实现了监测范围由点到面的突破。提出了基于光纤传感的分布式覆冰监测技术，利用电力通信光缆内部一芯冗余光纤做传感器，解析装置安装在变电站内，有效规避传统技术“电源、通信、环境”问题，实现了全线路覆冰监测，且装置安装无需登杆或停电。提出了多路复用技术，使用一台解析装置同时监测多条线路的覆冰状态，实现监测装置利用效率最大化。搭建了北京电网覆冰监测系统，实时获取电网覆冰监测数据，在北京电网尚属首次。该成果获得奖励情况该项目成果获得国网北京市电力公司2016年科技进步二等奖。

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

近年来光纤传感技术与电缆系统结合技术的研究和应用情况，包括基于光纤测振动的防外破技术、基于光纤传感的隧道综合监测技术（应力、声、光、热等的传感）、基于光纤传感的电缆系统全景感知技术（电缆通道、电缆本体、电缆附属设施、载流量、消防等）。电缆系统光纤传感技术的应用情况及下一步的研究和应用方向。

输电线路雷击、大风、覆冰可能造成线路闪络、断股和金具疲劳损坏等故障，严重影响电力系统的安全稳定运行，准确和实时地监测线路的运行情况对灾害预警、故障排除和状态评估意义重大。为了解决传统监测手段维护困难、可靠性低、成本高等缺点，提出了一种基于多参量分布式光纤传感的输电线路安全风险监测装置。

光纤复合架空地线（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）是保障电网安全运行与电力可靠应用的重要基础设施。同一覆冰天气条件下，OPGW覆冰程度通常大于导线，易引发放电、断线、倒塔等事故，利用新技术、新手段开展覆冰监测和线路融冰势在必行。本报告介绍了基于分布式光纤传感技术的覆冰监测、OPGW直流融冰技术的发展及应用情况，最后针对上述技术的应用前景和发展趋势进行了展望。

国网新疆电科院30日对外称，该院成功应用光纤传感技术实现对一处输电线路的覆冰监测，累计发现线路覆冰期三次，覆冰厚度超设计值一次，覆冰情况已及时反馈至线路运维单位，有效降低了线路运行风险。