光纤传感器

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。

本项目经过开展“降低#4炉火检光纤传感器故障次数”的QC攻关活动，使得改造后的#4炉火检光纤传感器故障次数大大降低，为了巩固成果，我们标准化了相关规程及检修作业指导书:将改造后的火检光纤传感器检修方法纳入到山西漳山发电有限公司的检修规程中，规程编号:QB/ZSFD-01.2016，在5.3章节进行对应修改，报送至公司标准化审核小组审核批准，对班组检修人员进行了相关检修培训，并在#3炉火检改造中严格执行。

本项目完成了“光纤传感器直接感知量与输电线路需监测量之间关系模型的建立”、“基于光纤光栅传感技术的输电线路多种参量监测装置及方案的设计与实现、“基于光纤传感技术的输电线路无源在线监测系统的研制与应用“等三项核心创新工作，研制了拥有自主知识产权的无源监测设备与系统。从根本上解决了架空线路传统监测技术野外长期可靠性差、抗干扰能力弱、信息安全性低的问题，实现了架空线路状态监测领域的技术突破，有力推动了该领域的技术进步，推动了OPGW光缆施工设计和新型监测技术施工作业指导书等行业标准的发展。该成果已申请发明专利2项，获得实用新型专利4项，获得软件著作权1项，公开发明专利1项，发表学术论文9篇，其中EI论文4篇。 该成果实现了输电线路监测与电力通信的巧妙融合，不仅有技术上的突破，而且充分考虑工程建设和技术改造的适用性，保证了所研发的系统具有行业全面推广的价值，显著提升了在线监测研究基础和应用水平。该成果实现了传感在线监测技术的多项突破，具有在行业全面推广的前景。野外传感监测装置无需供电，适宜在野外架空线路在线监测领域推广应用。采用绝缘性好、抗干扰强的光纤作为传感媒介，适合在电力系统的强电磁场环境下应用。与传统监测采用无线公网通道不同，系统充分利用电力特种光缆OPGW作为状态监测通道，不仅满足线路监测的同步覆盖，而且保证了电网运行信息传输的安全性。传输采用波分复用形式，通道占用资源少，便于既有线路改造。

本项目面向高压电缆运行故障预警以及安全在线监测的技术需求，突破了常规光纤传感技术只监测单一参量的局限，取得了如下创新成果：提出了同轴双包层结构局放声发射振动传感光纤技术，解决了信号高灵敏度和宽频带监测相互制约的难题。基于光纤内干涉技术，克服了传统光纤干涉仪参数不易控制的问题，实现400kHz的监测带宽，能够覆盖局放声发射监测的主要信号频段，构建了高压电缆高性能监测的敏感“神经”体系。研制了高泊松比硅橡胶灵敏度增强的光纤传感器，突破了光纤检测微弱局部放电声发射信号的难题，基于弹性体增强技术，实现了1.7rad/(m·Pa)的声发射振动探测灵敏度，为高压电缆实时监测局部放电预警提供了超敏“感官”。提出了分布式光纤传感系统的高精度信号提取技术，形成了多物理量交叉互验的事件分析定位方法，有效克服了由于信号衰落而导致误报的难题，建立的“点-线”结合的电力电缆多参量监测系统，实现了基于振动、温度、局放等多参量智能监测平台，为电力基础设施的安全预警提供了智慧“大脑”。该项目授权发明专利11项，软件著作权1项，电力行业标准1项，发表论文15篇，经查新“……该项目综合技术达到国际先进水平……”，特别是“在光纤弹性体局部放电传感灵敏度增强方面”经鉴定“……处于国际领先水平。”本项目提高了高压电力电缆局放等多参量信号远程在线监测和诊断的智能化水平，高度契合能源互联网企业建设电网运行状态智慧监控与诊断的技术需求。项目成果可推广到架空地线、相线、杆塔、变压器、开关等输变电设施温度、应力的监测，乃至石油测井、油气管道监测等能源领域，产业化前景显著。

本项目属于电气工程学科，涉及电力工程、变压器、光纤传感技术等专业，历时7年，产学研用协同攻关完成。变压器是电网运行的关键设备，状态监测是保证其安全稳定运行的重要手段。传统变压器状态监测技术抗干抚能力差，寿命短，监测量不全面，数据有效性、准确性有待提高。项目利用光纤传感器良好的绝缘和无源特性，实现了变压器内部机、电、热综合状态量的准确测量，并形成了整套的监测、评价、安装及应用等技术，有效解决了上述关键难题。

全光纤传感智能电力变压器采用多参量感知光纤传感器与变压器本体一体化融合设计技术，满足智慧变电站“防火耐爆、本质安全、状态感知、免（少）维护、标准设备、绿色环保”等一体化智能设备的要求，是智慧变电站核心设备之一。基于光纤光栅传感技术、光纤振动传感技术、光纤超声传感技术，实现变压器绕组热点温度及温度场分布、绕组动态压紧力、机械振动、局部放电等内部状态的全面深度感知；采用胶浸纸干式套管、耐高温自粘性换位导线，提升变压器安全水平，采用数字式气体继电器、智能型免维护呼吸器、免维护油中溶解气体在线监测等数字化、免维护组部件，提升了变压器智能化和免维护水平，支撑了国内首座智慧变电站示范建设。

项目授权发明专利40项，发表论文63篇（含SCI论文23篇，Scopus前10%高被引论文6篇，High Voltage (IF:4.71)封面论文1篇），出版中英文专著各1部。陈维江院士为主任的鉴定委员会认为本项目达到国际领先水平。英国物理学会会士Mawby教授、IEEE液体绝缘技术委员会主席Fofana等专家高度评价本项目成果。研制传感器通过了魏德曼电力科技（美国）等多家国内外权威机构检测。焦点访谈等权威媒体对光纤传感技术成果进行了专题报道。 项目研制的光纤传感器及监测系统应用于国内外电力、铁路等行业750kV及以下5000余台变压器，国内市场占有率超过80%，远销至美国等18个国家，近三年产品销售额7.5亿元。成果提升了变压器故障监测预警水平和负载能力，以河北电网为例，变压器故障率下降30%，变压器负荷限值提升6.7%。成果提高了变压器安全性和电网供电可靠性，推动我国电力装备制造业的智能化转型升级。