光纤传感技术

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。

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。

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。

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。

持续雨雪冰冻天气时输电线路严重覆冰并产生重力过荷载，导致电网发生倒塔断线、冰闪跳闸、导线舞动、设备损坏、电网解列、大面积停电等冰灾事故，针对这一问题分析了研究覆冰监测技术的必要性，介绍了输电线路覆冰在线监测系统的结构和原理，综述了国内外现有的覆冰在线监测技术的原理及其存在的问题，总结了覆冰在线监测领域出现的新技术和研究热点。最后指出，进一步优化称重法和导线倾角法计算模型、改进间接测量方法、光纤传感技术的应用是这一领域未来的研究方向。

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。

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。