光纤光栅传感技术及其在电力系统中的应用

摘要：光纤光栅传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、可微型化、检测精度高、可实现无源在线监测等特点，适合在电力系统中应用。对光纤光栅传感技术的传感原理和特点进行介绍，对其在电力系统中的应用进行研究，对光纤光栅传感技术在电力系统中的应用前景和未来发展方向进行展望。

关键词：光纤光栅；电力系统；应用；发展方向

作者简介：杨洪磊（1987-），男，河南商丘人，昆明理工大学云南电网公司研究生工作站硕士研究生；梁仕斌（1974-），男，云南昆明人，云南电网公司电力研究院，高级工程师。（云南 昆明 650217）

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0226-03

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在光纤内形成空间相位光栅，在纤芯内成为窄带透射或反射滤波器，使光的传播行为得以改变和控制。[1]光纤光栅传输特性的基本参数包括反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅方程等。[2]光纤光栅传感器以其抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围大、便于复用成网、可微型化等优点，得到了世界范围内的广泛关注，成为传感领域内发展最快的技术之一，在电力、土木工程、航空航天、石油化工、医疗、船舶工业等领域取得了广泛应用。[3]

一、光纤光栅的分类和特点

随着光纤光栅制作技术的发展，人们制出不同结构的光纤光栅，主要可以分为均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两类。其中均匀周期光纤光栅又具体分为：Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）、长周期光栅和倾斜光栅。非均匀周期光纤光栅具体可分为：啁啾光栅、变迹光栅、相移光栅、发迹光栅和取样光栅等。[4]

Bragg光栅是一种栅格周期为0.2～0.5微米的光栅。该种光栅波矢方向与光纤的轴向一致，具有较窄的反射谱和较高的反射率，其反射带宽和反射率可以根据需要通过改变写入条件加以调节。该种光栅结构简单，具有良好的温度和应变灵敏度，是目前主流的传感光栅。[5]

长周期光栅是指栅格周期达到几百微米的均匀周期光纤光栅，是一种透射型光栅，其作用是将特定波长的光耦合到包层中损耗掉，从而在投射谱中形成宽带损耗峰，因此它是一种理想的掺铒光纤放大器（EDFA）的增益平坦元件。此外，长周期光栅的投射损耗峰会因外界的应变和温度等因素的影响而改变，而且与FBG相比具有更高的灵敏度，也可作为一种理想的传感元件。近年来，由于长周期光栅的制作技术发展，具有更多传感特性，如弯曲、扭转等新型长周期光栅正处于研究的热点。[6]

倾斜光栅又称闪耀光栅。该种光栅的周期与折射率调制深度虽均为常数，但其光栅的波矢量方向与光栅的轴线方向不一致，具有一定的夹角。此类光栅可用于EDFA的增益平坦，当光栅法线与光纤轴向倾角较小时也可作为空间模式耦合器，由于倾斜光栅类似FBG和长周期光栅，也可以用于传感领域，如温度、应变和弯曲等的检测。[7]

啁啾光栅的栅格间距是沿着光纤轴向变化的，由于不同的栅格周期对应不同的反射波长，所以啁啾光栅能够产生较宽的反射谱。常用的线性啁啾光栅能产生较大的反射带宽和稳定的色散，因此被广泛应用于光纤通信系统的色散补偿，也用于宽带滤波器和FBG解调系统。[8]

相移光栅是在均匀周期光栅的某些位置发生相位跳变来改变光谱的分布。相移的作用是在响应的反射谱汇总产生一个投射窗口，使光栅具有更高的波长选择性，在波分复用通信系统中的波长解复用器方面有着潜在的应用价值。相移型长周期光纤光栅具有丰富的谱特征，通过选择合适的相移点位置与相移量，能够使长周期光纤光栅更好地满足EDFA增益平坦的需要。[9]

变迹光栅的折射率调制深度沿光纤轴向为一特定的变迹函数，常用的变迹函数有高斯函数、升余弦函数和双曲正切函数等。该类光栅对均匀光栅的反射谱的边模振荡具有很强的抑制作用，选择不同的发迹函数能起到不同的抑制效果。[10]

取样光栅也称为超结构光纤光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，这种光栅的反射谱具有多个反射峰，可以作为梳状滤波器，在光纤通信领域内可用于多通道色散补偿，同时因其多个反射峰对外界参量的不同响应，故也可作为一种多参量的传感元件。[11]

光纤光栅不仅具有易于光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高等特点，而且作为传感元件，感应的信息为波长编码的绝对测量，排除了光功率的波动及损耗的影响。在一根光纤中连续制作多个光栅，运用相关复用技术可实现准分布式的多点检测。目前Bragg光栅作为研究和应用的重点已得到了大量实际的应用。

二、光纤Bragg光栅的传感原理

光纤Bragg光栅是一种折射率呈固定周期调制分布的新型传感器件，其调制深度与光栅周期均为常数，适合用于检测静态和动态参量，抗干扰能力强，其传感方程如下：

式中，是光栅的中心波长漂移量，是光栅的应变灵敏系数，是光栅的应变量，是光栅的温度灵敏系数，是温度变化量。由以上可知，光栅的应变和温度的变化将导致光栅中心波长的漂移，通过监测光栅中心波长的漂移量并采用相关补偿技术即可实现对应变或温度的检测。

光纤光栅传感网络的结构形式主要取决于适于传感器调制和定位的方法，因此光纤光栅传感网络的核心部分是光纤光栅的调制解调系统，其关键技术是多个传感光栅的复用定位技术。光纤光栅的复用技术可以减少每个传感头上花费的成本，也可以减小整个传感系统的体积。目前的复用技术主要有波分复用、时分复用和空分复用。波分复用技术是通过波长的区分来识别传感器的空间位置，是当前主要应用的复用技术；时分复用技术通过各个传感光栅反射信号光的延时进行光栅位置区分，该项技术尚处于研发阶段；空分复用技术是通过区分各个光纤光栅传感器所在的光纤通道来识别其对应的测量位置，该项技术较为成熟但需要并行的光纤通道。有时，传感系统中也会采用波分复用、时分复用、空分复用中的两种或三种混合使用的方法以增加传感器的检测点数。

三、光纤光栅传感技术在电力系统中的应用

由于光纤光栅传感技术在绝缘、耐高温、抗电磁干扰、抗辐射等方面的优异特性，其在电力系统已经得到广泛的应用。

1.高压开关柜的在线监测

高压开关柜中的电缆接头、刀闸触点、母线排连接处等部位可能因接触电阻较大、温度过高而发生事故，高压开关内部是高电压、高温度、强电磁干扰的环境，常规传感器难以对这些部位进行准确可靠的测量，采用光纤传感器进行监测取得了很好的效果。传感器具有小巧的感温头，可直接安装到被测物体表面，应用于高压开关柜接头、高压母线接头的温度测量。如图1所示。

2.变压器的在线监测

电力变压器是电力系统中的重要设备，其绕组和绝缘油温度过高会降低变压器的使用寿命，严重时可能造成跳闸等电力事故；而绕组和绝缘油温度过低时又会降低变压器的使用效果。同时变压器绕组的变形和损坏也是造成变压器发生故障的一个主要原因。因此对变压器的绕组温度、绝缘油温度和变压器绕组的形变进行监测具有重大意义。而变压器的高电压、强磁场环境限制了传统的电子式传感器的使用，光纤传感技术具有耐高压、抗电磁干扰、体积小等特点，可以运用光纤传感器对变压器油温进行实时监测，将光纤光栅内嵌于绕组中对绕组温度和应变进行多点测量，如图2所示。

3.输电线路的在线监测

导线的微风振动、舞动、覆冰、雷击、短路等都可能造成重大输电事故，对输电线路进行监测传统上多采用电子式传感器和视频传感器，容易受到电磁干扰的影响，且该种监测手段的供能是一个重要的问题，常常出现覆冰、阴雨天气环境下由于电源问题而无法进行监测的问题。光纤光栅传感技术可以通过光纤Bragg光栅传感器对输电线路的导线温度、拉力、微风振动、舞动、覆冰、杆塔状态等进行实时监测，且传感信号可通过OPGW进行传输。该种监测方式具有耐高压、抗电磁干扰、无源监测等特点，如图3所示。

4.风机、发电机等的在线监测

风机的振动和叶片状态直接关系着整个风机的性能，对其监测可以预防重大事故的发生；发电机的振动、定子、转子的状态也关系着整个发电机的运行安全，对其监测同样具有重要意义。传统的电子式监测手段容易受到电磁干扰的影响。光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、几何形状不定等优点，非常适合用于该类机械的监测。

5.核电工业中的在线监测

核电站是高辐射的地方，核泄漏对整个人类而言都是极大的威胁，因此，核电站的安全监测极为重要。

比利时原子能研究中心通过实验得出：光纤光栅温度传感器可能在辐射水平为1MGy的环境中保持所需的性能，并且可通过优化光纤光栅的参数来减小辐射的敏感性。而对电弧放电在纯硅光纤中写入的长周期光纤光栅的辐射表明，辐射也不会改变其温度灵敏度。光纤光栅对种子辐射的敏感性研究表明，光纤载氢不仅可以增强光敏性，也会增加对离化辐射的敏感性。日本原子能研究院通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感，并能在几乎整个反应堆寿命期间忍受核辐射。

法国的CEA-LETI、EDF和Framatome研制了光纤Bragg光栅变形测量仪用于核电厂的混凝土测量，将光纤光栅传感器安装在核壳体表面或埋入核壳体中，对高性能预应力混凝土核壳大墙进行监测。英国BICC Cable公司组织了一个联盟，开发了一种具有温度补偿的分布式监测系统，此系统能复用多个光纤光栅应变传感器对550℃的高温部件进行实时监测。目前，光纤光栅温度传感器在核反应堆的安全生产中已成为了关键的检测技术。德国用光纤Bragg光栅传感器监测地下核废料堆中的应变和温度。

6.大坝的安全监测

大坝由于持续渗流、溶蚀、冲刷、动融等有害作用，加上可能受到超标准的洪水和大地震的破坏，筑坝材料的老化，大坝承受水压力、渗压力等巨大载荷的能力不断降低，一些大坝的病险情况较为严重，严重威胁着人民的生命财产安全。因此，对大坝进行监测具有重要意义。传统的大坝监测系统所用的仪表主要是电类仪表，如差阻式、振弦式等，最终都转化为电信号测量并通过电缆（或无线）传输到数据采集装置。这种模式抗电磁干扰能力差，在雷击和强电磁干扰环境中很难正常工作，严重时会导致传感器失效和系统瘫痪，是目前大坝安全监测自动化系统发生故障的主要原因。

新一代光子器件光纤光栅的出现及其封装技术的改进为大坝结构健康监测网络的发展提供了基础。基于光纤光栅传感器的大坝健康监测系统具有现场无需供电、传输距离远、免受雷击、长期稳定及准分布式组网等较多优点，可以进行分布式多点、多参量信号检测。2003年武汉理工光科技书股份有限公司首次将光纤光栅传感器系统用于清江水布垭电站大坝周边渗漏与坝体大应变长期监测，并取得很好的效果。随后光纤光栅监测系统成功用于云南省澜沧江糯扎渡水电站的导流洞堵头及左岸泄洪洞的安全监测。由于光纤光栅寿命能达到70年，与被监测对象寿命相当，因此光纤光栅传感器在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。

7.变电站的安全监测

部分变电站位于山坡或山腰上，容易发生滑坡或泥石流等灾害，在变电站侧的电力铁塔也容易发生沉降等状况，对变电站的安全稳定运行和变电站工作人员的生命安全造成极大威胁。因此对变电站的地质结构进行在线监测具有重要意义。

光纤拉力、应变等传感器可以镶嵌于变电站的挡土墙、抗滑桩等结构中，对变电站的地质结构进行实时监测，而运用光纤应变传感器、光纤倾角传感器等可以对变电站侧的电力铁塔的运行状况进行监测。该种监测方法耐高压、抗电磁干扰，可以实现无源监测。

四、目前存在的问题和未来的发展方向

光纤光栅传感器经过多年的发展，已经相对成熟且有了较多应用，但是目前仍存在着一些问题，这些问题严重阻碍了该种技术的发展应用，具体如下：

1.信号传输距离短

目前无中继情况下，光纤的信号传输距离为20～80公里，在部分情况下无法满足信号传输的距离需求，而采用中继放大又会增加额外电源，无法满足实际需要，光纤信号的传输距离有待进一步提高。

2.光纤传感器制作工艺粗糙

光纤传感器对制作工艺的要求较高，如果制作工艺达不到就会严重影响其测量精度，目前国内的制作工艺还有待进一步提高。

3.光纤解调仪的性价比低

光纤解调仪是对光信号进行调制解调的设备，目前其测量精度和扫描频率等性能还有待进一步提高，另外价格过高也是阻碍其发展的一个重要因素。

4.复用技术成熟度不够

光纤光栅传感技术属于点分式测量技术，要实现多点测量就要用到波分复用、时分复用和空分复用等复用技术，而目前真正成熟的复用技术只有波分复用，时分复用需要性能较好的解调设备，目前该种技术正处于研究阶段。空分复用需要占用较多的光纤资源，实用性不高。

5.缺乏相应的标准作为指导

光纤传感技术虽已经过多年的发展，但是目前的指导标准还是很少，远远不能满足光纤迅速发展的需要，这成为了制约光纤传感技术的关键性因素。

五、小结

目前，光纤光栅传感技术在电力系统中已有了一些成功应用，由于光纤光栅传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、可微型化、检测精度高、可实现无源在线监测等优点，光纤光栅传感技术在电力系统中的应用将会具有更大的潜力，未来光纤光栅传感技术将朝着高精度、实时性、网络化、多点监测的准分布式方向发展。

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（责任编辑：王祝萍）

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