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光纤传感技术在智能电网安全综合监测中的应用


光纤传感技术 在智能电网安全综合监测中的应用

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1. 2. 3. 4. 5.



研究背景 ..................................................................................

.......... 1 研究目的与意义 ................................................................................ 2 研究内容 ............................................................................................ 3 研究目标及技术路线 ......................................................................... 5 研究方案 ............................................................................................ 6

5.1.光纤传感技术......................................................................................... 6
5.1.1 光纤光栅传感技术 ............................................................................................ 6 5.1.2 光纤分布式温度检测技术 ................................................................................11 5.1.3 光纤气体检测技术 .......................................................................................... 12

5.2 光纤传感技术在电力安全监测中的应用 ............................................. 14
5.2.1 光纤电缆沟综合监测 ..................................................................................... 14 5.2.2 光纤高压开关柜温度监测 .............................................................................. 19

1. 研究背景
随着电力系统互联的不断发展,现代电网规模日益扩大,逐渐形 成了全国统一、甚至跨国的大型联合系统。随着电力网络互联程度的 不断提高,系统越来越庞大,运行方式越来越复杂,保证系统安全可 靠运行的难度也越来越大,使整个电网的安全稳定问题越来越突出。 在现代大电网中,各区域、各部分互相联系、密切相关,在运行过程 中互相影响。如果电网结构不完善,缺少必要的安全监测措施,一个 局部的小扰动或异常运行也可能引起全系统的连锁反应,甚至造成大 面积的系统瓦解。大规模的电力系统对现有的电网安全状态综合监测 提出了新的挑战。电力系统是现代社会中最重要、最庞大的工程系统 之一。电能供应的中断,不仅直接影响到国防与工农业生产、交通, 造成人民生活紊乱,在某些情况下甚至酿成及其严重的社会性灾难。 随着我国电力系统向高效环保可持续发展的目标发展,电力系统的安 全高效运行更加重要。电力设备和电力线路的运行状态监测是保证电 力系统安全高效运行的重要手段。但是,在具有强电磁干扰、高压的 恶劣环境下,电子传感器具有很大局限性。因此,急需对电网运行状 态进行实时在线综合检测的有效手段。 光纤传感技术是 20 世纪 70 年代末兴起的一种先进的多学科交叉 技术。光纤传感器所具有的诸多独特优点,使得光纤传感器在电力系 统安全监测中发挥了巨大作用。
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(1)光纤传感器本质为介电材料,传输光信号,本质安全,因此 可应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境; (2)体积小、物理性质稳定,适合于在线监测材料结构的健康状 况,甚至可以将光纤传感器直接置于材料内部,和材料融为一体形成 智能材料和结构; (3)复用能力强,可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连 续监测,在同一条检测通道中可以将多个/多种传感器探头串连和并联 使用,从而实现对多参数的快速准确测量; (4)光纤传输损耗小,信号传输距离远,可用于远距离监测。 光纤温度传感器、光纤声发射传感器、光纤振动传感器、光纤气 体传感器、光纤水位传感器等等,可用于高压开关柜、高压变压器绕 组、发电机定子等发电、输变电设备的温度、振动、绝缘程度(局放 定位和测量)等状态的实时在线测量,同时可以对电缆的温度进行实 时分布式测量和定位,对输变电电缆沟的气体浓度、水位状况进行实 时测量。光纤传感技术必将大大推动电力系统安全监测技术的发展。

2. 研究目的与意义
电力系统和电力产业是关系到国计民生的方方面面,因此上到国 家、电力系统各单位,下到终端用户,均对智能电网的安全和可靠性 提出了更高的要求。在智能电网的格局下,原来的信息集中控制系统 “各司其职” 、分布控制系统“离线整定、实时动作”的格局必须改变。
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针对智能电网对安全性的需求,需要一种新的智能安全网络系统,可 以实现电力业务安全防护由技术防护到策略防护的跨越。电力变电站 安全监测被提上了前所未有的高度。 智能电网必须具备高度的“自监”安全能力,才能确保电网流在 发、输、变、配、用和调度的各个环节安全、顺畅的传导,对智能电 网的成败至关重要,建设实时动态检测系统,适时建设无人值班变电 站和集控中心站; 智能电网安全综合监测系统产生重大影响 , 对电网 的发展, 对电网的安全、稳定运行起到越来越强大的支撑作用。 根据智能电网规划,到 2015 年,在电网安全监测关键技术和设备 上实现重大突破和广泛应用;到 2020 年,全面建成智能电网。这一战 略规划的提出,意味着国家将在这一领域持续加大投资力度。智能电 网规划对在线监测技术的发展提出了要求,为理工监测的发展提供了 广阔的空间。因此,要高度重视对大电网运行状态的综合监测,重视 利用先进的科学技术,通过科技进步,提高驾驭大电网的能力,确保 电力系统的安全可靠运行。

3. 研究内容
本项目主要研究内容:

? 研制新型的高性能光纤温度、气体、压力、位移等传感器; ? 研制适于电力系统工程现场应用的光纤电力安全状态监测的解
调仪;
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? 建立基于光纤传感技术的智能电网安全综合监测系统,主要包
括: 光纤电缆沟综合监测: 实现电缆沟井内电缆接头温度、环境温度、可燃有毒气体浓度、 积水深度等环境及运行状态的在线实时监测。 光纤高压开关柜温度监测: 发电厂,变电站的高压开关柜温度实时在线监测。 变压器状态监测: 主要应用于顶层油温,绕组温度以及环境温度的测量。 输电铁塔状态综合监测: 实现输电铁塔的杆塔倾斜、塔基沉降、振动等状态的综合监测。

光纤智能电网安全综合监测系统

电 缆 沟 综 合 监 测

高 压 开 关 柜 温 度 监 测

变 压 器 状 态 监 测

输 电 铁 塔 状 态 综 合 监 测

系统框图

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4. 研究目标及技术路线
主要研究目标: 研制新型的高性能光纤温度、气体、压力、位移传感器;以及适于 电力系统工程现场应用的光纤电力安全状态监测的解调仪;研究光纤 传感器在电力系统应用的安装、固定等关键工程技术。通过该项目的 实施,实现包括环网柜、变压器、高压开关、电缆、发电机等多种大 型设备、器材等进行在线状态监测及预警,在解决本质安全型电力安 全监测监控系统工程化主要系列问题方面获得突破,建立智能电网安 全监测监控和灾害预警示范工程;产生一系列拥有自主知识产权的新 产品。 技术路线图:

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项目研究的技术路线

5. 研究方案
5.1.光纤传感技术
5.1.1 光纤光栅传感技术
光纤传感无电安全监测技术是本世纪兴起的前沿应用学科, 既用光 纤感测信号又用光纤传输信号,是目前传感技术最杰出的代表,是自 动检测的革命性技术。光纤光栅传感器是一种新型全光纤无源器件,
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与普通传感器相比,具有不可比拟的优势和特点:它本质防爆、无电传 感、化学性能稳定、传输距离远、可用于对外界参量的绝对测量,这 种特性在传感器领域中引起了革命。 光纤的材料为石英,由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂,使芯层 折射率 n1 比包层折射率 n2 大,形成波导,光就可以在芯层中传播。 当芯层折射率受到周期性调制后,即成为光栅。光栅会对入射的宽带 光进行选择性反射,反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配 的窄带光,中心波长为布喇格波长。 光纤光栅传感的基本原理是布拉格反射。当光波传输通过 FBG 时, 满足 Bragg 条件的光波将被反射回来,这样入射光就分成透射光和反 射光。 FBG 的反射波长或透射波长取决于反向耦合模的有效折射率 n 和 光栅周期 Λ ,任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅 Bragg 波长的漂移, 测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的 变化。 根据光纤光栅对外界温度和应力敏感的特性,设计不同的封装, 可以制成光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤水位传感器、光纤 振动传感器等各种传感器。

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光栅结构示意图

光纤水位传感器

光纤温度传感器

光纤振动传感器
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光纤温度传感器

由于光纤光栅传感器是以波长为编码的,使得光纤传感器具有更 高的监测灵敏度和监测精度,同时可以利用波分复用技术组成大容量、 多类型的混合传感系统,利用一台监测设备就可以实现温度、压力、 水位、振动等的多参数检测。

光纤光栅传感系统 光纤光栅温度传感器原理 光纤光栅(FBG)是一种反射式光纤滤波器件,通常采用紫外线干 涉条纹照射一段 10mm 长的裸光纤,在纤芯产生折射率周期调制,在布 拉格波长上,在光波导内传播的前向导模会耦合到后向反射模式,形 成布拉格反射。对于特定的空间折射率调制周期(Λ )和纤芯折射率 (n),布拉格波长为: λ B=2nΛ (1)

由式(1)可以看出:n 与Λ 的改变均会引起反射光波长的改变。因 此,通过一定的封装设计,使能外界温度、应力和压力的变化导致 n 与Λ 发生改变,即可使 FBG 达到对其敏感的目的。
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Illumination ? ?b Reflection
?

Optical fibre

Transmission

?

光纤光栅原理示意图 FBG 中心波长与温度变化的关系为 Δ λ B=λ B(1+ξ )Δ T (2)

式中,Δ λ B 是温度变化引起的反射光中心波长的改变;Δ T 为温 度的变化量;ξ 为光纤的热光系数。在 1550nm 波段,FBG 对温度的敏 感系数分别为:10pm/oC

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光纤光栅温度传感器温度测试数据

5.1.2 光纤分布式温度检测技术
光纤分布式测温的基本原理是喇曼(Raman)散射效应。激光在光 纤中传输的过程中,与光纤分子相互作用, 发生散射。喇曼散射是一 种特殊的散射,它会产生两束波长不同的散射光,一束比光源波长长 的光,称斯托克斯(Stokes)光,和一束比光源波长短的光,称为反 斯托克斯(Anti-Stokes)光。反斯托克斯光信号的强度与温度有关, 斯托克斯光信号与温度无关。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信 号和斯托克斯光信号强度的比例中,可以得到该点的温度。同时,利 用光时域反射技术(OTDR)技术通过光纤中光波的传输速度和背向光 回波的时间对这些热点进行定位。利用这一原理可以实现对沿光纤温 度场的分布式测量和热点定位。

激光的散射图谱

分布式测温光缆

光纤分布式测温系统内部由三个监测单元组成,两个单元信道(反 斯托克斯和斯托克斯)和一个参考信道,这些背光散射的幅值和各点的
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喇曼散射光的强度成比例,从两个测量信道得到幅值的关系即可得到 沿传感器电缆的光纤温度。

入射光

反(散)射现象

激光源
反射光

信号处理 模块

OTDR 定位距离

光纤分布式测温原理图

5.1.3 光纤气体检测技术
光纤气体检测技术基于光谱吸收技术,当光通过气体时,光频电 磁波与组成介质的原子、分子将发生作用,使得特定波长的光被气体 吸收。每一种气体都对应着一个特定波长的吸收光谱图。

光纤气体传感器 不同浓度瓦斯气体的吸收如下图所示。

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1.5 1.4 1.3

不同浓度吸收归一化图

1.2 1.1 1 0.9 1653.5 1653.6 1653.6 1653.7 1653.7 1653.8 1653.8 5 5 5 5

0.20% 0.50% 1% 3% 0%

幅值

不同浓度瓦斯吸收图 基于光谱吸收技术测量气体浓度时,可利用可调谐激光二极管的 波长可以随电流大小调制的特点对激光输出波长进行调制,再利用锁 相放大器优异的微弱信号的提取能力实现气体吸收光谱线的恢复,就 可以实现很好的探测灵敏度,从而测得精度较高的气体浓度。

光纤气体检测系统原理框图

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5.2 光纤传感技术在电力安全监测中的应用
利用各种光纤传感传感器和传感系统,可以实现对电缆沟水位、 电缆温度、可燃气体浓度,高压开关柜触点温度,以及输电铁塔杆塔 振动、倾斜塔基沉降等的综合监测。

5.2.1 光纤电缆沟综合监测
随着城市化规模扩大建设速度加快,相应的城市附属设施建设同 样发展迅速,电力电缆供电网络也得以快速发展,规模庞大的地下供 电网络,电缆分布众多,如何发展同时对电力部门电缆安全运行,事 故预防亦提出更高要求。 输电电缆运行管理,相关部门每年都投入大量人力物力,对电缆 沟井内电缆及环境进行巡视检查。特别是在高温、大负荷季节进行大 量巡检工作对井沟内电缆接头进行的红外测温,井沟内积水、防火观 察检测等,但无法实时掌握,进行预防,及时预测。在这种情况下建 立一个综合有效地电缆沟井运行状态在线监测平台,对影响运行的重 要状态进行实时在线监测。 我们针对电力行业的应用,采用光纤技术设计了对沟井电力电缆 接头温度、环境温度、可燃有毒气体浓度、积水深度的综合在线监测 平台,实现了电缆沟井内环境及运行状态的在线实时监测,对相关运 行人员提供了可靠地数字依据,更好的做出运行安排,减轻了劳动强

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度,为安全运行提供了保障。 整个系统的安装分主要为 5 个部分:1、监控柜内仪器的架设;2、 测温光缆的铺设;3、测温光缆的固定;4、测温光缆与主机系统的连 接调试; 5、数据上传。施工时应主要遵循以下原则: 测温光缆要沿被测电缆敷设,感温光缆要与北侧电缆接触良好, 在电缆接头处需余留 5-10 米感温光缆盘成环形固定在接头处; 对电缆接头进行重点监测,在特殊区域,如电缆支架处,要进行 特别固定。

? 系统安装: 监控柜的架设:监控柜内主要有显示器,工控机,DTS 控制器, 激光打印机,报警器,手机短信报警器。将这 6 种仪器分别按照各自 的连方式进行连接。 ? 测温光缆的铺设: 光缆的铺设从放置主机的监控中心开始,首先将光缆所铺设的电 缆路线清理好,除去电缆线路上的水尘等杂物; 将测温光缆架设到放线支架上沿着所需测温的电缆向前敷设,将 光缆逐根拉到位先放到电缆支架上。当遇到电缆接头时为了测得高精 度温度采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处,第一保证测温光 缆与电缆终端头及中间接头紧密接触,第二能在有效的长度内多采集 温度监测点,达到双重保证的效果。双环形缠绕光缆展开长度为 5 米
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~10 米。

此处对电缆接头进行双环行缠 绕

电缆接头处的光缆缠绕注明

电缆接头处光缆固定简示 所有光缆放到位后开始测温光缆与电缆的固定,每 1 米捆扎一次。 遇电缆固定支架时,在固定支架两侧各捆扎一次。要求光缆安放在电 缆的侧面,要求保证光缆与电缆有良好的接触。 鉴于排除光缆终端余留 20 米长,盘成圆并用扎带扎紧放于光缆盒 内,以便排除测量盲区。然后将光缆盒固定于光缆终端的适当位置。

主要参数:
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项目 距离 范围 温度分辨率 分布式温 精度 度监测 响应时间 定位精度 信道数 量程 水位监测 测量精度 使用温度 量程 灵敏度 甲烷气体 浓度监测 精度

单位 km ℃ ℃ ℃ s m m % FS ℃ % %

参数值 6 -30~130 0.1 ± 1 <5 ± 2 1-6 5 ±0.5 0℃ ~ 40 0~100 0.1 0~1%:±0.05%

备注 2/4/6/8km 可选

单通道/km/10000 次

可扩展

%

1%~100%:±真 值的 5%

响应时间

S

8

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品字型敷设式光缆现场图

平行敷设光缆结构图

现场敷设光缆

电缆接头处理

高压电缆沟温度在线监测系统示意图
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发现过热点并报警

5.2.2 光纤高压开关柜温度监测
现代工业中,工业设备运行异常或故障通常表现出温度的异常变 化。发电厂,变电站的高压开关柜是重要的电器设备。在设备长期运 行过程中,开关柜中的动静触点结合处和母线排连接处等部位因氧化、 松动等因素造成接触电阻过大而发热,形成一个恶性循环,而这些发 热部位就成为了故障事故发生的隐患,一旦发生电器设备安全问题, 将造成巨大的经济损失。 由于开关柜为密封的状态,无法直观看到内部运行状况;而开关 柜一旦运行,很难出现停电的状况,因此也无法进行停电状态下的人 工巡查;电阻式传感器由于本身带电和传输线路带电,在紧凑的开关 柜内,要实现系统可靠绝缘监测困难重重,因此导致也无法直接在高 压开关柜内部使用;目前常用的手持式红外热成像仪是一种非接触式
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测量手段,需人工操作,无法实现不间断在线测量,感测的是待测物 体表面的辐射热能值,易受温度、气氛、污染和干扰等因素的影响; 对于高压开关柜运行过程中内部的真实温度情况无法反映。 光纤光栅温度在线监测系统能同时满足绝缘性、接触式、长期运 行、实时监测高压开关柜内部过热点的条件,具有极高的可靠性和安 全性,能在事故酝酿的初期阶段发现隐患,为客户得到第一反应时间; 可以实时的监视设备运行状况,为维修、更换提供可靠的依据,实现 高压开光柜的预知维修。 主要参数: 项目 测温范围 温度分辨率 测温精度 温度响应时间 通道数 单通道容量 传输距离 系统软件 报警 系统工作温度 电源输入
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参数值 -20 ~ 130 0.1 ±1 < 60 1-32 12 10 基于 WINDOWS 操作系统 声光报警 0~ 45 220V±10%
20

单位 ℃ ℃ ℃ S ---支 Km ---℃ AC

备注

根据监测点数量确定 可扩展 可达更远测量距离 温度数据同步采集 超温报警

用耐高压绝缘材料封装的 MS-GXT 01 型光纤光栅温度传感器如图 所示。耐高电压型光纤温度传感器已通过中国电力科学研究院耐 110KV 高压认证。

1 光纤光栅信号基站解调系统的安放
矿用光纤式温度测量装置放置于变电所。使用电力光缆传输检测 数据至调度室数据服务器。

2 光纤温度传感器的安装
72 个光纤光栅温度传感器按照通道分配表安装于地面变电所的高 压开关柜中,在每个开关柜的内部安装 3-9 个光纤光栅温度传感器, 采集温度信息;

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解调主机 高 压 开 关 柜 高 压 开 关 柜

光纤传感器 光纤分路器

电力用阻燃传输光缆 地下电缆沟

光 缆 终 端 盒

系统实施简图

耐高电压绝缘封装光纤温度传感器,采用 3mm 光缆

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A

B

C

光纤温度传感器 母线室传感器布置正视图 母线室侧视图

传感器布置示意图

软件显示

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实际数据表

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