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技术与应用
光纤传感技术在智能电网中的应用
关巍
(河北省电力公司,石家庄050021)
摘要光纤传感作为新兴的传感技术在智能电网领城取得了越来越多的应用。本文对多种适
用于智能电网的光纤传感技术进行简要介绍,包括电流、温度、结构健康监测等领城,并说明了
针对电力行业中不同应用背景下光纤传感技术的应用现状及市场需求,最后对国内目前光纤传感
市场竟争格局进行简要说明
关键词:智能电网;分布式光纤传感技术;光纤光栅传感器;光纤荧光传感器
Application of Optical Fiber Sensing Ttechnology in Smart Grid
Guan Wei
Electric Power Company of Hebei Province, Shijiazhuang 050021
Abstract As a rising sensing technology, there are more and more applications of fiber sensing
technique in Smart Grid. The working principle of multiples fiber sensing technology that matching the
Smart Grid needs is briefly introduced in this paper. The application status of fiber sensing technology
for power industry and related market requirement are also presented. At last, the internal industry
competition of fiber sensing is also stated
Key words: smart grid; distributed fiber sensing technology; fiber Bragg grating
fluorescence sensors
智能电网作为电网技术未来发展趋势已经得到FP传感器外,还有“准分布式”的光纤光栅传感
共识,成为我国电网发展的一个重要方向。传感技器,以及“分布式”的光纤拉曼传感和光纤布里渊
术则是智能电网中非常重要的一环,通过先进的传传感技术。
感技术可以获得准确的数据信息以用于智能电网的1.1全光纤电流互感器
各个方面使用。
全光纤电流互感器?是基于法拉第磁光效应。
光纤传感技术是传感器家族的新成员。在这
即处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发
技术中,光纤即是测量信号载体,也可以是传感媒生偏振面的旋转。由于载流导线在周围空间产生的
质。与传统的传感技术相比,具有抗电磁干扰、抗磁场,导致线偏振光通过置放在磁场中的法拉第磁
辐射性能好、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异性光材料时会发生偏转△O=4INI。式中び是光纤材料
能,能够对温度、振动、电流、应变等多种参量实的 Verdet常数,指光波在磁光材料中通过单位长度,
现在线測量。同时借助于光纤的低传输损耗和宽的由单位电流产生的磁场引起的旋转角的大小;N是
频带范围特性,光纤传感技术可以实现大的监测覆光纤绕载流导体的圈数;Ⅰ是穿过光纤环的电流强
盖范围和高效的信息传输性能,迎合了智能电网对度。
先进传感技术的需要,是非常有前景的传感技术
如图1所示,由光源发出的光经过一个耦合器
光纤传感技术现状
后由光纤偏振器起偏,经偏振光平分为两份,分别
沿保偏光纤的X轴和Y轴传输,经相位谓制器和闭
与其他传感技术相比,光纤传感有着非常独特环控制电路产生相位偏置、调制信号和反馈信号,
的布设方式。除了与传统传感器一样“点式”布设利用M4波片进行线偏振光与圆偏振光的相互转化。
的全光纤电流互感器、光纤荧光温度传感器和光纤载流导线周围产生的磁场使传感光纤中正交的两東
014年第3期电115
技术与应用
圆偏振光产生相位差,该相位差与导线中磁场强度率nm发生改变的物理过程都将引起光纤光栅波长
(电流强度)成正比,通过测量干涉光强可以检测的漂移。当外界的温度或应变发生变化时,就会引
出相位差,从而得到被测电流值。
起光纤光栅的有效折射率和光栅周期发生改变,从
而使得光纤光栅波长发生偏移,通过高分辨率的波
起偏器偏振分光
一↑一
调制器
Q时
长检测装置检测这个偏移量,就可得知外界被测量
的变化信息。
将不同反射波长的光纤光栅组成“准分布式
仪
图1全光纤电流互感器原理图
传感网络,如图3所示。用一宽带光谱光源输出光,
1.2光纤荧光温度传感器
经光分路器到达不同峰值波长的光纤光栅传感器阵
荧光式测温方法是在光纤末端加入荧光物列;反射光再经分路器送至波长可调谐滤波器。只
质,经过一定波长的光激励后,荧光物质受激辐射
有当反射光波长与可调谐滤波器的波长相同时,才
能通过滤波器被探测器接收。根据“可调谐滤波器
根据炎光的强度可以检测温度.面激励撤消后,愛长一探测器功率”的对应关系计算出传感光
光余晖的持续性取决于荧光物质特性、环境温度等
的波长位置。
因素,这种受激发荧光通常是按指数方式衰减的,
称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光余晖时间。由
宽光谱
光源
于在不同的环境温度下,荧光余晖衰减也不同。因
光分路器
此也通过测量荧光余晖寿命的长短,来检测环境温
度
可调谐
光纤光栅传感器阵列
滤波器
1.3光纤光栅传感技术
光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性,结合
探测器
相位掩模和紫外激光曝光技术沿芯轴向形成的
种折射率周期性分布的结构光纤光栅示意图如图2
图3光纤光栅“准分布式”多点监测网络
所刀
1.4光纤分布式传感技术
当光波在光纤中传播时,光波在介质内部出现
各种散射如图4所示。只有光强出现变化的是瑞利
射
包层纤芯
光
散射,频率出现变化的是拉曼和布里渊散射。检测
由光纤沿线各点产生的后向散射,通过这些后向散
一入射光光周期
射光与被测量(如温度、应力、振动等)的关系,
透射光
反射光
可以实现光纤传感特有的分布式传感。
光器
反
射
光
透射光
反斯托克斯光
斯托克斯光
瑞利散射
图2光纤光栅示意图
布里渊散射布里渊散射
这种特殊的结构周期性分布能改变某一特定波
拉曼散射
一温度
长的光的传输路径,使光的传播方向发生改变,相
拉曼散射
当于在光纤中形成一定带宽的滤波器或反射镜。其
中反射光的波长由纤芯折射率和光栅周期决定:
波长
Ap =2n. A
将上述方程两边取微分,可得
图4光纤散射现象
△=2△namA+2n。m△A
(2
拉曼散射?是光量子和介质分子相碰撞时产生
可见任何一个使折射率变化周期A和有效折射
的非弹性碰撞过程,而非弹性碰撞伴随着能量的转
换。注入光纤的激光光子与光纤的二氧化硅分子的
116电气技朮2014年第3期