光纤传感技术在智能电网中的应用.docx

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1、光纤传感技术在智能电网中的应用光纤传感器可以大致分为两大类，一类是用于电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等测量的单点式光纤传感器，通常应用在电力系统中的发电、变电、配电等环节中的电气设备中。另一类是对长距离、大跨距的输电线路进行温度、应力等物理量监测的分布式光纤传感器，主要用于输电环节，以保证输电线路的安全、正常运营。1-3-1单点式光纤传感器在智能电网中的应用对电力系统中的高电压、大电流进行检测，可利用磁光效应制成光纤电流传感器。磁光效应指的是具有固定磁矩的物质在外磁场的作用下，其电磁特性将发生变化，从而导致光波在其内部传输时特性也发生变化。光纤电流传感器采用光纤作为传输介质，与传统的电

2、磁感应式电流互感器相比，与被测装置没有电气连接，可对电力系统中高电压、大电流进行测量，并具有明显优势：不含油，没有爆炸危险；绝缘等级高，运行安全可靠；抗电磁干扰，测量范围宽;体积小，便于安装等1涧。基于Faraday磁光效应的OCT是利用线偏振光在放置于磁场中的物质传播过程中，与磁场方向相同的光信号的偏振面会随磁场的变化而发生旋转，通过测量由磁场导致偏振面旋转的角度得到被测电流强度。其中，Faraday旋转角夕和光在磁光材料中传播的长度L、磁场强度之间关系为阿：0=CvH-dl(1.1)JL根据安培环路定律：hdl=NI(1.2)JL可得：o=CVNI(1.3)式中N为光信号环绕待测电流传播的

3、周数，/为待测电流。由式(1-3)可以看出，只要能够准确测量法拉第旋转角度夕，就可实现电流的测量，且被测电流与旋转角夕之间有良好的线性关系。测量时传感头可采用块状光学玻璃和光纤两种结构，分别对应光学玻璃型电流传感器和全光纤电流传感器。光学玻璃型电流互感器(如图1所示)采用具有较高费尔德(Verdet)常数的块状光学玻璃作传感头，输入光信号在玻璃中传播时经多次反射形成围绕待测电流的闭合光路，然而全反射过程中导致光矢量两分量之间形成的相差，该相差引起光的偏振态发生变化产生双折射相应，从而影响光学玻璃型电流传感器的检测灵敏度。要想提高该类互感器的灵敏度必须克服全反射引起的双折射效应。可以采用双正交反

4、射方案间、在光反射的界面上镀膜、米用临界角反射等偏正态保持方案，也可采用诸如正方、三角、圆等形状皿。但总体而言，为获得高的测量精度，需要对反射面进行精心加工，同时测量结果容易受到信号光波长以及环境因素的影响，因此不能很好的消除全反射引起的相差，限制了该类型的电流传感器在实际工业环境中的应用。另外，用于电流测量的光学玻璃必须具有较高的费尔德常数，但费尔德常数越高，该玻璃受温度影响越明显，传感器对环境温度变化越敏感，因此设计时必须采用恰当的温度补偿电路以消除温度因素的影响。但是，光学玻璃型电流互感器较全光纤电流互感器而言，由于其传感头内部未采用光纤，因此不会受到光纤本身存在的双折射效应的影响，也不

5、会受到温度、应力、弯曲等产生的双折射的影响，在无信号时具有偏振态保持特性、同时具有较高的系统稳定性和较高测量灵敏度，相应传感头结构设计相对灵活。激光器n光纤自聚焦透镜块状光学玻璃起偏器光电探测器号理统信处系显示设备图光学玻璃型电流传感器结构示意图全光纤电流传感器结构如图1.2所示，其测量原理是沿缠绕在待测导线上的光纤传输的光信号的Faraday转角会随电流导线上电流的变化而变化，通过测量Faraday转角随电流变化关系实现电流测量。图1.2全光纤电流传感器结构示意图PD激光器信号处理系统显示设备这种AFOCT结构虽然简单，但在设计过程中需解决以下问题：（1）为了提高传感器的灵敏度应尽可能采用高

6、Verdet常数的传感光纤，同时要求Verdet常数受温度的影响较小；（2）采用低双折射光纤，降低双折射效应的影响；光信号在光纤中传输过程时应尽可能保持线偏振态不变。对于问题(1),虽然光纤的Verdet常数较小，但设计时可采用增加光纤缠绕圈数提高灵敏度，并且由于Verdet常数较小其随温度的变化可忽略；保偏光纤的采用使问题基本得到解决；然而问题却成为全光纤电流传感器研究的焦点，因为光纤缠绕圈数的增加导致线性双折射增大，同时测量过程中的双折射(包括线性和圆)都会受到环境温度、应力、振动等因素的影响，使得测量的精度与准确性降低。线性双折射的产生机理及规律难以掌握，因此很难采用直接的方式进行补偿，

7、反射式结构的FOCT是减少双折射影响的简单且有效的方法，如图1.3所示。反射式FOCT是在光纤的末端安装一个Faraday旋转镜，两个正交的线偏振沿光纤传输的光到达反射镜被反射，产生相同的相位延迟，由于线性双折射的可逆性和Faraday效应的不可逆性，反向光在传输过程中双折射效应被抵消而Faraday旋转角被加倍，消除双折射的目的同时使传感器灵敏度提高了一倍。另外，由于光纤环末端自由，因此能够方便的安装在待测电流装置上，使得测量过程方便灵活则。Sagnac干涉结构的采用亦可消除双折射对全光纤电流传感器的影响网。其原理是利用耦合器将光源发出的光信号分为两路分别沿顺时针和逆时针两个方向进入接有光纤

8、电流传感探头Sagnac光纤环中，沿正反两方向传输的光在输出端发生干涉，干涉后的光经探测器探测即可解调出被测电流。常见的SagnacFOCTH两种结构形式：一种是在SagnacFOCT光路中引入一段能够产生附加圆双折射的单模光纤来消除线性双折射的影响；通过在33c70环境下实验，发现该结构具有基本上不受温度的影响冈。另一种是利用高圆双折射光纤作为测量和传输光纤，在串联式SganacFOCT的1/4波片和传输光纤之间接入Faraday旋转器来消除外界扰动对传感器灵敏度的影响，明显降低了噪声电平阿。另外,采用普通单模光纤取代质地较脆的退火光纤作为传感元件，也可消除线性双折射对串联式SganacFO

9、CT的影响网。光源起偏器H/rI1探测器图1.3环形Sagnac干涉仪型的FOCT高双折射光纤探测器光纤起偏器低相干光源45。熔接保偏耦合器双折射相位调制器反射镜待测电流/传感光纤圈光纤人/4波片图1.4串联式Sagnac干涉仪型的FOCT为了解决温度与振动对FOCT性能的影响问题，采用特殊的传感头设计也可实现对温度与振动不敏感，并且对Faraday效应具有内在温度补偿功能阴。其原理是利用温度对光纤双折射的影响来消除温度对Faraday效应的影响。该结构的电流传感器在-35团至85团的范围对温度不敏感度，并且基本不会受到10g以内加速度的振动信号的干扰。总体而言，Sagnac干涉仪是一种单光路

10、双光束干涉结构，对环境温度不敏感，较Mach-Zehnder或Michelson干涉仪等双光路干涉系统而言具有较高的系统稳定性。虽然干涉式光纤检测方案具有测量精度高、响应速度快、分辨率高等特点，但这种方法受到光纤本身性能的稳定性、可靠性及外界干扰等因素的影响比较严重。常用的布拉格光纤光栅传感器(FiberBraggGrating,FBG)也是一种单点式传感器。与传统光纤传感器相比，光纤光栅传感器12传感信号为波长调制，复用能力强。另外，在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入(或粘于)被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，实现准分布式测量。而且光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低

11、损耗传输，成为了电力工业应用的理想选择。光纤光栅是利用纤芯材料的光敏性通过紫外曝光形成空间相位光栅，光栅的写入相当于在纤芯中引入反射镜或滤波器，对满足特定关系的光波长信号实现反射或透射，因此，凡是能够引起光纤光栅中心波长漂移的均可测量，如应力、应变、温度等，是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。另外，由于光纤光栅波长绝对编码特点使其测量结果不受光源功率波动及连接损耗的影响，可靠性高，易复用，能够实现网络化、分布式传感。因此，将用光纤光栅与超磁致伸缩材料相结合进行电流测量，可避免法拉第效应电流传感器存在的问题，为直流高压输电电流检测提供了一种新的有效手段，在电力系统测量中具有巨大的潜力。基于光

12、纤光栅的电流传感器，其传感过程是通过磁致伸缩、压电等材料将电流转化为应变对Bragg中心波长进行调制来实现，属于波长调制型光纤传感器，它具有如下特点:(1)传感头结构简单、体积小、重量轻、外形随意。由于光纤光栅是采用紫外曝光的方式在光敏光纤纤芯写入空间光栅，外观结构与普通光纤无异，埋入大型建筑中并不影响建筑本身的结构，实现建筑内部应力、应变及结构损伤等监测，稳定性高、重复性好。(2)抗干扰能力强。由于光纤光栅的测量信息是波长编码，所以，光纤光栅传感器的传感信号不受光源的光功率波动、光纤连接及耦合损耗、以及光纤弯曲、光偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力，另外，由于光纤的主要成分是二氧化

13、硅，该材料本身具有非传导性，不会对被测介质造成影响，同时还具有耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等特点，适合在恶劣环境中工作，基于光纤光栅的传感方案具有较高的可靠性和稳定性。(3)与光纤通信系统兼容性好。光纤光栅与光纤之间存在天然的兼容性，与光纤连接方便、插入损耗低、光谱特性好、可靠性高。(4)易复用。由于可以在一根光纤中写入多个光栅，各个传感光栅的谐振波长之间有一定间隔，组成阵列传感器，与波分复用技术、时分复用技术、空分复用技术以及光时域反射技术相结合，实现分布式传感，并且测量结果具有很好的重复性。(5)便于形成规模生产。光纤光栅的写入技术逐渐成熟，相位掩模法的研究和应用降低了写入装置的复杂程度，简化

14、了写入过程，降低了对周围环境的要求，使得光纤光栅的大规模批量生产成为可能。(6)高灵敏度、高分辩力，无零漂。光纤光栅制成后，性能稳定，无零点漂移，出厂后不需要定期校准，能够实现被测量的绝对测量，使用寿命长，维护方便。由于光纤光栅传感技术具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰能力强、易于实现多点多参数分布式测量等优点，以磁致伸缩材料为基础的光纤光栅电流传感技术成为近十年来光纤电流传感技术的热点，目前的研究工作主要集中在以下几个方面：设计了以磁致伸缩效应为基础的光纤光栅电流传感系统，并对磁场、电流作用下系统的工作原理及输出特性进行了分析，但由于磁致仰缩材料的非线性与磁机械耦合特性对调制特性的影响，使得

15、系统稳定性与测量范围受限，因此人们致力于优化传感系统结构设计，克服材料非线性与磁滞特性的影响，提高系统工作稳定性，扩大系统测量范围。由于光纤光栅的温度敏感特性，光纤光栅电流传感器还容易受到测量环境温度变化的影响，导致测量结构不准确，因此有待于进一步完善该类型光纤电流传感器的结构，克服温度等干扰因素的影响，或者实现温度、应力、电流等多参量同时测量，完善系统性能，提高传感系统工作稳定性。对于光纤光栅传感信号解调方案的设计，针对光纤光栅传感器波长调制特性，最直接的检测方案是采用光谱分析仪，传统的光谱分析仪采用色散棱镜或衍射光栅，结构简单，但分辨率低，无法满足测量要求，高分辨率光谱分析仪的采用虽能满足测量要求，但价格昂贵，体积庞大，只适合实验室测量使用，另外，该方案不能将波长检测结果以电信号的形式输出，因此不利于信号的记录、存储、显示以及作为控制信号直接控制工业生产过程；虽然采用匹配光纤光栅法能够实现光纤光栅波长的解调，且克服了光谱分析仪体积大、价格昂贵等缺点，但匹配光栅法却存在波长测量精度低，动态范围小等缺