光纤光栅测量技术的应用研究

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1、第31卷第215期电力系统通信Vol.31No.215·58·2010年9月10日TelecommunicationsforElectricPowerSystemSep.10，2010光纤光栅测量技术的应用研究李星蓉（华北电力大学电子与通信工程系，河北保定071003）摘要：分析了高压输电线路覆冰的危害，介绍了变电站电气设备温度测量的意义。利用光纤既是传感材料又是传输材料以及抗电磁干扰等优点，引出了光纤光栅温度和应变测量系统。通过对光纤光栅传感原理的研究，结合高压输电线路和变电站电气设备的特点，设计了波分复用传感系统和C/S模式的监测系

2、统网路结构模型，对大范围的高压输电线路和其他电气设备进行温度和应力的同时监测有参考价值。关键词：光纤光栅；高压输电线；电气设备；监测系统中图分类号：TN913.7文献标志码：B文章编号：1005-7641（2010）09-0058-04实现电力设备从传统的计划检修向预知的状态检0引言修转变，保障国民经济的持续增长和人民的正常随着电网的大规模发展，超特高压输电线路用电等方面都有极其重要的意义。如果能在变电不可避免地经过高海拔、覆冰、污秽等复杂环境地站中铺设光纤对各电气设备的温度进行实时监区。全球气候变化带来的极端气候的增加，使覆冰测，将有

3、利于尽早发现故障，及时排除，防止灾害积雪灾害的发生区域和频率逐渐增大。特别是的发生。330kV，500kV电网形成以后，电网覆冰灾害呈光纤光栅是一种特殊的光学元件，栅距决定[1]快速上升和严重的趋势。了所反射的布拉格波长的波长值。作为传感元件近年来，冰灾已经成为世界电力工业的重要（FBG，FiberBraggGrating）的栅距会随着外界环[2,3]危害。实时监测冰情发展并预警是及时启动应境物理量的变化而改变，这样传感信息加载在波急机制和适时采取融冰除冰决策的基础。全面、准长值上。所以，它可作为传感器件，同时光纤也可确、灵敏的覆冰监测

4、系统能够有效地指导线路除作为传输通道进行数据传输[7]，这是其他传感器无[5,6]冰工作，并为覆冰的研究工作提供第一手资料。法比拟的优点。如果能把光缆与输电线并行铺设，这样串接在光光纤光栅可用来对多种物理量进行测量，例缆上的光纤光栅传感器就可以实时监测输电线路如：温度、压力、电压、电流、磁场等，当这些被测物的温度和所受到的拉力或压力，及时预警，防止灾理量发生变化时，经过调制的光纤光栅的中心波害的发生。长会发生移动。光纤布拉格光栅传感器作为一种变电站中的重要设备，如高压开关柜、母线接新型光纤传感器，正受到越来越广泛的重视。文中头、刀闸开关

5、等，当使用时间过长、过载、绝缘老化提出了一种基于光纤光栅的输电线路温度和应力或接触不良时，均会产生局部过热现象，容易造成同时监测方案。火灾和大面积的停电事故，所以，如果实现对电力1光纤光栅传感的基本原理设备温度的在线实时监测，就能预测可能发生的故障，有效地防止事故的发生。这对于保证电力系由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心[8,9]统安全稳定运行、提高运行效益，降低维修成本，波长为·技术研究·李星蓉光纤光栅测量技术的应用研究·59·λ=2nΛ（1）波，每个光栅的工作波长相互分开，经3dB耦合Beff式中n为纤芯的有效折射率；Λ为光

6、栅周期。器取出反射光后，用波长探测解调系统测出每个eff可见Bragg波长λ随n和Λ的变化而变化，而光栅的波长或波长偏移。任何对FBG的激励影响Beff如温度或应变，都将导致FBG布拉格波长的改n和Λ的改变与应变和温度有关。应变通过弹光eff变。分布式FBG传感解调系统通过测量各测试点效应和长度改变影响n和Λ，而温度通过热光效effFBG传感器反射光波长的精细变化来测量各点待应和热膨胀效应影响n和Λ，进而使λ发生漂effB测参量的变化。移，所以，通过测量λ的漂移量，可以得到被测物B理量信息。假设应变和温度分别引起Bragg波长2试验系统

7、设计的变化是相互独立的，则两者同时变化时，Bragg光纤光栅传感方法很多，主要集中在光路的波长的变化为选择上。这里选用了可调谐Fabry-Perot滤波器连Vλ＝（1-Pe）ε+（α+ξ）VT（2）续扫描方案，其原理如图2所示。λ式中ε为光纤光栅发生的轴向应变；VT为温度的变化量；P为有效弹光系数；α和ξ分别为光纤e光栅的热膨胀系数和热光系数。可见，通过测得波长的漂移量VT可实现对温度和应力的分别测量，也可同时测量。经实验验证，光纤光栅的反射波长与应变、温度等参量有较图2光纤光栅传感系统原理好的线性关系，如图1所示。Fig.2Princ

8、ipleofopticalfibergratingsystem光源照射在同一根光纤中的一串光栅上，FBG反射光经耦合器进入可调导通频带的光纤F-P滤波器，通过电控压电陶瓷改变滤波器中F-P腔长来改变F-P滤