顶尖高校联合评述！共同探索变电设备光纤/光学传感前沿技术
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2024-09-27 16:54
北京
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马国明，王思涵，张晓星，杨庆，李军浩，庄池杰，曾福平，张伟超，江军，周宏扬，江俊杰，王渊，秦炜淇，王玉昆，李佳名DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20240435准确感知输变电设备的运行状态，及时采取有效的运维检修策略，对保证新型电力系统安全高效运行意义重大。传统状态监测传感器主要是电学传感系统，在实际应用中存在很多输变电设备故障，但这类传感系统也存在一些问题，包括高电位测量绝缘风险、电磁兼容差导致测量精度低等。光纤传感具有绝缘性能好、抗电磁干扰、可分布式测量、测量精度高等优点，在变电设备领域发展迅速。然而，变电设备状态信息光纤/光学传感研究涉及的感知机理、解调系统和应用环境影响的复杂性，在研究与应用方面都面临着很多难题。为推动变电设备状态信息光纤/光学传感的发展，华北电力大学、湖北工业大学、重庆大学、西安交通大学、清华大学、武汉大学、哈尔滨理工大学、南京航空航天大学、厦门理工学院、上海交通大学、北京大学等单位的专家学者系统评述了包括基本电气量(电压/电流)、设备状态量(温度、湿度、压力、振动)、绝缘状态量(分解产物、局放)的光纤/光学感知原理与主要研究进展，对比讨论了不同监测方法的优缺点。并在此基础上，重点分析了现有技术尚未攻克的难点问题与发展趋势，期望对新型电力系统全息感知能力的提升提供参考。![]()
图1 基于光纤传感的变压器、GIS状态感知示意图
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图2 光纤/光学感知原理与主要研究进展
1、基本电气量传感
电场、磁场是电气设备状态监测中重要的电气参量。当变压器、GIS、输电线路等设备发生故障时，将会引起过电压、冲击电流、电场畸变、磁场畸变等现象。因此，对电网中的电场/电压、磁场/电流信号进行监测至关重要。电场、磁场测量对检测装置具有高精度、宽量程、宽时频域的检测需求。目前，对电场/电压、磁场/电流的检测主要采用电磁式电压互感器与电流互感器。然而，电磁式传感器测量频带较窄，设备体积大，且易受电磁干扰。近年来，国内外学者对新型光学电场、磁场传感器开展了许多研究，其中，基于电光效应的电场/电压传感器与基于法拉第磁光效应的磁场/电流传感器在未来电网中具有应用前景。
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图3 电光效应原理示意图
2、设备状态量传感
为准确感知变电设备运行状态，需要对设备温度、微水、压力及振动信号进行传感。变电设备的运行可靠性在很大程度上取决于其绝缘状态，而热老化是绝缘寿命的主要影响因素之一。变电设备在制造和现场安装过程中也可能出现导体接触不良等缺陷，导致接触电阻增加，局部温度过高，进而引发结构烧蚀甚至放电故障。因此，对变电设备的运行温度进行监测必不可少。用于变电设备运行温度监测的光纤温度传感技术可分为点式和分布式两大类。点式传感常采用荧光光纤传感器和FBG传感器；分布式传感则基于光纤中的拉曼散射、布里渊散射或瑞利散射，实现对温度的空间连续测量。![]()
图4 基于光纤传感的温度测量方法
变压器油中微水含量升高会导致变压器油的绝缘性能降低，引起局部放电、绝缘击穿等故障；还会导致金属部件的腐蚀，影响变压器的安全运行。GIS内SF6气体微水含量升高会造成气体绝缘耐压水平降低，引起局部放电、电弧放电等故障；还会形成氢氟酸(HF)等强腐蚀性和毒性物质，造成金属材料腐蚀。因此，对变压器油中微水含量以及GIS内SF6气体微水含量进行检测至关重要。而光纤湿度/微水传感器不受电磁干扰，体积较小，能够实现内置式检测，主要可分为基于微纳光纤倏逝场的的光纤湿度传感器、基于湿敏材料的光纤湿度/微水传感器。变压器油中气体积累、变压器油泄漏等过程往往伴随着变压器油压或套管压力的变化，变压器压力异常波动将导致绝缘水平下降，甚至引起套管爆炸。GIS内气体压力是反映SF6气体泄漏的重要标志。传统测量方法主要为机械式压力传感器和成本较高的高精度电容式压力传感器。近年来，许多学者针对低成本光纤压力传感器开展了大量研究，主要包含FBG压力传感器和F-P干涉压力传感器。变压器振动有两个主要来源：一是铁芯振动，来自于铁磁材料在周期变化磁场中的磁致伸缩作用及叠片间的吸引力；二是绕组振动，来自于通有变化电流的绕组在漏磁场中受到的周期性洛伦兹力。变压器内部出现绕组松动变形、垫块脱落、铁芯夹件松动等机械故障时振动信号将出现异常，结合故障诊断算法可由振动信号实现机械故障诊断。利用光纤光栅和分布式光纤传感系统能够实现变压器外置式及内置式振动传感。GIS振动一方面由导体和壳体因内部磁场耦合产生相互电应力作用引起，另一方面由开关操作引起。与变压器相比，GIS中基于机械故障智能诊断技术起步较晚。现有GIS振动检测与诊断的研究多是基于压电式加速度传感器，鲜见光纤传感技术的应用。光纤传感技术的抗干扰能力、多测点复用性能在GIS振动检测领域具有明显优势，未来也是很有前景的研究方向。![]()
图5 光纤微水、压力及振动传感器
3、绝缘状态量传感
气体分解产物及局部放电是两种重要的绝缘状态量，能够反映变电设备绝缘性能，预警绝缘劣化，避免故障发生。气体分解产物的光纤传感方法可分为本征测量和非本征测量方法，局部放电的光纤传感方法则主要可分为超声信号测量方法和放电光信号测量方法。
气体分解产物的本征测量可分为吸收光谱法、拉曼光谱技术和衰荡腔光谱技术。可调谐二极管激光吸收光谱法直接检测待测气体吸收引起的光强衰减，根据比尔-朗伯定律实现气体浓度的反演，分为直接吸收光谱法和波长调制光谱法。与吸收光谱技术不同，拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼光谱法的优点是无需对多组分混合气体进行预先分离，能对7种特征气体进行同时检测，能实现非接触式测量，且测量结果的重复性较高。衰荡腔光谱法的测量目标是光强衰减的速度，而非光强衰减值，从而避免了光源失稳造成的影响。脉冲激光在衰荡腔中发生多次反射，引起待测气体的吸收作用从而发生光强衰减，光强衰减到入射光强的1/e倍所需的衰荡时间τ通常与气体浓度有关，据此计算待测气体浓度信息。![]()
图6 基于本征测量的气体分解产物测量方法
气体分解产物的非本征测量方法可分为光纤光栅法、光声效应法和光热效应法。基于光纤布喇格光栅的氢气传感器已应用于氢气含量的检测和预警，FBG的基本原理是利用波长调制，由于光源输出功率、探测器失准、光纤弯折损耗和连接器损耗等因素造成的光强变化都不会对测量产生影响。波长调制利用不同的中心波长分布实现波分复用，可在同一根光纤上刻蚀多个FBG，达到准分布式测量和故障定位效果。光声光谱技术通过测量由气体分子因吸收特定波长激光而激发产生的声信号强度来反映气体浓度。光声光谱法因其具有灵敏度高、响应速度快等优势，被广泛应用于变压器油中溶解气体监测。光热光谱技术主要原理与光声光谱技术相似，是一种通过测量由气体分子因吸收特定波长激光而激发产生的温度信号强度来反映气体浓度的间接光谱方法。这为变压器油中溶解气体在线监测提供了新的思路。
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图7 基于非本征测量的气体分解产物测量方法
局部放电是电力装备绝缘劣化的重要征兆。通过感知局部放电衍射出的声、光、电、热等多元信息，实现绝缘缺陷的预警和诊断对于保障电力装备的运行可靠性意义重大。在诸多局部放电检测方法中，声学法具有抗电磁干扰能力强、操作简便的优势，在运维现场被广泛采用。光纤超声传感器具有全绝缘、抗电磁干扰能力强、复用性能好等优势，加之光纤结构的多样化以及日新月异的光电子技术为传感器的研制提供了创新空间，光纤超声传感器已成为突破传统技术瓶颈的重要方向。根据传感原理的不同，主要可分为无源光栅型、有源光栅型和光纤干涉型3大类。无源光栅型超声传感器是利用FBG在超声波作用下发生形变所引起的反射光中心波长变化来实现局放感知，常称为FBG超声传感器。有源光栅型超声传感器在一根掺铒/镱光纤中构造相移光栅结构，在外部泵浦光的激励下铒/镱离子在光栅结构中实现粒子数反转后形成受激辐射，反向输出一束激光，通过检测激光中心波长的变化情况即可反映超声信息。![]()
图8 基于光纤光栅的局部放电超声检测方法
光纤干涉型超声传感器的基本原理是：2束光分别在光纤中传输，发生干涉后，干涉光信号相位为原两束光相位之差。该相位差与光纤长度、应变状态等相关。当超声波作用于光纤上时，会引起干涉光相位发生变化。通过解调干涉光相位的变化情况即可获得超声信息。根据干涉结构的不同，可分为Michelson干涉、Sagnac干涉、Mach-Zehnder干涉和Fabry-Perot干涉4种。
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图9 光纤干涉仪结构
放电信号光测量技术以放电产生的光辐射信号作为检测对象，采用高灵敏度的光电转换芯片进行探测。光电倍增管是放电光信号测量的主要器件。现有研究中主要有以下3种测量方式：(1) 采用真空光电倍增管和硅光电倍增管对光信号直接检测。(2) 光电倍增管与光谱仪配合或光电倍增管与滤光片联合使用对放电光信号进行多光谱分析。(3) 使用荧光光纤测量放电光信号，在光纤末端使用光电倍增管进行光电转换。
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图10 放电光信号检测方法
近年来，变电设备状态信息光纤/光学传感发展迅速，得到了更加广泛的关注，应重点关注了以下几个重点问题。
1）增强传感器与变电设备的融合设计。传感器与变电设备的融合设计可以降低对变电设备内部场强的影响，消除绝缘风险。同时，应进一步增强产学研合作，在传感器性能稳定可靠后，由设备厂家主导开展安装融合研究，在变电设备设计阶段考虑如何将传感器融入其中，通过严格试验考核消除运维单位对光纤植入电气设备的顾虑。
2） 增强传感器抗环境干扰性能。光学传感器在变电设备内外的高温、高场强、高振动等多物理场复杂恶劣环境条件下工作，而光纤/光学设备易受温度、振动等物理量的影响。因此，需要研究针对环境干扰的降噪方法与传感器封装结构，确保传感器在各种恶劣环境条件下能够可靠工作。
3）提高传感器长期运行可靠性。目前光纤传感器虽然灵敏度较高，但工艺尚不稳定，一致性较低，长期运行可靠性低，需要进一步开展试验研究，建立长期性能考核平台，模拟变电设备真实运行工况，提高传感器可靠性。
4）提高多种参量传感器的融合程度。多种传感器具有类似的传感拓扑，进一步融合多种类型的传感器，共用光源、光电探测器等设备，降低成本，通过光路拓扑的优化可以有效提高多种参量传感器的兼容性。同时，多参量传感有利于解决光传感器交叉敏感问题，提高设备状态诊断准确性。
图11 变电设备光纤/光学传感的未来研究重点分析
1）光纤/光学传感具有绝缘性能好、抗电磁干扰、可分布式测量、测量精度高等优点，特别是能够对变电设备内部进行特征参量传感，及时掌握变电设备状态信息。
2）本文系统评述了基本电气量、设备状态量和绝缘状态量等状态信息的光纤/光学感知原理与主要研究进展，并对比讨论了不同监测方法的优缺点，指出了各种传感器需进一步解决的特性问题。
3）本文总结提出了变电设备领域光纤/光学传感未来的重点研究方向，指出了融合设计、抗干扰性能提升、长期可靠性增强、实现多传感融合等共性发展趋势。
马国明 , 王思涵 , 张晓星 , 等. 变电设备状态信息光纤/光学传感研究[J]. 高电压技术. 2024, 50(8): 3354-3386.
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马国明，男，华北电力大学教授，博士生导师，工学博士，新能源电力系统国家重点实验室先进传感实验室负责人，获批国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。担任Electrical Engineering（Springer）副主编，IEEE Trans. on Power Delivery，IEEE PES Letter，IEEE sensor Journal，IET Measurement，High Voltage，IET Science, Measurement & Technology等期刊编委。担任CIGRÉ D1/B3.57工作组和D1.60工作组中国代表，是IEEE P2991工作组副主席，IEEE P2426、P1862标准工作组秘书，IEEE P2828、P3148标准工作组成员。担任IEEE DEI Diagnostics Technical Committee委员，IEEE DEI Smart Grids Technical Committee委员，入选全球前2％顶尖科学家榜单。担任中国电工技术学会青年工作委员会副秘书长，首届中国电力企业联合会电力微型智能传感标准化技术委员会委员，中国电工技术学会电工测试专业委员会专委会委员，中国电工技术学会能源电力计量与智能感知技术及装备专业委员会委员，全国电力设备状态维修与在线监测标准化技术委员会专家工作组委员。获中国电力企业联合会电力科技创新奖一等奖（1/15）、中国电工技术学会科技进步奖一等奖（2/15）、中国光学工程学会科技创新奖一等奖（4/15），中国电力科学技术进步奖一等奖（6/15）、中国电工技术学会科技进步奖二等奖（1/10）、河北省科技进步奖二等奖（2/10）、北京市科技进步奖二等奖（4/10），广东省科技进步奖二等奖（7/10）等，入选中国科协“青年人才托举工程”，获评“霍英东教育基金会高等院校青年教师基金”，获2019年、2021年High Voltage Contribution Award，2018年“中国电力优秀青年工程师奖”。
责编：卫李静
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