光纤传感器在电气设备故障监测中的应用

引言

在现代社会，电力作为关键能源，其稳定供应与人们的生产生活息息相关。电气设备作为电力系统的核心组成部分，长期处于高电压、大电流的复杂运行环境中，容易出现过热、绝缘老化、机械损伤等故障。一旦设备故障未能及时发现和处理，可能引发大规模停电事故，甚至造成严重的经济损失和安全隐患。

一、光纤传感器在电气设备故障监测中的应用

1.1 温度监测

电气设备运行时因电流热效应等会产生热量，温度异常预示故障风险。光纤传感器用于温度监测时，分布式光纤温度传感器是关键技术。其基于光纤后向拉曼散射效应，激光在光纤中传输产生拉曼散射光，温度与斯托克斯光和反斯托克斯光强度比呈线性关系。通过测量光强比变化，可精确获取光纤沿线温度分布，定位热点区域。

1.2 应力监测

机械力、热力等作用下，运行多年电气设备的结构完整性被破坏。可以将光纤布拉格光栅(FBG)传感器用于应力检测中。光纤受到应力影响时，光栅周期变化，有效折射率发生变化，反射光中心波长漂移，通过中心波长漂移可以得知设备应力的大小及变化。在变压器绕组、高压绝缘子等应力检测时，可以在设备机械振动、温度变化应力突变时，及时发现其异常，防止其由于应力过大出现设备的结构破坏。

1.3 湿度监测

环境中的湿气直接影响电气装置绝缘性能，湿度过大会导致电气绝缘缺陷问题。利用基于光纤倏逝波原理的湿度传感器来实现湿度检测。传感器表面涂覆吸湿材料，当吸湿之后会发生反射率材料折射率的改变，从而使光纤的光的倏逝特性改变，导致光强或者相位的改变，就可以实现湿度的测量。

1.4 电流监测

电磁式电流互感器受高压、强电磁场的影响大，光纤电流传感器产生于此背景下。利用磁光效应的法拉第效应，通过电流激发传感光纤产生的磁场对经过传感光纤的偏振光产生旋转，其旋转角度与流过的电流成正比，通过对偏振光的旋转角度的探测便可得到电流值。

二、光纤传感器在电气设备故障监测中存在的问题

2.1 信号干扰问题

由于复杂运行环境的存在，在各种信号干扰当中，电磁干扰是电气设备主要面临的威胁。电气设备运行会产生强电磁场，虽然光纤自身具备抗电磁干扰的能力，但传感器的光电转换模块、信号处理电路等，都会受到影响而产生电磁干扰，从而使信号失真。环境光干扰也是威胁，外部自然环境的自然光或者是由于电气设备运行所引起强大的光，可与光纤耦合导致光信号的强度和频谱特征发生改变，干扰有效监测信号。

2.2 测量精度问题

光纤传感器的检测精度存在许多影响因素。光纤的双折射将带来偏振态的改变，造成其测量的误差。在光纤传感器光波从较长一段距离传输，或其所处的复杂应力环境都将引起光纤内部双折射特性的不均匀性，带来光信号相位漂移，降低测量精度；光纤传感器测量的精度受到温度的影响。光纤的折射率以及光纤光栅周期等都会随着温度的改变而改变，没有对应的温度补偿，将会产生较大的测量误差。

2.3 系统稳定性问题

光源稳定、光纤连接稳定、抗干扰能力强是光纤传感系统稳定运行的基本要求。其中，光源的稳定性极为关键，光源功率与波长的波动会显著影响传输信号品质，从而影响监测系统稳定性；光纤连接的可靠性必不可少，光纤熔接工艺、光纤连接器连接等环节松动或不牢靠，会增大信号传输过程中损耗或导致信号完全丢失；在长时间运行过程中，一些不可控的客观因素，例如湿度大、腐蚀严重等，在一定程度上会使光纤及传感元件产生不稳定性。

2.4 成本问题

光纤传感器及相关系统造价高，制约其广泛使用。一是从硬件来讲，光纤传感器本身生产工艺复杂，对材料和加工精度要求高，使得传感部件在制造上的成本较高。如生产高精度的光纤布拉格光栅传感器、干涉型光纤传感器需要用到先进的光刻、刻蚀等工艺，设备投入及技术门槛高，生产成本相应偏高。配套使用的光源、解调仪、信号处理设备等昂贵，增加了光纤传感器系统的成本。

三、解决光纤传感器在电气设备故障监测中问题的措施

3.1 抗干扰措施

为了有效地抑制外界环境对光纤传感器信号的干扰，可以从硬件和软件算法两个方面加以考虑，硬件方面采用金属铠装光缆以及电磁屏蔽套管，使光纤传感器与外界的强电磁环境相分离，削弱强电磁环境对光纤传感器的电磁干扰，采用光隔离器和光滤波器对光信号传输进行设计，减弱环境光的干扰，保证光信号的纯净性，另一方面利用自适应滤波算法、小波去噪算法等对光信号进行数字信号处理，对采集到的光信号进行滤波降噪，提取真实的有效信息，提高监测数据的有效性。

3.2 提高测量精度的方法

提高测量精度需要综合环境因素和传感器本身的因素进行提高。对于温度对光纤传感器测量精度的影响，采取温度补偿方法进行补偿，即在光纤传感器附近布置温度传感器，测量环境的温度，将温度值传入算法进行补偿；定期对光纤传感器校准，建立传感器校准曲线，根据校准曲线校正测量数据，消除传感器老化、漂移等因素的影响。针对传感器进行考虑，使用高精度、稳定性好的光纤传感器，如新型材料和生产技术的光纤布拉格光栅传感器，从源头提高测量精度。

3.3 增强系统稳定性的策略

系统稳定运行的关键有光源、光纤的连接和信号的传输等。就光源来说，采用稳定的激光光源，加装恒温控制电路，尽量减小光源由于温度变化引起的光强变化，定期检查和维护光源，将性能降低的光源器件更换掉，使用高质量光纤耦合器和熔接器，以获得低损耗、高性能的光纤连接；定期检查光纤连接点，检查光纤连接点松动、氧化等情况，防止光纤连接点影响信号的传输。

3.4 降低成本的途径

电气设备故障诊断检测领域内光纤传感器的利用，需从科技创新和系统优化两个方面降低其利用成本。在科技创新层面，积极发展具有自身特色的光纤传感器产品，减少对进口传感器的依赖，通过大批量生产和技术创新实现传感器低成本；对集成小型化光纤传感系统进行研发，实现多种功能模块在同一个芯片或器件中的集中，减少光纤传感系统占用空间和系统复杂度，降低系统生产成本。

结语

光纤传感器凭借独特技术优势，在电气设备温度、应力、湿度等多参数监测中发挥关键作用，为故障早期预警提供有效手段。尽管当前面临信号干扰、成本高昂等挑战，但通过技术创新与优化策略可逐步解决。随着材料科学与光电技术发展，光纤传感器有望在电力系统智能化运维中实现更广泛应用，为电气设备安全稳定运行筑牢监测防线。

参考文献

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