电气设备先进光学传感技术研究进展

2018年3月，由中国电工技术学会主办国家自然科学基金委第五届电工学科青年学者学科前沿研讨会，在福州举办。会上华北电力大学马国明老师做了题为电气设备先进光学传感技术研究进展的报告，在征得作者同意后，本刊将报告整理发布，以飨读者。

个人简介

马国明，副教授，IEEE Senior member，入选中国科协“青年人才托举工程”，荣获“中国电力优秀青年工程师奖”，获“霍英东教育基金会高等院校青年教师基金”资助，入选华北电力大学首批优青培育计划。主要开展电气装备先进传感技术研究，作为第一负责人主持国家重点研发项目子课题、973子课题等国家级及省部级课题10余项。

作为CIGRE D1/B3.57工作组，D1.60工作组中国代表起草两项CIGRE技术报告，作为IEEE P2426标准工作组秘书长组织起草IEEE国际标准。共发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利20余项。坚持基础研究与服务国家重大需求并重，研究成果多次在我国特高压输电工程中得到了应用。研究成果“特高压GIS变电站特快速瞬态过电压防护关键技术及应用”获得2017年度中国电力科学技术进步奖一等奖。

前期工作- GIS设备特快速暂态过电压测量及应用

研究起步阶段主要开展了VFTO测量的研究工作

GIS隔离开关操作时，断口间隙多次放电会产生特快速瞬态过电压（VFTO），幅值高，频带宽，次数多； 特高压系统绝缘配合裕度偏低，VFTO威胁更加凸显； 若造成特高压变压器或GIS设备损坏，损失将超亿元。

只有掌握了实际波形才能采取针对性的抑制措施。

瓶颈问题：VFTO的测量是开展研究的先决条件。待测信号兼具电压高、频带宽、干扰强的特点，测量难度大，缺乏精密仪器。测量系统整体功能尚不完善，测量系统标准化标定未实现。

研究成果1：

历时7年，在陈维江院士的领导下、国家973计划和国家电网公司重点项目支持下，取得了系列创新成果。

1）提出了基于电磁场仿真与分布参数提取的传感器设计方法，解决了宽频传感中的尺度效应问题。

2）采用纳秒方波、长波尾脉冲及交直流试验相结合进行测量系统全频带幅频特性校验，确保了瞬态测量系统的宽频准确性。

研究成果2：

研制出系列传感器有套管末屏、预埋环、内置电极、介质窗等多种适用于不同设备及应用条件的VFTO测量传感器。

特高压、宽频带、抗干扰、长过程及多点同步的瞬态测量系统(10Hz-200MHz)。

研究成果3：

测量系统批量安装在特高压基地，历时3年开展5000多次暂态电压特性试验，全面掌握VFTO时空分布特性与影响因素。测量结果为特高压工程的仿真计算、绝缘配合设计奠定了坚实的数据基础。

成果转化：授权多项发明专利，实现了成果转化，作为产品组件批量预置于特高压GIS中。在四个特高压工程，九座特高压变电站开展了实测研究，掌握300余组第一手权威数据。

国内外影响：

1）成为国际大电网会议D1.60工作组“Traceable measurement techniques for very fast transients”的创始成员，主导项目组的讨论和技术报告编写。

2）IEEE P2426标准“Guide for Field Measurement of Fast-Front and Very Fast-FrontOvervoltages in Electric Power System”工作组secretary，组织编写国际标准。

3）CIGRE C4.306工作组专题报告用30页的篇幅引用推介了研究组的成果。

4）获得2017年度中国电力科学技术进步奖一等奖。

高电压测量及监测传感领域未来展望

高压大电流输变电装备结构复杂，电热力多场耦合作用下存在绝缘失效问题，只有实现了智能传感，才能在此基础上实现电气设备的预测分析与优化控制。

展望：传统研究已经非常充分，可挖掘提高的潜力小，实现行业突破的手段在行业之外。由于具备绝缘、无源、抗电磁干扰、大容量、高精度等优点，光学传感器是高压测量领域未来发展方向。

难点问题：其他学科对本领域问题缺乏理解，不能简单借用其他领域知识。

解决方案：以我为主，跨领域学习，引入其他领域的先进方法，广泛开展与多学科资深专家的合作，协同创新突破高电压传感与监测领域瓶颈问题。

先进光学传感技术研究——全光网输电线路光学传感系统

瓶颈问题：电子式输电线路监测系统——抗干扰能力差；系统结构复杂；寿命短；需要现场电源

新思路：

1.率先提出了多种全光输电线路监测传感器测量原理，融合时分-波分复用技术实现了远程分布式测量。

2.建立了粘结剂的粘弹体力学模型，同时提高了测量灵敏度和可靠性，通过有限体积仿真计算与风洞试验解决了微气象环境下风速传感难题。

3.基于材料力学应变分析与超精度加工研制多量程定制可调传感器，突破了量程与测量灵敏度之间的固有矛盾。

4.研制成功了针对温度，湿度，拉力，倾角，风速，风向，污秽，7种特征量的系列光学传感器。

5.在IEEE Trans. on Power Delivery和光学权威期刊Photonics Technology Letters发表SCI收录论文5篇，授权发明专利6项。

同行评价：国际结构健康状况智能监测委员会主席，德国联邦材料与监测研究院Wolfgang Habel教授在Springer出版社出版的专著Electric Power Stations and Transmission Networks中，评价我们所研制的拉力和倾角传感器是新型传感器，可以直接测量导线覆冰，并可以获得可靠的的应变和角度数据。（“New systems use fibre-optic strain sensor chains and tilt sensors that can directly be attached to the conductor and provide reliable strain and tilt data from the HV conductor”）。

研究成果：解决了现有电子式测量系统结构复杂、需要现场电源、抗电磁干扰能力弱、长期稳定性差等难题。入选国家电网公司科技项目推广目录。在广东、贵州、四川、内蒙古等多地得到了推广使用，实现了输电线路状态的智能诊断。

先进光学传感技术研究——变压器油中溶解气体光学传感

变压器是最重要的输变电装备，油中溶解气体检测是其主要状态监测手段，但现有油中溶解气体检测仍存在一些不足。

瓶颈问题： 需要脱气，消耗载气；需要多气体分离，色谱柱存在老化、污染、饱和等问题；化学传感器易老化，需要定期校准或更换，可靠性差；灵敏度及精度不够高；易受电磁干扰影响

研究成果1：提出并研制了光纤光栅油中溶解氢气传感器，可以直接放入油中，不需要载气标气，响应时间短。传统FBG氢气传感器迟滞较大，采用磁控溅射和金属掺杂方法制备传感器，消除了传感器迟滞。

研究成果2：提出FBG侧抛方案，与微尺度精密加工专家合作研制了光纤微结构加工设备，改变微米尺度光纤的物理结构及惯性矩实现了FBG氢气传感器增敏，分辨率达到μL/L级，领先国际同行。

研究成果3：传统FBG氢浓度传感器高氢气浓度下存在钯脱落问题，与材料专家合作，提出预先涂覆聚酰亚胺的制备工艺，在确保高灵敏度的同时保证了测量传感器的可靠性。

研究成果4： 所研制出的传感器具有灵敏度好、线性度高、迟滞小、可靠性强等优点。解决了现有氢气测量需要油气分离，响应时间长，需要更换载气、标气及色谱柱老化等难题。

发表SCI论文7篇，包括气体传感领域TOP期刊、SCI一区期刊Sensors and Actuators, B: Chemical，Scientific Report等。实现现场应用，对220kV变压器溶解氢气进行在线监测。

同行评价：仪器科学与技术领域权威专家，长江学者杰青赵勇教授在SCI一区TOP期刊Sensors and Actuators B:Chemical上发表的文章高度评价了本研究成果，认为本研究充分证实了用光纤光栅传感器可以很好的进行变压器故障检测(demonstrated that the FBG-based hydrogen sensor could be well used for fault detection of power transformer oil)。

洪堡学者Minghong YANG教授，多次引用本成果，在传感领域权威期刊Sensors发表的综述文章中高度评价了我们的成果，认为极大提高了钯基氢气传感器灵敏度 (the sensitivity of Pd-based hydrogen sensors [28,32–34]was greatly increased)，在检测下限与灵敏度方面都领先国际同行。