特高压环境下高灵敏度分布式光纤电流传感技术研究

At present, in order to solve the uneven distribution problems of energy and electricity load, China develop long-range, high-capacity ultra-high voltage transmission lines. The safe operation of power grids significantly requests for real-time monitoring of current, so the insulation level, the measurement range of sensor is put forward higher requirements, and it need distributed features. Therefore, based on magnetic field detecting, the project proposes a distributed highly sensitive fiber-optic current sensors under ultra-high voltage environment combined with magnetic fluid and tapered fiber grating..Through establishing the optical sensing model of tapered fiber grating, to study and optimize the sensing properties of the tapered fiber grating; through studying the cross sensitivities among the three fields of magnetic field, electric field and temperature field based on the view of micro and macro point, to eliminate coupling effect of temperature and electric field; through studying the current sensing technology combined of magnetic fluid and a tapered fiber grating, to design a current sensor with proper structure and achieve highly sensitive, compact, and distributed current sensor with the compensations of temperature and electric field; to build the experimental system to study and optimize current sensing feature of the current sensor under three fields of magnetic field, electric field and temperature. Ultimately it provides a novel sensing method of current and magnetic field under ultra-high voltage environment. The project based on electromagnetics, optics, sensitive materials and sensing technology, is obviously interdisciplinary.

目前我国为解决能源及用电负荷分布不均衡的问题，大力发展远距离、大容量的特高压输电技术。为保证电网可靠运行，电流检测是关键环节之一，要求电流传感器具有高绝缘等级、大测量范围及可分布式的特点。为此，结合磁流体的磁光特性和锥形光纤光栅的高灵敏度特点，本项目提出一种基于磁场检测方式的高灵敏度分布式光纤电流传感器。建立锥形光纤光栅的光学传感模型，研究及优化其传感特性；从微观和宏观角度，研究传感器的磁场、电场和温度等交叉敏感的问题，消除温度、电场等影响；研究基于磁流体和锥形光纤光栅相结合的电流传感技术，设计合理的结构，实现高灵敏度、小型化、分布式且具有温度及电场补偿的电流传感器；搭建实验系统，研究及优化电流传感器在电场和温度等干扰因素下的电流测量性能。最终为特高压输电环境下的电流测量提供一种高灵敏度分布式的新颖可靠的解决途径，本项目是基于电磁学、光学、敏感材料和检测技术，具有明显学科交叉性。

目前我国为解决能源及用电负荷分布不均衡的问题，大力发展远距离、大容量的特高压输电技术。为保证电网可靠运行，电流检测是关键环节之一，要求电流传感器具有高绝缘等级、大测量范围及可分布式的特点。为此，结合磁流体的磁光特性和锥形光纤光栅的高灵敏度特点，本项目提出一种基于磁场检测方式的高灵敏度分布式光纤电流传感器。理论建立了锥形光纤光栅的光学传感模型，研究及优化了其传感特性，虽然高温退火加熔融拉制的方法并不能实现本项目拟需求的锥形光纤光栅，但随之深入研究了光纤光栅热退火再生的技术，再生后的光栅能够长时间承受1000℃的高温环境；从微观和宏观角度，研究了传感器的磁场、电场和温度等敏感特性的问题，采取一定措施合理降低了温度、电场等影响，随着研究不断改进光学特性测量结构，如基于熔融封装的低温票系数、液体可填充、腔长可控精度高、灵活性高的非本征F-P结构的实现，将温度对测量结构的影响降低到4.7pm/℃，延长了测量结构的使用寿命，提供了更稳定光学特性研究平台；研究了基于磁流体和多种光纤传感结构相结合的电流传感技术，设计合理的填充方式，实现高灵敏度（绝对值最高可达4.49nm/Gs）、小型化、可分布式的电流传感器，为后续多种传感形式耦合实现大测量范围、高精度的磁场传感提供丰富的理论和实验基础；同时随着研究的推进，还对磁场传感器的方向性进行了探索，初步研究了基于磁流体的光纤矢量磁场传感器的可行性，目前已设计并搭建了研究所需的三维磁场实验装置，实验研究获得了传感器不同方向的磁场响应特性。这都为特高压输电环境下的电流测量提供了一种新颖的解决途径，本项目涉及到电磁学、光学、敏感材料、检测技术、电子及计算机技术，具有明显学科交叉性。