2018年3月，由中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)主辦國(guó)家自然科學(xué)基金委第五屆電工學(xué)科青年學(xué)者學(xué)科前沿研討會(huì)，在福州舉辦。會(huì)上華北電力大學(xué)馬國(guó)明老師做了題為電氣設(shè)備先進(jìn)光學(xué)傳感技術(shù)研究進(jìn)展的報(bào)告，在征得作者同意后，本刊將報(bào)告整理發(fā)布，以饗讀者。

個(gè)人簡(jiǎn)介

馬國(guó)明，副教授，IEEE Senior member，入選中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”，榮獲“中國(guó)電力優(yōu)秀青年工程師獎(jiǎng)”，獲“霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金”資助，入選華北電力大學(xué)首批優(yōu)青培育計(jì)劃。主要開(kāi)展電氣裝備先進(jìn)傳感技術(shù)研究，作為第一負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目子課題、973子課題等國(guó)家級(jí)及省部級(jí)課題10余項(xiàng)。

作為CIGRE D1/B3.57工作組，D1.60工作組中國(guó)代表起草兩項(xiàng)CIGRE技術(shù)報(bào)告，作為IEEE P2426標(biāo)準(zhǔn)工作組秘書(shū)長(zhǎng)組織起草IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。共發(fā)表SCI論文30余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)。堅(jiān)持基礎(chǔ)研究與服務(wù)國(guó)家重大需求并重，研究成果多次在我國(guó)特高壓輸電工程中得到了應(yīng)用。研究成果“特高壓GIS變電站特快速瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得2017年度中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

前期工作- GIS設(shè)備特快速暫態(tài)過(guò)電壓測(cè)量及應(yīng)用

研究起步階段主要開(kāi)展了VFTO測(cè)量的研究工作

GIS隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)，斷口間隙多次放電會(huì)產(chǎn)生特快速瞬態(tài)過(guò)電壓（VFTO），幅值高，頻帶寬，次數(shù)多； 特高壓系統(tǒng)絕緣配合裕度偏低，VFTO威脅更加凸顯； 若造成特高壓變壓器或GIS設(shè)備損壞，損失將超億元。

只有掌握了實(shí)際波形才能采取針對(duì)性的抑制措施。

瓶頸問(wèn)題：VFTO的測(cè)量是開(kāi)展研究的先決條件。待測(cè)信號(hào)兼具電壓高、頻帶寬、干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，測(cè)量難度大，缺乏精密儀器。測(cè)量系統(tǒng)整體功能尚不完善，測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定未實(shí)現(xiàn)。

研究成果1：

歷時(shí)7年，在陳維江院士的領(lǐng)導(dǎo)下、國(guó)家973計(jì)劃和國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，取得了系列創(chuàng)新成果。

1）提出了基于電磁場(chǎng)仿真與分布參數(shù)提取的傳感器設(shè)計(jì)方法，解決了寬頻傳感中的尺度效應(yīng)問(wèn)題。

2）采用納秒方波、長(zhǎng)波尾脈沖及交直流試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)全頻帶幅頻特性校驗(yàn)，確保了瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的寬頻準(zhǔn)確性。

研究成果2：

研制出系列傳感器有套管末屏、預(yù)埋環(huán)、內(nèi)置電極、介質(zhì)窗等多種適用于不同設(shè)備及應(yīng)用條件的VFTO測(cè)量傳感器。

特高壓、寬頻帶、抗干擾、長(zhǎng)過(guò)程及多點(diǎn)同步的瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(10Hz-200MHz)。

研究成果3：

測(cè)量系統(tǒng)批量安裝在特高壓基地，歷時(shí)3年開(kāi)展5000多次暫態(tài)電壓特性試驗(yàn)，全面掌握VFTO時(shí)空分布特性與影響因素。測(cè)量結(jié)果為特高壓工程的仿真計(jì)算、絕緣配合設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

成果轉(zhuǎn)化：授權(quán)多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，作為產(chǎn)品組件批量預(yù)置于特高壓GIS中。在四個(gè)特高壓工程，九座特高壓變電站開(kāi)展了實(shí)測(cè)研究，掌握300余組第一手權(quán)威數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)外影響：

1）成為國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議D1.60工作組“Traceable measurement techniques for very fast transients”的創(chuàng)始成員，主導(dǎo)項(xiàng)目組的討論和技術(shù)報(bào)告編寫(xiě)。

2）IEEE P2426標(biāo)準(zhǔn)“Guide for Field Measurement of Fast-Front and Very Fast-FrontOvervoltages in Electric Power System”工作組secretary，組織編寫(xiě)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

3）CIGRE C4.306工作組專(zhuān)題報(bào)告用30頁(yè)的篇幅引用推介了研究組的成果。

4）獲得2017年度中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

高電壓測(cè)量及監(jiān)測(cè)傳感領(lǐng)域未來(lái)展望

高壓大電流輸變電裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電熱力多場(chǎng)耦合作用下存在絕緣失效問(wèn)題，只有實(shí)現(xiàn)了智能傳感，才能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的預(yù)測(cè)分析與優(yōu)化控制。

展望：傳統(tǒng)研究已經(jīng)非常充分，可挖掘提高的潛力小，實(shí)現(xiàn)行業(yè)突破的手段在行業(yè)之外。由于具備絕緣、無(wú)源、抗電磁干擾、大容量、高精度等優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)傳感器是高壓測(cè)量領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向。

難點(diǎn)問(wèn)題：其他學(xué)科對(duì)本領(lǐng)域問(wèn)題缺乏理解，不能簡(jiǎn)單借用其他領(lǐng)域知識(shí)。

解決方案：以我為主，跨領(lǐng)域?qū)W習(xí)，引入其他領(lǐng)域的先進(jìn)方法，廣泛開(kāi)展與多學(xué)科資深專(zhuān)家的合作，協(xié)同創(chuàng)新突破高電壓傳感與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域瓶頸問(wèn)題。

先進(jìn)光學(xué)傳感技術(shù)研究——全光網(wǎng)輸電線路光學(xué)傳感系統(tǒng)

瓶頸問(wèn)題：電子式輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——抗干擾能力差；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壽命短；需要現(xiàn)場(chǎng)電源

新思路：

1.率先提出了多種全光輸電線路監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)量原理，融合時(shí)分-波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程分布式測(cè)量。

2.建立了粘結(jié)劑的粘彈體力學(xué)模型，同時(shí)提高了測(cè)量靈敏度和可靠性，通過(guò)有限體積仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)解決了微氣象環(huán)境下風(fēng)速傳感難題。

3.基于材料力學(xué)應(yīng)變分析與超精度加工研制多量程定制可調(diào)傳感器，突破了量程與測(cè)量靈敏度之間的固有矛盾。

4.研制成功了針對(duì)溫度，濕度，拉力，傾角，風(fēng)速，風(fēng)向，污穢，7種特征量的系列光學(xué)傳感器。

5.在IEEE Trans. on Power Delivery和光學(xué)權(quán)威期刊Photonics Technology Letters發(fā)表SCI收錄論文5篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。

同行評(píng)價(jià)：國(guó)際結(jié)構(gòu)健康狀況智能監(jiān)測(cè)委員會(huì)主席，德國(guó)聯(lián)邦材料與監(jiān)測(cè)研究院Wolfgang Habel教授在Springer出版社出版的專(zhuān)著Electric Power Stations and Transmission Networks中，評(píng)價(jià)我們所研制的拉力和傾角傳感器是新型傳感器，可以直接測(cè)量導(dǎo)線覆冰，并可以獲得可靠的的應(yīng)變和角度數(shù)據(jù)。（“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：解決了現(xiàn)有電子式測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要現(xiàn)場(chǎng)電源、抗電磁干擾能力弱、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等難題。入選國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目推廣目錄。在廣東、貴州、四川、內(nèi)蒙古等多地得到了推廣使用，實(shí)現(xiàn)了輸電線路狀態(tài)的智能診斷。

先進(jìn)光學(xué)傳感技術(shù)研究——變壓器油中溶解氣體光學(xué)傳感

變壓器是最重要的輸變電裝備，油中溶解氣體檢測(cè)是其主要狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，但現(xiàn)有油中溶解氣體檢測(cè)仍存在一些不足。

瓶頸問(wèn)題： 需要脫氣，消耗載氣；需要多氣體分離，色譜柱存在老化、污染、飽和等問(wèn)題；化學(xué)傳感器易老化，需要定期校準(zhǔn)或更換，可靠性差；靈敏度及精度不夠高；易受電磁干擾影響

研究成果1：提出并研制了光纖光柵油中溶解氫氣傳感器，可以直接放入油中，不需要載氣標(biāo)氣，響應(yīng)時(shí)間短。傳統(tǒng)FBG氫氣傳感器遲滯較大，采用磁控濺射和金屬摻雜方法制備傳感器，消除了傳感器遲滯。

研究成果2：提出FBG側(cè)拋方案，與微尺度精密加工專(zhuān)家合作研制了光纖微結(jié)構(gòu)加工設(shè)備，改變微米尺度光纖的物理結(jié)構(gòu)及慣性矩實(shí)現(xiàn)了FBG氫氣傳感器增敏，分辨率達(dá)到μL/L級(jí)，領(lǐng)先國(guó)際同行。

研究成果3：傳統(tǒng)FBG氫濃度傳感器高氫氣濃度下存在鈀脫落問(wèn)題，與材料專(zhuān)家合作，提出預(yù)先涂覆聚酰亞胺的制備工藝，在確保高靈敏度的同時(shí)保證了測(cè)量傳感器的可靠性。

研究成果4： 所研制出的傳感器具有靈敏度好、線性度高、遲滯小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。解決了現(xiàn)有氫氣測(cè)量需要油氣分離，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，需要更換載氣、標(biāo)氣及色譜柱老化等難題。

發(fā)表SCI論文7篇，包括氣體傳感領(lǐng)域TOP期刊、SCI一區(qū)期刊Sensors and Actuators, B: Chemical，Scientific Report等。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)220kV變壓器溶解氫氣進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

同行評(píng)價(jià)：儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威專(zhuān)家，長(zhǎng)江學(xué)者杰青趙勇教授在SCI一區(qū)TOP期刊Sensors and Actuators B:Chemical上發(fā)表的文章高度評(píng)價(jià)了本研究成果，認(rèn)為本研究充分證實(shí)了用光纖光柵傳感器可以很好的進(jìn)行變壓器故障檢測(cè)(demonstrated that the FBG-based hydrogen sensor could be well used for fault detection of power transformer oil)。

洪堡學(xué)者M(jìn)inghong YANG教授，多次引用本成果，在傳感領(lǐng)域權(quán)威期刊Sensors發(fā)表的綜述文章中高度評(píng)價(jià)了我們的成果，認(rèn)為極大提高了鈀基氫氣傳感器靈敏度 (the sensitivity of Pd-based hydrogen sensors [28,32–34]was greatly increased)，在檢測(cè)下限與靈敏度方面都領(lǐng)先國(guó)際同行。