2018年3月，由中國電工技術學會主辦國家自然科學基金委第五屆電工學科青年學者學科前沿研討會，在福州舉辦。會上華北電力大學馬國明老師做了題為電氣設備先進光學傳感技術研究進展的報告，在征得作者同意后，本刊將報告整理發(fā)布，以饗讀者。

個人簡介

馬國明，副教授，IEEE Senior member，入選中國科協(xié)“青年人才托舉工程”，榮獲“中國電力優(yōu)秀青年工程師獎”，獲“霍英東教育基金會高等院校青年教師基金”資助，入選華北電力大學首批優(yōu)青培育計劃。主要開展電氣裝備先進傳感技術研究，作為第一負責人主持國家重點研發(fā)項目子課題、973子課題等國家級及省部級課題10余項。

作為CIGRE D1/B3.57工作組，D1.60工作組中國代表起草兩項CIGRE技術報告，作為IEEE P2426標準工作組秘書長組織起草IEEE國際標準。共發(fā)表SCI論文30余篇，授權國家發(fā)明專利20余項。堅持基礎研究與服務國家重大需求并重，研究成果多次在我國特高壓輸電工程中得到了應用。研究成果“特高壓GIS變電站特快速瞬態(tài)過電壓防護關鍵技術及應用”獲得2017年度中國電力科學技術進步獎一等獎。

前期工作- GIS設備特快速暫態(tài)過電壓測量及應用

研究起步階段主要開展了VFTO測量的研究工作

GIS隔離開關操作時，斷口間隙多次放電會產生特快速瞬態(tài)過電壓（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設備損壞，損失將超億元。

只有掌握了實際波形才能采取針對性的抑制措施。

瓶頸問題：VFTO的測量是開展研究的先決條件。待測信號兼具電壓高、頻帶寬、干擾強的特點，測量難度大，缺乏精密儀器。測量系統(tǒng)整體功能尚不完善，測量系統(tǒng)標準化標定未實現(xiàn)。

研究成果1：

歷時7年，在陳維江院士的領導下、國家973計劃和國家電網公司重點項目支持下，取得了系列創(chuàng)新成果。

1）提出了基于電磁場仿真與分布參數(shù)提取的傳感器設計方法，解決了寬頻傳感中的尺度效應問題。

2）采用納秒方波、長波尾脈沖及交直流試驗相結合進行測量系統(tǒng)全頻帶幅頻特性校驗，確保了瞬態(tài)測量系統(tǒng)的寬頻準確性。

研究成果2：

研制出系列傳感器有套管末屏、預埋環(huán)、內置電極、介質窗等多種適用于不同設備及應用條件的VFTO測量傳感器。

特高壓、寬頻帶、抗干擾、長過程及多點同步的瞬態(tài)測量系統(tǒng)(10Hz-200MHz)。

研究成果3：

測量系統(tǒng)批量安裝在特高壓基地，歷時3年開展5000多次暫態(tài)電壓特性試驗，全面掌握VFTO時空分布特性與影響因素。測量結果為特高壓工程的仿真計算、絕緣配合設計奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎。

成果轉化：授權多項發(fā)明專利，實現(xiàn)了成果轉化，作為產品組件批量預置于特高壓GIS中。在四個特高壓工程，九座特高壓變電站開展了實測研究，掌握300余組第一手權威數(shù)據(jù)。

國內外影響：

1）成為國際大電網會議D1.60工作組“Traceable measurement techniques for very fast transients”的創(chuàng)始成員，主導項目組的討論和技術報告編寫。

2）IEEE P2426標準“Guide for Field Measurement of Fast-Front and Very Fast-FrontOvervoltages in Electric Power System”工作組secretary，組織編寫國際標準。

3）CIGRE C4.306工作組專題報告用30頁的篇幅引用推介了研究組的成果。

4）獲得2017年度中國電力科學技術進步獎一等獎。

高電壓測量及監(jiān)測傳感領域未來展望

高壓大電流輸變電裝備結構復雜，電熱力多場耦合作用下存在絕緣失效問題，只有實現(xiàn)了智能傳感，才能在此基礎上實現(xiàn)電氣設備的預測分析與優(yōu)化控制。

展望：傳統(tǒng)研究已經非常充分，可挖掘提高的潛力小，實現(xiàn)行業(yè)突破的手段在行業(yè)之外。由于具備絕緣、無源、抗電磁干擾、大容量、高精度等優(yōu)點，光學傳感器是高壓測量領域未來發(fā)展方向。

難點問題：其他學科對本領域問題缺乏理解，不能簡單借用其他領域知識。

解決方案：以我為主，跨領域學習，引入其他領域的先進方法，廣泛開展與多學科資深專家的合作，協(xié)同創(chuàng)新突破高電壓傳感與監(jiān)測領域瓶頸問題。

先進光學傳感技術研究——全光網輸電線路光學傳感系統(tǒng)

瓶頸問題：電子式輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)——抗干擾能力差；系統(tǒng)結構復雜；壽命短；需要現(xiàn)場電源

新思路：

1.率先提出了多種全光輸電線路監(jiān)測傳感器測量原理，融合時分-波分復用技術實現(xiàn)了遠程分布式測量。

2.建立了粘結劑的粘彈體力學模型，同時提高了測量靈敏度和可靠性，通過有限體積仿真計算與風洞試驗解決了微氣象環(huán)境下風速傳感難題。

3.基于材料力學應變分析與超精度加工研制多量程定制可調傳感器，突破了量程與測量靈敏度之間的固有矛盾。

4.研制成功了針對溫度，濕度，拉力，傾角，風速，風向，污穢，7種特征量的系列光學傳感器。

5.在IEEE Trans. on Power Delivery和光學權威期刊Photonics Technology Letters發(fā)表SCI收錄論文5篇，授權發(fā)明專利6項。

同行評價：國際結構健康狀況智能監(jiān)測委員會主席，德國聯(lián)邦材料與監(jiān)測研究院Wolfgang Habel教授在Springer出版社出版的專著Electric Power Stations and Transmission Networks中，評價我們所研制的拉力和傾角傳感器是新型傳感器，可以直接測量導線覆冰，并可以獲得可靠的的應變和角度數(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)有電子式測量系統(tǒng)結構復雜、需要現(xiàn)場電源、抗電磁干擾能力弱、長期穩(wěn)定性差等難題。入選國家電網公司科技項目推廣目錄。在廣東、貴州、四川、內蒙古等多地得到了推廣使用，實現(xiàn)了輸電線路狀態(tài)的智能診斷。

先進光學傳感技術研究——變壓器油中溶解氣體光學傳感

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

瓶頸問題： 需要脫氣，消耗載氣；需要多氣體分離，色譜柱存在老化、污染、飽和等問題；化學傳感器易老化，需要定期校準或更換，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，不需要載氣標氣，響應時間短。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側拋方案，與微尺度精密加工專家合作研制了光纖微結構加工設備，改變微米尺度光纖的物理結構及慣性矩實現(xiàn)了FBG氫氣傳感器增敏，分辨率達到μL/L級，領先國際同行。

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題，與材料專家合作，提出預先涂覆聚酰亞胺的制備工藝，在確保高靈敏度的同時保證了測量傳感器的可靠性。

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、可靠性強等優(yōu)點。解決了現(xiàn)有氫氣測量需要油氣分離，響應時間長，需要更換載氣、標氣及色譜柱老化等難題。

發(fā)表SCI論文7篇，包括氣體傳感領域TOP期刊、SCI一區(qū)期刊Sensors and Actuators, B: Chemical，Scientific Report等。實現(xiàn)現(xiàn)場應用，對220kV變壓器溶解氫氣進行在線監(jiān)測。

同行評價：儀器科學與技術領域權威專家，長江學者杰青趙勇教授在SCI一區(qū)TOP期刊Sensors and Actuators B:Chemical上發(fā)表的文章高度評價了本研究成果，認為本研究充分證實了用光纖光柵傳感器可以很好的進行變壓器故障檢測(demonstrated that the FBG-based hydrogen sensor could be well used for fault detection of power transformer oil)。

洪堡學者Minghong YANG教授，多次引用本成果，在傳感領域權威期刊Sensors發(fā)表的綜述文章中高度評價了我們的成果，認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)，在檢測下限與靈敏度方面都領先國際同行。