基于PZT和FBG的多点电压传感系统

1.研究背景与意义

智能电网已被公认为电力系统改造与发展的核心方向。要实现电网智能化，首先需要持续监测电力系统中的诸多参数以保持对电网的可控性。电压作为确保系统安全高效运行的关键基础参数，其监测至关重要。要实现电力系统的整体电压控制与故障定位，全球电压监测的实现不可或缺。因此，未来需要在电网中建立包含密集传感节点阵列的电压监测网络。

目前市面上大多数非常规光学电压传感设备都只能进行单节点测量，且体积较大。光纤布拉格光栅（FBG）和钛酸锆铅（PZT）元件的多点电压传感系统可以在电网中实现准分布式阵列测量。通过光纤信号传输技术，在电网实时多点电压监测。

2.FBG布设

图1展示了基于压电陶瓷（PZT）和光纤布拉格光栅（FBG）的电压传感器结构示意图。传感器中使用的PZT陶瓷沿z轴方向极化。每个单元由两根相同的PZT陶瓷管粘合而成，三块铜板作为正负极置于两根PZT陶瓷管之间。反射式光纤布拉格光栅通过胶水沿z轴方向固定在上述PZT模块上。

在传感单元中，当外加电压引发压电陶瓷材料（PZT）变形后，光纤布拉格光栅（FBG）随即发生轴向形变。这种轴向形变会导致FBG中心波长偏移，通过FGI可以实时测量FBG的中心波长。实际上，光栅中心波长也会因温度变化而发生偏移。不过环境温度波动是一个缓慢的过程，温度效应可忽略不计。

图2展示了多点光学电压传感系统的应用示意图。各传感器分别安装在每条输电线的正下方，且通过光缆连接至FGI。电压信号由包含金属板和电容器的电压感应模块采集。

电压感应模块与传感器共同封装在金属屏蔽壳体内。FGI安装于控制室内，信号传输通过光纤完成。由此实现了非接触式电压测量、监测现场的无源信号传输以及信号传输过程中的高抗电磁干扰能力。

3.频率响应和电压响应

通过保持输出电压不变，频率在50Hz-20kHz不断增加来验证传感系统的有效响应频率范围。测试结果如图3所示。在此频率范围内，频率响应曲线仍存在波动现象，这些波动源于压电陶瓷材料的固有特性。

通过保持输出频率不变，不断增加输出电压来验证传感系统的有效电压响应范围。图4展示了50Hz正弦信号的电压响应测试结果。

在三个传感器中，每个传感单元使用的PZT元件和粘合剂均相同。因此，上述明显差异可能源于不同的光栅光谱，这会导致相同施加电压下产生不同的波动。根据图4所示，输入电压与FBG波动之间存在线性关系。

为进行波形对比，图5依次展示了传感系统对50Hz和1kHz正弦波及三角波的响应特性。输入波幅设定为3千伏。当沿极化方向施加电压时，PZT材料会产生拉伸或收缩形变。由于PZT材料中存在电畴结构，这些电畴的瞬时反转较为困难。这种现象在三角波测试结果的图5(3)和(4)峰值处清晰可见——在波形拐点附近，瞬时电压反转引发的过渡阶段会出现平滑过渡区域。

对四次结果进行傅里叶变换，可以得到频域分析结果。如图6所示。

可以看到FBG对施加电压都做出了很好的频率响应。

将三相高压ZB-100千伏安变压器作为输入信号源，三相电压比保持一致。各传感器的响应曲线如图7所示。测试结果显示，传感器输出与50Hz响应曲线数据完全吻合。实验数据表明，这三台传感器不仅能准确响应相同电压信号，还能有效应对不同输入信号。

为验证传感系统的故障检测性能，实验中采用三相变压器供电，当传感系统能检测到信号时，手动将其中一相变压器接地。随后根据需要将该相连接至试验场地的接地线，待接地操作完成后，立即恢复变压器正常运行状态。

在此过程中，系统输出的数据即作为单相接地测试的结果记录。测试结果如图8所示。除少数点外，传感器对接地相和正常相位变化都能及时响应。这证明了系统在单相接地故障中的有效性。

4. 讨论与展望

压电陶瓷元件（PZT）和光纤布拉格光栅（FBG）的多点电压传感系统在电网监测中可以多方位测量定点的电压幅值和频率。除此之外，传感系统也能第一时间对故障进行响应。在现有电网中与光缆（OPGW）结合使用时，具有显著的电压监测应用潜力。

此外，光纤布拉格光栅（FBG）和压电陶瓷（PZT）作为当前工业领域广泛应用的元件，其传感器具有成本低廉的优势，这为后续工业应用提供了有力支持。