光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
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除此之外，光纤微振动传感器在大型变压器和 发电设备的振动监测中得到应用；光纤角速度传感 器在电力机器人的导航领域得到应用；还有管道应 变、弯曲监测、液体或气体泄露等等领域都有光纤 传感器的用武之地。 总之，光纤传感器可以测量的 信号有电压、电流、电场、磁场、应力、温度、速度、流 量、声波、超声波、气体或液体的浓度、酸碱度等。 在 电力系统的应用远远不止以上列举的这几个例子， 而且相信在不远的将来会有更多的应用。
测内容，利用光纤传感器可以实现远距离、多点实 时监控。 其原理是利用不同的待监测气体在光的不 同波长区域的特征吸收谱线，采用吸收光谱法进行 气体浓度监测。 其特点是全光纤结构、损耗低、易于 实现长距离多点探测，本身不发热，无电、无火，这 种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问 题；测量的动态范围大，可以有效的起到预警的作 用；反映速度快；对环境的适应性强。 能在潮湿、粉 尘较多的环境下使用。 可以监测的气体种类多，诸 如瓦斯、煤气、二氧化碳、硫化氢、氨气、氮气、氯气 和六氟化硫气体等。 而且可以使用同一个光纤气体 传感器监测多种气体。 如图 17 所示为光纤气体传 感器的样机图。
身的物理特性上，还体现在其功能特性上。 光纤传感技术具有质量轻、径细、抗电磁干扰、抗腐
蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全
胜任的测量问题。 依靠其特殊的物理性质，在电力系统中一定会有很好的发展前景。
【关键词】光纤传感 电力系统 分布式
【中图分类号】 TN929.11
3 结论
综上所述，由于光纤传感技术在绝缘、耐高温、 抗电磁干扰、抗辐射等方面的优异特性，其在电力 系统已经并必将在不远的将来得到广泛的应用。
参考文献
[1] Hirano. Noriyoshi, Tsutsui. Hiroaki, Kimoto. Junichi, AKatsuka. Takahiko, Sashikuma. Hirofumi, Takeda. Nobuo, Koshioka. Yasuhiro. “Verification of the impact damage detection system for airframe structures using optical fiber sensors”. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol7293, 2009.
图 1 内部型光纤传感器原理图 外部型光纤传感器的光会离开光纤到达外部 的感应区域，感应完成之后再回到光纤中，如瓦斯
等气体传感器就是外部传感器。图 2 所示即为外部
山东电力高等专科学校学报
第 13 卷第 1 期
Journal of Shandong Electric Power College
39
2.3 分布式光纤传感器 光纤分布式传感器集传感与信息传输于一体，
并不需要在光纤上做特殊的处理，只需要普通的通 信光纤就可以胜任。 通信光纤再加上光源和光探测 器，便可实现远距离实时测量与监控，特别适合于 需要同时检测大量位置点或沿着光纤通过的路径 连续变化的物理量，比如建筑物、桥梁、水坝、储油 罐等大型结构中应力和应变（裂缝）的监测，石油钻 井平台、飞机、航天器、电力变压器等场合应力和温 度分布状况的实时监测等。
图 15 光纤电流互感器的原理图
图 17 光纤气体传感器样机
2.6 光纤传感器在核电工业及在电力系统中的其
42
魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
它应用 由于光纤传感器的抗辐射特性，在核能工业这
个特殊领域也有一席之地。 日本核能研究院在年度 报告中提到，他们正在用光纤传感器对反应堆进行 实时检测。 此外，其他国家也使用光纤传感器来检 测核电厂的混凝土健康状况、核废料堆温度、高温 部件等安全问题。
2 光纤传感在电力系统中的应用
2.1 某些关键部件的在线监测 某些关键部件，例如风力发电机组的风机叶片
是风力发电的关键所在，其叶片承受的压力与风力 大小有直接的关系， 而风力的大小是不可预测的， 因此实时监控风机叶片的应力变化是必须的。 监测 可以使用体积小、重量轻的光纤应力传感器，图 4 为做测试的风力发电机，图 5 为安装在风机叶片上 的光纤传感器，图 6 为传感器安装图，图 7 为叶片 形变图，从图 7 中可以看出在不同负载下，随着叶 片距离根部的长短不同，叶片的变形也不同。
图 10 分布式光纤传感器的原理图
图 12 长距离电缆的分布式监测
图 13 是长距离电缆的分布式监测结果。 温度
山东电力高等专科学校学报
第 13 卷第 1 期
Journal of Shandong Electric Power College
41
测量精度可以在 0.1 摄氏度之内。
图 16 是 光 纤 电 流 传 感 器 在 500KV 变 电 站 的 实际安装图。
40
魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
图 11 是使用分布式传感器监视的高温高压容 器，因为监视的是整个容器，而不是固定的某几个 或几十个点， 因此使用分布式传感器更加简易、方 便百度文库性价比更高。
图 8 光纤温度传感器在发电厂锅炉中的应用
图 9 光纤温度传感器在燃烧室中的测试结果
收稿日期：2009－12－24 作者简介：魏 鹏 （1971－），男 ，博 士 ，硕 士 研 究 生 导 师 ，从 事 光 电工程研究。
并逐步超过后者。
1 光纤传感技术的分类
光纤传感技术按照不同的分类原则，可以有多 种分类方法，以下介绍其中的三种分类方法：
（1） 根 据 感 应 的 区 域 分 类 ， 可 以 分 为 内 部 型 和 外部型。 内部型光纤传感器的感应区域在光纤内 部，而且光不会走到光纤外部。 如光纤光栅传感器 等均为内部传感器。图 1 所示即为内部型光纤传感 器的原理图。
[2] Austin. Ed, van Brakel. Adriaan, Petrovich. Marco N, Richardson. David J. “Fiber optical sensor for C2H2 gas using gas -filled photonic bandgap fibre reference cell”, Sensors and Actuators, B: Chemical. Vol.139, No.1, PP:3034(2009).
效应，通过检测光纤中的模式正交的两束偏振光由 于敏感电流周围的磁场， 所产生的相位差的变化 量，间接地测量母线中的电流值。 其结构示意图如 图 15 所示，主要由光源、耦合器、起偏器、相位调制 器、光纤光缆延迟线、λ/4 波片、传感头、反射镜和光 电探测器组成。
图 16 光纤电流传感器的安装图
2.5 光纤气体传感器在电力系统中的应用 气体监测是电力系统安全运行的一项重要监
型光纤传感器的原理图。
图 2 外部型光纤传感器原理图
（2） 根 据 光 调 制 机 理 分 类 ， 可 以 分 为 强 度 调 制 型、相位调制型、波长调制型等等。 如光纤电流传感 器等。 图 3 所示即为调制型光纤传感器的原理图。
图 5 光纤传感器安装在风机叶片上
图 3 调制型光纤传感器的原理图
（3） 根 据 光 纤 传 感 器 的 应 用 领 域 分 类 ， 可 以 分 为物理型、化学型和生物型光纤传感器等等。
图 13 长距离电缆的分布式监测结果 分布式光纤不仅仅可以敷设在电缆的表面，如
图 12 所示，也可以敷设在电缆的内部，如图 14 即 为架空裸线内部的分布式光纤传感器，需要特别指 出的是这些光纤传感器就是普通的通信光纤。
图 14 铝包钢绞线内部的光纤
2.4 光纤电流传感器 反 射 式 光 纤 电 流 传 感 器 是 基 于 磁 光 Faraday
【文献标志码】 A
0 前言
20 世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就 之一就是光通信， 光通信的成功， 促进了光传感 的兴起与发展。 特别是 20 世纪 60 年代以来， 随 着激光技术的逐渐成熟， 利用光的各种属性—干 涉、 衍射、 偏振、 反射、 吸收、 发光等的光检测 技术， 作为非接触、 高速度、 高精确度的检测手 段获得了飞速的发展。 1977 年， 美国海军研究所 开始执行光纤传感器系统计划， 这被认为是光纤 传感问世的日子。 由于光纤不但具有良好的传光 特性， 而且其本身就可以用来进行信息传感， 无 需任何中间介质就能把待测量与光纤内的光特性 变化联系起来， 并以光速传送出去。 因此到 20 世 纪 80 年 代 光 纤 传 感 器 就 已 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景。 至 20 世纪 90 年代后期， 光通信带动下的光 子产业取得了巨大的成功， 光纤传感器也呈产业 发展。 国家自然科学基金委员会政策局在 “光子 学与光子技术发展战略报告” 中指出： 在 21 世纪 的光子产业上， 光纤传感将与光通信平分市场，
图 10 为分布式光纤传感器的原理图， 通常使 用 Rayleigh 散射、Brillouin 散射和 Raman 散射这三 种原理的散射。
图 11 高温高压容器的分布式监测
图 12 是长距离电缆的分布式光纤传感器的温 度监视系统， 敷设这种分布式温度光纤传感器，不 仅可以优化电缆的功率分配，而且可以同时构建火 灾预警系统，由于其测量点的分辨率可以在 1 米之 内，因此很容易确定故障点的位置，这对于解决地 下电缆的故障定位问题也很有好处。
38
魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
理论研究·技术应用
光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Application of Fiber Optics Sense in Electric Power Industry
魏 鹏 1 张志强 1 厉秉强 2 杜 强 3 1. 北京航空航天大学光电所 北京 100191；2.国家电网公司机器人实验室
3.潍坊供电公司 山东 潍坊 261000
济南
250002；
【摘要】电力系统起源于物理学的发展，但从电力系统诞生的那一天开始，电磁干扰、绝缘、腐
蚀、高温等问题就相伴而生。 当今，物理学的发展又为电力系统的安全稳定运行提供了一种新
的监测手段—光纤传感。 与传统的传感技术相比，光纤传感技术的优势不仅仅体现在光纤本
[3] Ohira. Shin-Ichi, Dasgupta. Purnendu K, Schug. Kevin A.”
Fiber optic sensor for simultaneous determination of atmospheric nitrogen dioxide, ozone, and relative humidity”. Analytical Chemistry. Vol.81, No.11, PP:4183 4191(2009) [4] Seo. Dae -Cheol, Yoon. Dong -Jin, Kwon. IL -Bum, Lee. Seung -Suk. “Sensitivity enhancement of fiber optic FBG sensor for acoustic emission”. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol7294, 2009. [5] Schroeder K., Ecke W., Apitz J., Lembke E., Lenschow G. “Fiber Bragg Grating Sensor System Monitors Operational Load in a Wind Turbine Rotor Blade”. Measurement Science and Technology, Vol.17 PP:1167-1172(2006). [6] N.M.Trutzel, K. Wauer, D.Betz, L.Staudigel, O.Krumpholz, H.-C. Muhlmann, T. Muller, W. Gleine. “Smart Sensing of Aviation Sturcyure with Fiber -optic Bragg Grating Sensors”, Proc. Of SPIE, Vol.3986, PP:134-143(2000). [7] Bartelt H., Schuster K., Unger S., Chojetzki Ch., Rothhardt M., Latka I., “Single -pulse fiber Bragg gratings and specific coatings for use at elevated temperatures”. Applied Optics, Vol 46, No.17, PP:3417-3424(2007). [8] Paul E. Sanders. “A Current View of Fiber Optics Sensing in the Oil & Gas Industry”. Proc. Of IEEE Lightwave Technologies in Instrument & Measurement Conference. October 20,2004. Abstract: The electric power industry is from the physics.
图 6 光纤传感器实际安装图
图 4 风力发电机
图 7 叶片应变图
2.2 大型结构体的在线监测 某些大型结构体，例如发电机组的锅炉和燃烧
室的温度分布情况，对于提高燃烧效率和安全是至 关重要的。 光纤温度传感器可以安装在燃烧室的内 部， 特种光纤的测温范围可以高达 1000 摄氏度以 上。 图 8 是做试验的发电机锅炉，图 9 是光纤温度 传感器在燃烧室中的测试结果。 通过这样的光纤温 度传感器就可以清楚地知道燃烧室内部的温度分 布情况，从而确切地知道焰心的位置。
测内容，利用光纤传感器可以实现远距离、多点实 时监控。 其原理是利用不同的待监测气体在光的不 同波长区域的特征吸收谱线，采用吸收光谱法进行 气体浓度监测。 其特点是全光纤结构、损耗低、易于 实现长距离多点探测，本身不发热，无电、无火，这 种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问 题；测量的动态范围大，可以有效的起到预警的作 用；反映速度快；对环境的适应性强。 能在潮湿、粉 尘较多的环境下使用。 可以监测的气体种类多，诸 如瓦斯、煤气、二氧化碳、硫化氢、氨气、氮气、氯气 和六氟化硫气体等。 而且可以使用同一个光纤气体 传感器监测多种气体。 如图 17 所示为光纤气体传 感器的样机图。
身的物理特性上，还体现在其功能特性上。 光纤传感技术具有质量轻、径细、抗电磁干扰、抗腐
蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全
胜任的测量问题。 依靠其特殊的物理性质，在电力系统中一定会有很好的发展前景。
【关键词】光纤传感 电力系统 分布式
【中图分类号】 TN929.11
3 结论
综上所述，由于光纤传感技术在绝缘、耐高温、 抗电磁干扰、抗辐射等方面的优异特性，其在电力 系统已经并必将在不远的将来得到广泛的应用。
参考文献
[1] Hirano. Noriyoshi, Tsutsui. Hiroaki, Kimoto. Junichi, AKatsuka. Takahiko, Sashikuma. Hirofumi, Takeda. Nobuo, Koshioka. Yasuhiro. “Verification of the impact damage detection system for airframe structures using optical fiber sensors”. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol7293, 2009.
图 1 内部型光纤传感器原理图 外部型光纤传感器的光会离开光纤到达外部 的感应区域，感应完成之后再回到光纤中，如瓦斯
等气体传感器就是外部传感器。图 2 所示即为外部
山东电力高等专科学校学报
第 13 卷第 1 期
Journal of Shandong Electric Power College
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2.3 分布式光纤传感器 光纤分布式传感器集传感与信息传输于一体，
并不需要在光纤上做特殊的处理，只需要普通的通 信光纤就可以胜任。 通信光纤再加上光源和光探测 器，便可实现远距离实时测量与监控，特别适合于 需要同时检测大量位置点或沿着光纤通过的路径 连续变化的物理量，比如建筑物、桥梁、水坝、储油 罐等大型结构中应力和应变（裂缝）的监测，石油钻 井平台、飞机、航天器、电力变压器等场合应力和温 度分布状况的实时监测等。
图 15 光纤电流互感器的原理图
图 17 光纤气体传感器样机
2.6 光纤传感器在核电工业及在电力系统中的其
42
魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
它应用 由于光纤传感器的抗辐射特性，在核能工业这
个特殊领域也有一席之地。 日本核能研究院在年度 报告中提到，他们正在用光纤传感器对反应堆进行 实时检测。 此外，其他国家也使用光纤传感器来检 测核电厂的混凝土健康状况、核废料堆温度、高温 部件等安全问题。
2 光纤传感在电力系统中的应用
2.1 某些关键部件的在线监测 某些关键部件，例如风力发电机组的风机叶片
是风力发电的关键所在，其叶片承受的压力与风力 大小有直接的关系， 而风力的大小是不可预测的， 因此实时监控风机叶片的应力变化是必须的。 监测 可以使用体积小、重量轻的光纤应力传感器，图 4 为做测试的风力发电机，图 5 为安装在风机叶片上 的光纤传感器，图 6 为传感器安装图，图 7 为叶片 形变图，从图 7 中可以看出在不同负载下，随着叶 片距离根部的长短不同，叶片的变形也不同。
图 10 分布式光纤传感器的原理图
图 12 长距离电缆的分布式监测
图 13 是长距离电缆的分布式监测结果。 温度
山东电力高等专科学校学报
第 13 卷第 1 期
Journal of Shandong Electric Power College
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测量精度可以在 0.1 摄氏度之内。
图 16 是 光 纤 电 流 传 感 器 在 500KV 变 电 站 的 实际安装图。
40
魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
图 11 是使用分布式传感器监视的高温高压容 器，因为监视的是整个容器，而不是固定的某几个 或几十个点， 因此使用分布式传感器更加简易、方 便百度文库性价比更高。
图 8 光纤温度传感器在发电厂锅炉中的应用
图 9 光纤温度传感器在燃烧室中的测试结果
收稿日期：2009－12－24 作者简介：魏 鹏 （1971－），男 ，博 士 ，硕 士 研 究 生 导 师 ，从 事 光 电工程研究。
并逐步超过后者。
1 光纤传感技术的分类
光纤传感技术按照不同的分类原则，可以有多 种分类方法，以下介绍其中的三种分类方法：
（1） 根 据 感 应 的 区 域 分 类 ， 可 以 分 为 内 部 型 和 外部型。 内部型光纤传感器的感应区域在光纤内 部，而且光不会走到光纤外部。 如光纤光栅传感器 等均为内部传感器。图 1 所示即为内部型光纤传感 器的原理图。
[2] Austin. Ed, van Brakel. Adriaan, Petrovich. Marco N, Richardson. David J. “Fiber optical sensor for C2H2 gas using gas -filled photonic bandgap fibre reference cell”, Sensors and Actuators, B: Chemical. Vol.139, No.1, PP:3034(2009).
效应，通过检测光纤中的模式正交的两束偏振光由 于敏感电流周围的磁场， 所产生的相位差的变化 量，间接地测量母线中的电流值。 其结构示意图如 图 15 所示，主要由光源、耦合器、起偏器、相位调制 器、光纤光缆延迟线、λ/4 波片、传感头、反射镜和光 电探测器组成。
图 16 光纤电流传感器的安装图
2.5 光纤气体传感器在电力系统中的应用 气体监测是电力系统安全运行的一项重要监
型光纤传感器的原理图。
图 2 外部型光纤传感器原理图
（2） 根 据 光 调 制 机 理 分 类 ， 可 以 分 为 强 度 调 制 型、相位调制型、波长调制型等等。 如光纤电流传感 器等。 图 3 所示即为调制型光纤传感器的原理图。
图 5 光纤传感器安装在风机叶片上
图 3 调制型光纤传感器的原理图
（3） 根 据 光 纤 传 感 器 的 应 用 领 域 分 类 ， 可 以 分 为物理型、化学型和生物型光纤传感器等等。
图 13 长距离电缆的分布式监测结果 分布式光纤不仅仅可以敷设在电缆的表面，如
图 12 所示，也可以敷设在电缆的内部，如图 14 即 为架空裸线内部的分布式光纤传感器，需要特别指 出的是这些光纤传感器就是普通的通信光纤。
图 14 铝包钢绞线内部的光纤
2.4 光纤电流传感器 反 射 式 光 纤 电 流 传 感 器 是 基 于 磁 光 Faraday
【文献标志码】 A
0 前言
20 世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就 之一就是光通信， 光通信的成功， 促进了光传感 的兴起与发展。 特别是 20 世纪 60 年代以来， 随 着激光技术的逐渐成熟， 利用光的各种属性—干 涉、 衍射、 偏振、 反射、 吸收、 发光等的光检测 技术， 作为非接触、 高速度、 高精确度的检测手 段获得了飞速的发展。 1977 年， 美国海军研究所 开始执行光纤传感器系统计划， 这被认为是光纤 传感问世的日子。 由于光纤不但具有良好的传光 特性， 而且其本身就可以用来进行信息传感， 无 需任何中间介质就能把待测量与光纤内的光特性 变化联系起来， 并以光速传送出去。 因此到 20 世 纪 80 年 代 光 纤 传 感 器 就 已 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景。 至 20 世纪 90 年代后期， 光通信带动下的光 子产业取得了巨大的成功， 光纤传感器也呈产业 发展。 国家自然科学基金委员会政策局在 “光子 学与光子技术发展战略报告” 中指出： 在 21 世纪 的光子产业上， 光纤传感将与光通信平分市场，
图 10 为分布式光纤传感器的原理图， 通常使 用 Rayleigh 散射、Brillouin 散射和 Raman 散射这三 种原理的散射。
图 11 高温高压容器的分布式监测
图 12 是长距离电缆的分布式光纤传感器的温 度监视系统， 敷设这种分布式温度光纤传感器，不 仅可以优化电缆的功率分配，而且可以同时构建火 灾预警系统，由于其测量点的分辨率可以在 1 米之 内，因此很容易确定故障点的位置，这对于解决地 下电缆的故障定位问题也很有好处。
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魏 鹏 张志强：光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Vol.13 No.1
理论研究·技术应用
光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景
Application of Fiber Optics Sense in Electric Power Industry
魏 鹏 1 张志强 1 厉秉强 2 杜 强 3 1. 北京航空航天大学光电所 北京 100191；2.国家电网公司机器人实验室
3.潍坊供电公司 山东 潍坊 261000
济南
250002；
【摘要】电力系统起源于物理学的发展，但从电力系统诞生的那一天开始，电磁干扰、绝缘、腐
蚀、高温等问题就相伴而生。 当今，物理学的发展又为电力系统的安全稳定运行提供了一种新
的监测手段—光纤传感。 与传统的传感技术相比，光纤传感技术的优势不仅仅体现在光纤本
[3] Ohira. Shin-Ichi, Dasgupta. Purnendu K, Schug. Kevin A.”
Fiber optic sensor for simultaneous determination of atmospheric nitrogen dioxide, ozone, and relative humidity”. Analytical Chemistry. Vol.81, No.11, PP:4183 4191(2009) [4] Seo. Dae -Cheol, Yoon. Dong -Jin, Kwon. IL -Bum, Lee. Seung -Suk. “Sensitivity enhancement of fiber optic FBG sensor for acoustic emission”. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol7294, 2009. [5] Schroeder K., Ecke W., Apitz J., Lembke E., Lenschow G. “Fiber Bragg Grating Sensor System Monitors Operational Load in a Wind Turbine Rotor Blade”. Measurement Science and Technology, Vol.17 PP:1167-1172(2006). [6] N.M.Trutzel, K. Wauer, D.Betz, L.Staudigel, O.Krumpholz, H.-C. Muhlmann, T. Muller, W. Gleine. “Smart Sensing of Aviation Sturcyure with Fiber -optic Bragg Grating Sensors”, Proc. Of SPIE, Vol.3986, PP:134-143(2000). [7] Bartelt H., Schuster K., Unger S., Chojetzki Ch., Rothhardt M., Latka I., “Single -pulse fiber Bragg gratings and specific coatings for use at elevated temperatures”. Applied Optics, Vol 46, No.17, PP:3417-3424(2007). [8] Paul E. Sanders. “A Current View of Fiber Optics Sensing in the Oil & Gas Industry”. Proc. Of IEEE Lightwave Technologies in Instrument & Measurement Conference. October 20,2004. Abstract: The electric power industry is from the physics.
图 6 光纤传感器实际安装图
图 4 风力发电机
图 7 叶片应变图
2.2 大型结构体的在线监测 某些大型结构体，例如发电机组的锅炉和燃烧
室的温度分布情况，对于提高燃烧效率和安全是至 关重要的。 光纤温度传感器可以安装在燃烧室的内 部， 特种光纤的测温范围可以高达 1000 摄氏度以 上。 图 8 是做试验的发电机锅炉，图 9 是光纤温度 传感器在燃烧室中的测试结果。 通过这样的光纤温 度传感器就可以清楚地知道燃烧室内部的温度分 布情况，从而确切地知道焰心的位置。