光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景

魏 鹏 张志强 厉秉强 杜 强

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 济南 250002；3.潍坊供电公司 山东 潍坊 261000

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，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。

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。

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4 风力发电机

图5 光纤传感器安装在风机叶片上

图6 光纤传感器实际安装图

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。

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

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10 分布式光纤传感器的原理图

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，性价比更高。

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。

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。温度测量精度可以在0.1摄氏度之内。

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15 光纤电流互感器的原理图

图16是光纤电流传感器在500KV变电站的实际安装图。

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。

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。

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。

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。

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