一種新型的內置式光致發光測溫系統的研究

左平

（中國鐵路成都局集團有限公司供電部，四川 成都 610081）

0 引言

結合筆者多年工作經驗發現，電纜故障發生在電纜接頭部位、端部等，中間接頭制造要求較高，因此存在很多潛在問題。電力電纜接頭屬于電纜安全工作中最為薄弱的環節，一旦電纜接頭溫度超過電纜承受的臨界溫度，就會導致電纜接頭起火，進而造成大規模的停電。電纜接頭溫度可反映電纜接頭關鍵參數，通過測量、監測電纜接頭溫度，能夠掌握絕緣老化狀況，可及時將隱患找出，能夠實現電纜接頭工作安全、質量的提升，意義顯著。

1 高壓電纜頭測溫的現狀

電纜測溫方式較多，比如：溫度計、紅外儀、紅外成像儀器設備、無線測溫等，高壓電纜頭通過安裝在電纜頭下端的溫度計測量溫度，并通過光纖傳輸到終端。但是這種高溫測量方法并不有效，并不能真正監測到電纜中的高溫。由于絕緣要求高，電纜接頭通常用一層或多層環氧樹脂緊密包裹。但是環氧樹脂的導熱系數很低，很難監測到外面電纜接頭處的實際溫度。因此，需要一種內置鑄件的溫度監測技術來實現對許多電纜接頭溫度的實時在線監測。有研究認為，高壓帶電測溫中，光纖直接測量電纜溫度屬于最為理想的方式。由于光纖溫度傳感器全絕緣、尺寸小，可以直接測出高電壓電氣設備內部易發熱點的最高溫度[1]。因此，可以做到對電氣設備熱點的實時監測、監控并預測、預防事故，實時采集運行數據，預測設備中耐熱材料的絕緣壽命，判斷設備的實際超負荷能力，能夠在合理范圍內充分發揮設備的負載能力，提高經濟效益[2]。

2 光致熒光材料的發光機理及測溫原理

鎂鋁尖晶石是一種典型的AB2O4結構，又稱尖晶石結構。鎂鋁尖晶石是一種具有這種分子結構的等軸晶材料。AB2O4尖晶石結構的主體可以認為是異氧原子通過立方密堆積的密堆積，A原子和B原子分別填充在立方密堆積主體中留下的氧四面體間隙和氧八面體間隙中。它屬于立方晶系，是面心立方晶格，見圖1。

低晶體場強氛圍下，最低激發狀態為4T2。在玻爾茲曼原理基礎上，激發的Cr3+離子在2E態占比較少。除此之外，2E→4A2躍遷又被稱為自旋禁止，這些2E→4A2躍遷弱1-2個數量級。基于此，2E→4A2躍遷對熒光壽命不會產生較大的影響，熒光壽命中，2E→4A2躍遷屬于主要材料，其輻射與非輻射過程決定熒光壽命。熒光壽命對溫度依賴性較強，熒光強度對溫度的依賴性較強，見圖2。

具有激發態的單組態坐標模型可定性、定量描述溫度依賴性，溫度測量十分有必要。4T2為激發態，4A2為基態，激發Cr3+離子的→躍遷是基于此步驟上形成，并從I開始進行輻射躍遷，所停留的點則為最低激發態能級點。Cr3+分子的熱猝滅可形成另一種非輻射過程，溫度上升到激活狀態、基態相交低能級Q，通過非輻射弛豫，會影響動能速度，且集中在基態底部。此過程，兩種形態不斷競爭，溫度越高，則激發的離子也越多，會上升到交叉能級Q，期間非輻射過程較強。一般情況下，其躍遷速度快于非輻射。基于此可得知，躍遷速率會隨著溫度的增加，熒光壽命則相反。

3 熒光壽命的檢測

3.1 鎖定放大器的微弱信號檢測

鎖定放大器也是相關測量的具體應用，具有噪聲控制和相敏測量的雙重功能，可以同時發揮窄帶濾波和相敏測量的功能。由于其超強的噪聲控制能力，可以測量出深埋在噪聲中的微小信息，不會出現普通濾波器中心頻率偏移帶來的問題[3]。因此，它是一種有效的微電光信息測量手段，在光纖傳感、激光信號測量等微電光信息測量中有著廣泛的應用。

3.2 高靈敏度微弱信號檢測技術

一般來說，當輸入信號較弱時，會有很大的噪聲。雖然相敏檢測可以對信息進行相應的測量，當信息過小時，會產生偏差甚至無法測量。過大的噪聲會使相敏檢波器過載。因此，需要在相敏探測器前對分析信號進行放大，對噪聲進行控制，使相敏探測器保持良好的工作和生活狀態，從而充分發揮其控制企業噪聲的能力，滿足對高靈敏度弱信號系統的監測要求。

在微弱信號測量系統中，連接電路電流對輸入端口的影響往往是最難忽略的噪聲源之一。在信號源和放大器電路之間一般的直接接地方式下，信號源和放大器地之間的電位差引起的噪聲大部分都會加到放大器的輸入端口。在nV級的弱輸入信號下，放大器的入口會加入這么多噪聲是不可想象的。因此，為了隔離接地電路干擾，采用了浮地隔離法。在浮地工作狀態下，前置放大器輸入端的信號地不與機箱地相連，只通過隔離電流與機箱地相連。這樣，施加到放大器輸入端口的噪聲電流已經小幅度降低，接地電路的噪聲電流基本上完全施加到隔離電流上。不管是差分入口還是單端入口，由于前置放大器只增加了對應的信號，所以并沒有增加接地電路。因此，前置放大器本身的噪聲特性也是限制管理系統能夠檢測到的數據精度和靈敏度的主要因素。控制系統對低噪聲場效應管的差分輸入信號進行放大，并在電路設計中對信號輸入和輸出引腳進行屏蔽和分離，以降低前置放大器的噪聲和對測量信息的污染。為了有效控制信號對輸入或輸出通道的信噪比（SNR），減少噪聲對相敏檢波器的過載，前置放大器后設置了三個濾波器，均可設置開放或封閉的信息通道，為干擾和SNR的優化控制帶來了極大的靈活性。

4 電纜頭內置式光纖溫度傳感器的研究

在電纜接頭中埋設傳感器由光纖傳播信號在高電壓、高磁場條件下實現在線、實時地準確測量電纜接頭的熱點溫度，是電纜接頭熱點溫度測量首選方式。

電纜頭包含現場制作電纜接頭、插入式電纜接頭兩種。前者電纜內，光纖傳感器放置在內部電纜頭的絕緣層內，受到制造條件的限制，絕緣性會受到影響。當前，常用開關柜為插入式電纜頭，其后面插頭是工廠制造的。因此，通過將光纖傳感器直接嵌入到插入式電纜頭的后插頭中，可解決光纖溫度傳感器標準化安裝、絕緣強度等問題，能夠將電纜頭內絕緣溫度測量精準度提升，能夠簡化安裝流程，實現便捷安裝。

在石英棒或石英光纖上粘貼金屬螺母、電纜接頭，熒光材料端面緊密接觸并用環氧樹脂高溫高壓澆鑄在一起，然后，再用螺絲將光纖與套管中的石英棒或石英光纖對接。使用時，熒光材料粘貼在石英棒的一端面，并且二者一起用絕緣膠封于帶絲扣的絕緣陶瓷管中。

超高導熱材料6被熔耐高溫陶瓷管5的前端面，并與電纜接頭的金屬螺母1緊密貼合并用環氧樹脂2高溫高壓澆鑄在一起，制作成電纜頭后堵頭，之后再用光纖連接器3將耐高溫塑料光纖制成的測溫傳感器4與電纜頭后堵頭中的超高導熱材料緊密接觸在一起。

5 熒光光纖溫度傳感系統的設計

5.1 增加控制系統中光耦合效應

5.1.1 應時光纖和光電探測器的耦合

硅光電二極管也可以與準時光纖耦合，但由于硅光電二極管的接收體積很小，所以準時光纖和硅光電二極管應該盡可能地靠近。因為必須在硅光電二極管的前面增加一個濾波器來濾除未被吸收LED激發光，濾波器厚度會對硅光電二極管接受率產生影響，長波濾波器使用期間，厚度一般為（0.5～1mm），直接耦合仍可使用。然而，一旦使用干涉濾光片，及時光纖的出射光由于其較大的厚度而被大大分散，因此需要對兩個透鏡的耦合模型進行采樣。為了減小系統的尺寸，應盡可能使用小焦距鏡頭。

5.1.2 激勵光源與石英光纖的耦合

通常光源輻射率 具有以下形式：

從以上公式可以看出，耦合效率越大，即光源有望是輻射功率大的小面積LED。增加數值孔徑NA也是提高效率的一種方法。耦合效率還與光源的輻射特性有關。光源的輻射角小（即n大），增加了進入光纖的功率，提高了耦合效率。

5.2 光學鏡片組①

透鏡指的是光輻射從光纖一端發出，透鏡能夠對準光點，會使用大量的光信號。鏡頭數值孔徑較大，焦距更短，在檢測系統內，濾光片中心波長（λ）和帶寬（λ），將會對溫度傳感器產生影響，這也是重要特性，可確保測量靈敏度、精準度。在選擇中心波長（λ）和帶寬（λ）時，需要考慮以下因素：①考慮傳感器靈敏度及分辨率，λ取小；同時，光電探測器接收光功率顯著降低，會對精度產生影響。②光電探測器高光譜波長不可過長，需要注意速率測量，在溫度較低的環境中，就輻射分布，短波輻射能量較小，需要將波長延長。③為了提高測量精度，帶寬越窄，則效果越好。但是，太窄的帶寬會影響輻射能量，測量溫度較低，則會導致電探測器的噪聲降低。④選擇的波長（λ）和帶寬（λ）在實踐中容易實現。

5.3 激勵光源的選擇

①對光源發出光譜特性要求：400nm～410nm。②對光源發光強度要求：LED的偏置電壓一般為1.2～1.8V，工作電流為10～100mA，當動電路中的驅動電流增大時，LED的發光效率也隨之增大，并在大電流時逐漸飽和，若溫度升高，LED在工作中的輸出功率將下降。③對光源穩定性要求：LED壽命不低于100000h，脈沖寬度小于等于0.1msec，占空比小于等于1/10。

5.4 接收器

接收器是光電探測器與放大器的組合，信息能夠轉換為電信號，并實施相應的處理。熒光光纖溫度傳感器內，檢測器一般為PN結或PIN結光電二極管。使用期間，具有低功耗、高量子效率、小體積、快響應、便捷使用、低噪聲、寬范圍與長壽命的優勢，0.3～1.0m的波長范圍內使用，GaAs（砷化鎵）可以在0.8～1.7m的波長范圍內使用。

在光電模塊的調制下，藍光LED發出方波光脈沖。方波光脈沖能過塑料光纖和石英棒傳至熒光材料。在藍色光脈沖激勵下，熒光材料發出熒光，經石英棒和塑料光纖返回光電處理模塊。光電處理模塊分析熒光的壽命，計算出接觸點的溫度，數據處理器可以設置溫度報警器，能夠實時監測溫度，溫度信號可通過光纖通信管理單元、RTU，將信息上傳到計算機后臺設備中。

6 內置電纜頭光纖測溫系統特點

①保證一次電源、二次電源最佳隔離，確保線性度，使用期間，熒光材料能夠直接測量接觸溫度，可將電纜接頭的測溫精準性提升。②測溫處理器直接接觸探頭、電纜觸頭，測量觸頭精準度較高，可解決當前電纜接頭溫度間接測量大誤差、大影響缺點。集為一體的溫度傳感器、光纖集，使用壽命為20年。其屬于免維護設備，能夠與外界光學隔離，一般在光纖一端，能夠無縫銜接傳輸光纖，可與外界進行熱交換。③抗壓、抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾性能強，傳輸質量好。④光纖重量較輕、體積較小，后期維護投入較少，維護時不需要停電處理，能夠實現多通道傳輸。⑤系統所采集到的數據信息，可借助FTU、GPRS或箱變內的通信管理單元上傳，實現在線調度，傳輸方式要結合現場環境，合理選擇。⑥系統可實時在線測量溫度，溫度變化則會異常報警，可及時發現事故隱患，可杜絕事故的發生。⑦系統安裝簡單、便捷，運行可靠、安全[4]。

7 結語

此溫度傳感器耦合效率高，可以廣泛應用于電纜接頭測溫、干式變壓器測溫、電力開關柜測溫等領域的高效溫度在線監測。由于內置式光纖測溫優勢較多，使用期間，可減少電纜故障問題發生率，能夠確保運行穩定，促進行業發展，應用價值顯著，值得大范圍推廣使用。