一種新型的內(nèi)置式光致發(fā)光測(cè)溫系統(tǒng)的研究

左平

（中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司供電部，四川 成都 610081）

0 引言

結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電纜故障發(fā)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(huán)節(jié)，一旦電纜接頭溫度超過電纜承受的臨界溫度，就會(huì)導(dǎo)致電纜接頭起火，進(jìn)而造成大規(guī)模的停電。電纜接頭溫度可反映電纜接頭關(guān)鍵參數(shù)，通過測(cè)量、監(jiān)測(cè)電纜接頭溫度，能夠掌握絕緣老化狀況，可及時(shí)將隱患找出，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜接頭工作安全、質(zhì)量的提升，意義顯著。

1 高壓電纜頭測(cè)溫的現(xiàn)狀

電纜測(cè)溫方式較多，比如：溫度計(jì)、紅外儀、紅外成像儀器設(shè)備、無線測(cè)溫等，高壓電纜頭通過安裝在電纜頭下端的溫度計(jì)測(cè)量溫度，并通過光纖傳輸?shù)浇K端。但是這種高溫測(cè)量方法并不有效，并不能真正監(jiān)測(cè)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(huán)氧樹脂緊密包裹。但是環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)很低，很難監(jiān)測(cè)到外面電纜接頭處的實(shí)際溫度。因此，需要一種內(nèi)置鑄件的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)許多電纜接頭溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。有研究認(rèn)為，高壓帶電測(cè)溫中，光纖直接測(cè)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(cè)出高電壓電氣設(shè)備內(nèi)部易發(fā)熱點(diǎn)的最高溫度[1]。因此，可以做到對(duì)電氣設(shè)備熱點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控并預(yù)測(cè)、預(yù)防事故，實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)設(shè)備中耐熱材料的絕緣壽命，判斷設(shè)備的實(shí)際超負(fù)荷能力，能夠在合理范圍內(nèi)充分發(fā)揮設(shè)備的負(fù)載能力，提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 光致熒光材料的發(fā)光機(jī)理及測(cè)溫原理

鎂鋁尖晶石是一種典型的AB2O4結(jié)構(gòu)，又稱尖晶石結(jié)構(gòu)。鎂鋁尖晶石是一種具有這種分子結(jié)構(gòu)的等軸晶材料。AB2O4尖晶石結(jié)構(gòu)的主體可以認(rèn)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(chǎng)強(qiáng)氛圍下，最低激發(fā)狀態(tài)為4T2。在玻爾茲曼原理基礎(chǔ)上，激發(fā)的Cr3+離子在2E態(tài)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(gè)數(shù)量級(jí)。基于此，2E→4A2躍遷對(duì)熒光壽命不會(huì)產(chǎn)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(duì)溫度依賴性較強(qiáng)，熒光強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴性較強(qiáng)，見圖2。

具有激發(fā)態(tài)的單組態(tài)坐標(biāo)模型可定性、定量描述溫度依賴性，溫度測(cè)量十分有必要。4T2為激發(fā)態(tài)，4A2為基態(tài)，激發(fā)Cr3+離子的→躍遷是基于此步驟上形成，并從I開始進(jìn)行輻射躍遷，所停留的點(diǎn)則為最低激發(fā)態(tài)能級(jí)點(diǎn)。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(tài)、基態(tài)相交低能級(jí)Q，通過非輻射弛豫，會(huì)影響動(dòng)能速度，且集中在基態(tài)底部。此過程，兩種形態(tài)不斷競(jìng)爭，溫度越高，則激發(fā)的離子也越多，會(huì)上升到交叉能級(jí)Q，期間非輻射過程較強(qiáng)。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(huì)隨著溫度的增加，熒光壽命則相反。

3 熒光壽命的檢測(cè)

3.1 鎖定放大器的微弱信號(hào)檢測(cè)

鎖定放大器也是相關(guān)測(cè)量的具體應(yīng)用，具有噪聲控制和相敏測(cè)量的雙重功能，可以同時(shí)發(fā)揮窄帶濾波和相敏測(cè)量的功能。由于其超強(qiáng)的噪聲控制能力，可以測(cè)量出深埋在噪聲中的微小信息，不會(huì)出現(xiàn)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(cè)量手段，在光纖傳感、激光信號(hào)測(cè)量等微電光信息測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。

3.2 高靈敏度微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

一般來說，當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，會(huì)有很大的噪聲。雖然相敏檢測(cè)可以對(duì)信息進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，當(dāng)信息過小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏差甚至無法測(cè)量。過大的噪聲會(huì)使相敏檢波器過載。因此，需要在相敏探測(cè)器前對(duì)分析信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)噪聲進(jìn)行控制，使相敏探測(cè)器保持良好的工作和生活狀態(tài)，從而充分發(fā)揮其控制企業(yè)噪聲的能力，滿足對(duì)高靈敏度弱信號(hào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求。

在微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中，連接電路電流對(duì)輸入端口的影響往往是最難忽略的噪聲源之一。在信號(hào)源和放大器電路之間一般的直接接地方式下，信號(hào)源和放大器地之間的電位差引起的噪聲大部分都會(huì)加到放大器的輸入端口。在nV級(jí)的弱輸入信號(hào)下，放大器的入口會(huì)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(tài)下，前置放大器輸入端的信號(hào)地不與機(jī)箱地相連，只通過隔離電流與機(jī)箱地相連。這樣，施加到放大器輸入端口的噪聲電流已經(jīng)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(duì)應(yīng)的信號(hào)，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(tǒng)能夠檢測(cè)到的數(shù)據(jù)精度和靈敏度的主要因素?？刂葡到y(tǒng)對(duì)低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管的差分輸入信號(hào)進(jìn)行放大，并在電路設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)輸入和輸出引腳進(jìn)行屏蔽和分離，以降低前置放大器的噪聲和對(duì)測(cè)量信息的污染。為了有效控制信號(hào)對(duì)輸入或輸出通道的信噪比（SNR），減少噪聲對(duì)相敏檢波器的過載，前置放大器后設(shè)置了三個(gè)濾波器，均可設(shè)置開放或封閉的信息通道，為干擾和SNR的優(yōu)化控制帶來了極大的靈活性。

4 電纜頭內(nèi)置式光纖溫度傳感器的研究

在電纜接頭中埋設(shè)傳感器由光纖傳播信號(hào)在高電壓、高磁場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量電纜接頭的熱點(diǎn)溫度，是電纜接頭熱點(diǎn)溫度測(cè)量首選方式。

電纜頭包含現(xiàn)場(chǎng)制作電纜接頭、插入式電纜接頭兩種。前者電纜內(nèi)，光纖傳感器放置在內(nèi)部電纜頭的絕緣層內(nèi)，受到制造條件的限制，絕緣性會(huì)受到影響。當(dāng)前，常用開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化安裝、絕緣強(qiáng)度等問題，能夠?qū)㈦娎|頭內(nèi)絕緣溫度測(cè)量精準(zhǔn)度提升，能夠簡化安裝流程，實(shí)現(xiàn)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(huán)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(duì)接。使用時(shí)，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(dǎo)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(huán)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(cè)溫傳感器4與電纜頭后堵頭中的超高導(dǎo)熱材料緊密接觸在一起。

5 熒光光纖溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 增加控制系統(tǒng)中光耦合效應(yīng)

5.1.1 應(yīng)時(shí)光纖和光電探測(cè)器的耦合

硅光電二極管也可以與準(zhǔn)時(shí)光纖耦合，但由于硅光電二極管的接收體積很小，所以準(zhǔn)時(shí)光纖和硅光電二極管應(yīng)該盡可能地靠近。因?yàn)楸仨氃诠韫怆姸O管的前面增加一個(gè)濾波器來濾除未被吸收LED激發(fā)光，濾波器厚度會(huì)對(duì)硅光電二極管接受率產(chǎn)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(shí)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(duì)兩個(gè)透鏡的耦合模型進(jìn)行采樣。為了減小系統(tǒng)的尺寸，應(yīng)盡可能使用小焦距鏡頭。

5.1.2 激勵(lì)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(shù)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(guān)。光源的輻射角?。磏大），增加了進(jìn)入光纖的功率，提高了耦合效率。

5.2 光學(xué)鏡片組①

透鏡指的是光輻射從光纖一端發(fā)出，透鏡能夠?qū)?zhǔn)光點(diǎn)，會(huì)使用大量的光信號(hào)。鏡頭數(shù)值孔徑較大，焦距更短，在檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，濾光片中心波長（λ）和帶寬（λ），將會(huì)對(duì)溫度傳感器產(chǎn)生影響，這也是重要特性，可確保測(cè)量靈敏度、精準(zhǔn)度。在選擇中心波長（λ）和帶寬（λ）時(shí)，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(shí)，光電探測(cè)器接收光功率顯著降低，會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。②光電探測(cè)器高光譜波長不可過長，需要注意速率測(cè)量，在溫度較低的環(huán)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(cè)量精度，帶寬越窄，則效果越好。但是，太窄的帶寬會(huì)影響輻射能量，測(cè)量溫度較低，則會(huì)導(dǎo)致電探測(cè)器的噪聲降低。④選擇的波長（λ）和帶寬（λ）在實(shí)踐中容易實(shí)現(xiàn)。

5.3 激勵(lì)光源的選擇

①對(duì)光源發(fā)出光譜特性要求：400nm～410nm。②對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度要求：LED的偏置電壓一般為1.2～1.8V，工作電流為10～100mA，當(dāng)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)電流增大時(shí)，LED的發(fā)光效率也隨之增大，并在大電流時(shí)逐漸飽和，若溫度升高，LED在工作中的輸出功率將下降。③對(duì)光源穩(wěn)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(cè)器與放大器的組合，信息能夠轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并實(shí)施相應(yīng)的處理。熒光光纖溫度傳感器內(nèi)，檢測(cè)器一般為PN結(jié)或PIN結(jié)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(yīng)、便捷使用、低噪聲、寬范圍與長壽命的優(yōu)勢(shì)，0.3～1.0m的波長范圍內(nèi)使用，GaAs（砷化鎵）可以在0.8～1.7m的波長范圍內(nèi)使用。

在光電模塊的調(diào)制下，藍(lán)光LED發(fā)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(lán)色光脈沖激勵(lì)下，熒光材料發(fā)出熒光，經(jīng)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(jì)算出接觸點(diǎn)的溫度，數(shù)據(jù)處理器可以設(shè)置溫度報(bào)警器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度，溫度信號(hào)可通過光纖通信管理單元、RTU，將信息上傳到計(jì)算機(jī)后臺(tái)設(shè)備中。

6 內(nèi)置電纜頭光纖測(cè)溫系統(tǒng)特點(diǎn)

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(cè)量接觸溫度，可將電纜接頭的測(cè)溫精準(zhǔn)性提升。②測(cè)溫處理器直接接觸探頭、電纜觸頭，測(cè)量觸頭精準(zhǔn)度較高，可解決當(dāng)前電纜接頭溫度間接測(cè)量大誤差、大影響缺點(diǎn)。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(hù)設(shè)備，能夠與外界光學(xué)隔離，一般在光纖一端，能夠無縫銜接傳輸光纖，可與外界進(jìn)行熱交換。③抗壓、抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾性能強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。④光纖重量較輕、體積較小，后期維護(hù)投入較少，維護(hù)時(shí)不需要停電處理，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道傳輸。⑤系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)信息，可借助FTU、GPRS或箱變內(nèi)的通信管理單元上傳，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)度，傳輸方式要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，合理選擇。⑥系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線測(cè)量溫度，溫度變化則會(huì)異常報(bào)警，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，可杜絕事故的發(fā)生。⑦系統(tǒng)安裝簡單、便捷，運(yùn)行可靠、安全[4]。

7 結(jié)語

此溫度傳感器耦合效率高，可以廣泛應(yīng)用于電纜接頭測(cè)溫、干式變壓器測(cè)溫、電力開關(guān)柜測(cè)溫等領(lǐng)域的高效溫度在線監(jiān)測(cè)。由于內(nèi)置式光纖測(cè)溫優(yōu)勢(shì)較多，使用期間，可減少電纜故障問題發(fā)生率，能夠確保運(yùn)行穩(wěn)定，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，應(yīng)用價(jià)值顯著，值得大范圍推廣使用。