基于光纤传感技术的电接点温度在线测量系统的研制

牟 帅，吴 哲，余德明，钱祥忠

(1．浙江电力变压器有限公司，浙江温州 325014；2．同济大学电子与信息工程学院，上海 201804；3．温州电力局，浙江温州 325000；4．温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

基于光纤传感技术的电接点温度在线测量系统的研制

牟 帅1,2，吴 哲3，余德明1，钱祥忠4,†

(1．浙江电力变压器有限公司，浙江温州 325014；2．同济大学电子与信息工程学院，上海 201804；3．温州电力局，浙江温州 325000；4．温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

提出一种用于电力系统电接点的温度在线测量系统．该系统主要由宽带光源、光纤温度传感器、光纤滤波器、信号处理与放大电路和显示电路组成．利用螺旋液晶螺距对温度变化敏感的特性，将螺旋液晶填充到光子晶体光纤形成光纤温度传感器，温度变化引起最大反射光强点波长的变化，利用液晶螺距与温度之间的关系，实现接点温度的实时测量．本测量系统具有高电绝缘和抗电磁干扰等优点，特别适合于电力系统中电接点的温度在线检测．

电接点温度；电力系统；温度在线测量；光纤传感技术

电力系统中的电力电缆、高压开关柜、发电机、大功率高压电动机等设备，其运行异常或出现故障通常都会导致设备关键部位温度升高，所以，通过监测电力设备温度信息可以获取电力设备的运行状况．电力系统中的高压电气设备一般都处于高电压、大电流和强磁场的环境中，由于强电磁噪声和高压绝缘问题，常规的测温方法不适合电力系统设备温度的测量[1]．以往温度的监测主要采用热电偶、热电阻及半导体温度传感器等温度传感元件来实现，而这些温度传感元件都需要金属导线传输信号，由于无法保证传输导线在金属封闭开关设备内具有可靠且稳定的绝缘性能，所以采用以上温度传感元件无法实现在线测量封闭接触点的运行温度．光纤、光纤光栅测温虽然可用来对电力系统的电接点温度进行在线监测，但光纤测温[2]对光源、发射和接收电路的稳定性要求高，存在测温精度低、空间分辨率低等缺点；光纤光栅测温[3]对解调系统要求高，系统成本高．本文提出一种基于光纤传感技术的温度在线测量系统，可以实时监测电力系统中电接点温度的变化．

1 测温原理

1.1 螺旋状液晶的温度特性

螺旋状液晶具有层状结构，各层的分子轴方向与邻接的分子轴方向都略有偏移，液晶整体形成螺旋结构，具有旋光性、选择性光散射和圆偏振光二色性等光学性质．当复色光投射到螺旋状液晶表面上时，从其表面反射回的最大光强所具有的波长与该液晶混合物的螺距成正比，表现为选择反射特性．螺旋状液晶分子排列的螺距对温度都有很强的依赖性，当温度变化时这类液晶的螺距会发生明显变化，所以选择反射波长对温度变化非常敏感，只有波长满足下面（1）式的光才被反射，不满足（1）式的光则从液晶透射：

式中，n是螺旋状液晶的折射率，P是螺旋状液晶的螺距，它们都是温度和横向电场的函数，本文仅研究温度的影响．不同材料的向列相液晶和手性掺杂物按不同的比例混合，或不同材料的胆甾相液晶按不同的比例混合，可以得到温度从–20℃到+250℃、螺距从可见光到红外光的螺旋状液晶混合物[4]．大小为微米级的长螺距螺旋状液晶，其螺距对温度和电场变化敏感，螺距随温度变化关系的典型曲线如图1所示，其折射率随温度升高而减小[5]．

1.2 光子晶体光纤液晶光栅温度传感原理

光子晶体光纤（PCF）是具有纤芯缺陷的二维光子晶体，空芯光子晶体光纤的纤芯是空气柱，包层空气柱可以有不同的大小、形状和分布方式．本文考虑包层中的均匀圆空气柱在玻璃衬底上按三角排列形成的周期性结构．通过适当的电弧放电，保留纤芯的大空气孔而封闭包层的小空气孔，基于空气压力和真空法，将螺旋状液晶填充到大芯径的光子晶体光纤的纤芯空气孔中，填充螺旋状液晶柱长，两端用硬质透明薄膜固定．由于螺旋状液晶的分子取向周期性排列，在光子晶体光纤的纤芯具有布拉格光栅的特性，形成光子晶体液晶光纤光栅，光栅周期等于液晶螺距的一半．当温度变化时，螺旋液晶的螺距和折射率将发生变化，从而导致光子晶体液晶光纤光栅的光学传输特性发生改变[6]．

光纤光栅中前、后向光场的耦合作用可以用耦合模方程来描述．根据耦合模理论，在折射率引导型光子晶体液晶光纤光栅中，基模的谐振波长为[3]：

式中，Λ为Bragg光纤光栅的周期，等于螺旋状液晶螺距P的一半．（2）式表明，光子晶体液晶光纤光栅的基模谐振波长取决于液晶的螺距和折射率．螺旋状液晶的螺距对温度和横向电场的变化非常敏感，光子晶体液晶光纤光栅谐振波长的改变主要来自于温度和横向电场的变化所引起的液晶螺距和折射率的改变．当温度发生变化时，液晶的螺距和折射率也将发生变化，从而导致液晶光纤光栅的基模谐振波长发生移动，移动的方向取决于液晶的螺距和折射率温度系数的符号，移动的大小则取决于温度的变化范围、液晶螺距和折射率的温度特性以及原来的谐振波长位置．

2 温度在线监测系统

图1 典型螺旋状液晶的螺距的温度依赖性

基于液晶填充光子晶体光纤的高压电器温度传感器系统的组成模块如图2所示，核心部分是PCF液晶温度传感器、光纤F-P滤波器和信号处理电路．利用螺旋型液晶选择反射光波长对温度变化非常敏感的特性，PCF温度传感器将温度的变化转换为反射光波长的变化，光纤F-P滤波器通过改变外加扫描驱动电压解调出该光波长的变换，再利用液晶选择反射光波长与温度的关系得到温度信息．测温原理是宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入传输光纤，再通过法兰盘连接进入PCF温度传感器和光纤F-P滤波器，不同温度选择反射不同波长的光，利用光电转换器产生对应的光电流，再经过放大电路（包括I-V变换、电压放大和滤波电路），得到不同温度对应的输出电压，经过A/D转换和单片机进行数据处理与系统控制，将温度显示出来．

图2 PCF温度传感器系统结构框图

实验系统中宽带光源采用C+L波段带尾纤的SLED，高灵敏度的InGaAs光电二极管；空芯光子晶体光纤采用HC19-1550-01，空芯直径为20 μm，截取长度为5 mm，填充的螺旋型液晶为手性掺杂物PACB与联苯氰类向列相液晶混合配制成的手征向列相液晶系列混合物；单模光纤为绝缘耐压高温光纤，采用绝缘耐压耐高温导热材质封装，两端带有光纤适配器（法兰盘），以便与传输光纤连接．

当温度变化时，液晶填充的PCF选择反射的光波长将发生变化，采用光纤F-P腔滤波器解调出该波长，当光纤F-P腔滤波器的透射波长与PCF液晶温度传感器反射峰的波长重合时，探测器能探测到最大光强，此时通过给压电陶瓷施加的电压与波长的关系，就能得到温度传感器反射峰的波长．再利用螺旋型液晶反射波长与温度的关系，就可得到待测温度．

光电转换器负责把不同波长的光信号转换成电流信号，电流信号只是几十到几百纳安的数量级，需要放大电路来放大到所需要的程度，转换成伏级的电压信号，再经过A/D转换与单片机控制电路，将温度信息在液晶显示电路上显示出来．

3 电力系统电接点温度的在线测量

电力系统中的高压开关柜用来开闭电力线，是实现输送、倒换电力负荷、退出故障设备和线路的关键设备．在长期的运行过程中，开关柜触点和母线连接处常常因老化、松动或接触电阻过大而发热．开关柜中动静触头、开关柜内连接处、母线与一次设备的连接处等，由于长期运行，可靠性和接触性会变差，又因接触电阻较大，在大电流情况下热功率很大，从而产生过热．开关柜过热如果发现不及时往往会导致火灾事故，造成大面积停电等，所以，对全封闭的高压开关柜实现在线实时温度监测，提前发现、排除隐患，对保证安全可靠供电具有重要意义．对于发电机绕组、变压器这种体积比较大的重要部件，可将光子晶体光纤缠绕在其表面，实现在温度曲线中快速找到高温故障点的目标．

本文设计的温度测量系统对高压开关柜进行在线测温[7]，采用变压器将高压开关电压降低，从而产生大电流（1 600 A以上），使得高压开关温度升高，测量的温度曲线如图3所示．由于高压开关柜的最高允许温度为90℃左右，所以测温区间取为20 – 95℃，测量系统设置安全温度为70℃，超过此温度系统会自动发出报警声音并在界面上显示红色信号，如图3（c）和图3（d）．安全温度可以根据具体电器而进行相应调整．本文进行了一次测量系统设置安全温度为80℃的实际测量，与精度为0.01℃的WZPB-1型标准铂电阻温度计测量结果进行对比，本系统的测量精度优于±0.1℃．

图3 高压开关柜现场温度实时测量曲线

4 结果与讨论

螺旋型液晶的选择反射光波长对温度变化非常敏感．空芯光子晶体光纤对弯曲、温度都不敏感．将螺旋型液晶填充到空芯光子晶体光纤的纤芯空气孔中，构成反射波长位置随温度而变化的温度传感器．这种传感器具有本征安全、高电绝缘和抗电磁干扰等优点，与普通传输光纤也能很好兼容；环境压力的变化对该温度传感器的影响可以通过光子晶体光纤包层的空气孔而降低，从而克服了传统光纤和光纤光栅温度和压力的交叉敏感特性；采用近红外光源，克服了环境光的影响，从而使该传感器的测量精度较高，实验现场的测量误差在±0.1℃以内；可以通过选用不同的螺旋型液晶混合物，来得到不同的温度测量范围，以实现多点不同温度的在线检测．本文设计的光子晶体液晶光纤光栅测温系统可用于电力系统中电缆接头、开关柜触点和母线连接处、发电机与大功率高压电动机的关键部位等电接点的温度在线检测．

[1] 江和, 张培铭, 翁桂华. 基于无线通信的高压设备温度监测系统的设计[J]. 仪器仪表学报, 2009, 30(9): 1969-1975.

[2] Yilmaz G, Karlik S E. A distributed optical fiber sensor for temperature detection in power cables [J]. Sensors and Actuators A, 2006, 125: 148-155.

[3] Liu J, Chen W G, Zhao J B. Measuring technology of transformer internal temperature based on FBG sensors [J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(3): 539-543.

[4] 原小涛, 曹晖, 杨洲, 等. 一种手征向列相液晶的螺旋行为研究[J]. 液晶与显示, 2008, 23(4): 404-408.

[5] 唐韶坤, 张磊, 郑文杰, 等. 胆甾型液晶用于体温的精密测量[J]. 高分子材料科学与工程, 2008, 25(5): 128-130.

[6] 李学金, 于水芹, 洪学明, 等. 基于液体填充的光子晶体光纤温度传感特性分析[J].中国激光, 2009, 35(5): 1140-1144.

[7] 钱祥忠. 高压开关柜内接头温度在线监测系统的设计[J]. 仪表技术与传感器, 2007, (2): 73-75.

Development of On-line Measuring System of Electric Contact Temperature Based on Fiber-optic Sensing Technology

MOU Shuai1,2, WU Zhe3, YU Deming1, QIAN Xiangzhong4
(1. Zhejiang Power Transformer Co.,Ltd, Wenzhou, China 325014; 2. College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai, China 201804; 3. Wenzhou Electric Power Bureau, Wenzhou, China 325000; 4. College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

An on-line temperature measuring system for electric contact of power system was presented in this paper. The system was mainly consisted of broadband optic source, fiber-optic temperature sensor, fiber filter, signal processing and amplification circuit, and display circuit. The fiber-optic temperature sensor, which made full use of the temperature sensitivity characteristic of helix liquid crystal’s pitch, was made of photonic crystal that was filled with helix liquid crystal. When changing of temperature caused the changes of wavelength of the maximum optical power point, real-time measurement of contact point’s temperature could be achieved by taking advantages of the relation between helix liquid crystal and temperature. The measuring system is very suitable to the power system’s on-line detection of electric contact temperature as it has the perspective of high electrical insulation and anti-electromagnetic interference.

Electric Contact Temperature; Power System; Temperature On-line Detection; Fiber-optic Sensing Technology

(编辑：王一芳)

TN929.11

A

1674-3563(2011)06-0013-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.06.003 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

2011-06-05

温州市科技局科技计划项目(G20090066)

牟帅(1976- )，男，辽宁大连人，工程师，硕士，研究方向：电力电子．† 通讯作者，xzhqian@263.net