一种高压断路器触头测温光纤温度传感器

单晓宇，洪剑锋，谢志平，王新峰，陈文芗

（厦门大学物理与机电工程学院，福建 厦门361005）

高压断路器是电力系统中最重要的设备之一，其在线温度特性实时监测对保障高压断路器乃至整个配电系统安全运行有着十分重要的意义.然而，由于高压断路器工作环境具有高电压、强磁场等特点，一般的测温技术难以使用.光纤温度传感器具有可靠性高、绝缘性好、抗电磁干扰性强等特点，在高电压、大电流、强电磁干扰或易燃易爆的测量环境下仍可以正常工作［1－5］，很适合于高压断路器在线温度的检测.然而，目前常用的光纤传感器主要有分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等［6］.分布式光纤温度传感器能够在几千米范围内连续测量，空间定位精度达到米的数量级，但必须采用相当昂贵的光源与探测信号处理设备才能实现对传感点的精确定位［7－8］；光纤光栅温度传感器具有对光源要求低，不受光纤弯曲损耗影响的优点，但对光纤光栅的可靠性，光检测器波长分辨率等有很高的要求；荧光型温度传感器测温范围广，可以制成自校准的光纤温度传感器，但价格一般比较昂贵，应用领域受到限制［9］；干涉型光纤温度传感器温度分辨率高，动态响应宽，但一般干涉型传感器存在相位测量不清晰的问题，且对光纤和光源的性能要求严格，容易受噪声干扰［10］，不适合应用于高压断路器.本文给出了一种适用于高压断路器应用的光纤温度传感器，它具有体积小、性能可靠、价格低廉等特点，亦可应用于其他场合.

1 传感器工作原理

图1为采用双金属片的反射式强度调制光纤传感器示意图，基座上平行固定有发射、接收两条光纤及相应的发光二极管及光电二极管［11－12］，双金属片一端固定在基座上，另一端安装有光反射面，当温度发生变化时，双金属片带动光反射面产生相应位移.

图1 传感器结构图Fig.1 Basic structure of sensing probe

根据圆台型光强分布理论［13］，反射光强的分布可视为空间正态分布或圆锥分布，如图2.

图2 反射模型示意图Fig.2 Amodel for the reflection

光源发出的光经发射光纤至反射面后形成光锥，反射光锥在光纤端面的投影称为光锥底端，当接收光纤端面在反射面的投影与光锥底端存在重合面积时，便能接收到反射光.设发射光纤和接收光纤的纤芯半径为r，发射光纤数值孔径为NA，两光纤端面与反射面之间的距离为d，光锥底端半径为R，光锥底端与接收光纤端面的重合面积为S，ρ为径向坐标，Iρ为径向光强.当光纤周围介质为空气时，接收光纤输出的光通量为［14］：

其中，φ0为光源耦合到发射光纤中的光通量，K1、K2、K3分别为发射、接收光纤及反射面的光功率损耗系数.

图3 光路分析图Fig.3 The light path analysis diagram

图3表明了d在温度影响下的变化情况.双金属片受热发生角度α的偏移，位置由水平变为图中虚线所示的位置，光纤端面与反射面的距离由d变为d′，等效光锥底端半径由R变为R′，光锥底端与接收光纤端面重合的等效面积由S变为S′.此时，光纤端面与反射面的距离d′为

光锥底端半径R′为［14－16］：

可看出，由于反射面偏转了α角，实际反射面S′为：

将式（2）～（4）代入式（1），可得在温度影响下接收光纤实际输出的光通量φ′为

利用 Wolfram Mathematica8.0工具中的Plot命令对式（5）进行计算，设K1K2K3φ0S＝1，r＝1.5mm，L＝8mm，d＝5mm，h＝3mm，则

计算结果可得光通量φ′与偏转角α的关系曲线，如图4所示.

图4 α与φ′关系曲线Fig.4 Relationship curve ofαandφ′

由于双金属片是将膨胀率相差很大的两种金属材料结合而成，在一定温度范围内，图3中偏转角度α与温度呈线性关系［17］.

其中，Km为双金属片弯曲系数，e为双金属片的厚度，将式（7）代入（6），有

式（8）表明温度变化ΔT与φ′呈现线性关系，当温度变化时，φ′变化导致光电二极管光电流变化，进而导致输出电压变化.电压与温度反向相关的变化关系，可以作为本设计的理论基础.通过选用不同型号的双金属片，可以制成不同测量范围和灵敏度的光纤温度传感器.

2 传感器性能实验

测量系统示意图见图5，选用950nm的红外发射二极管作为光源Df，直径为3mm的塑料光纤作为发射和接收光纤.为了克服周围杂散背景光对检测的影响，提高红外线抗干扰能力，用38kHz方波对发射光进行调制［18］.发射部分 RZ、UZ、T2、Re组成恒流源电路，为红外发射管Df提供恒定电流，保证Df发出光强恒定的红外光线.T1为调制开关，PC机发出频率为38kHz的方波通过调制开关控制恒流源电路将红外光线调制成38kHz的脉冲光束.接收部分由红外光电管、电压放大、38kHz解调部分构成.当温度变化，根据式（8），光通量φ′亦发生变化，光通量对应的光强通过红外光电管接收，经电压放大、解调后，送入PC的电压信号即可代表温度变化的信号.

在30～120℃内对此光纤测温传感系统进行实验研究，实验装置如图6所示：

作为对比，我们用改装后的红外测温仪作为温度测试工具，同时将通过光纤温度测量装置测到的电压信号与用红外测温仪测得的数据实时输入计算机进行处理.用热风机对温度测量装置进行加温，当温度达到120℃后停止加温，让温度自然冷却.实验中进行了快速升温、阶段升温、反复升降温3种强度不同的升温降温过程，通过这3次实验过程，可分别检验该测温装置输出电压与温度变化之间关系是否线性、重复测量结果的一致性等关键特性.

图5 测量系统示意图Fig.5 Measurement system schematic diagram

图6 实验装置图Fig.6 Schematic diagram of experimental set－up

实验中我们没有将检测到的电压信号换算为温度信号，实际使用时，只要通过标定，就可很方便地将该电压信号转换成相应的温度值.

实验开始时先用热风机对探头预加热至50℃左右，确定传感器工作正常后再按实验计划进行加热，实验结果见图7所示.可以看出，图7（a）中，0～40s对探头预加热，40～80s移近热风机使其快速升温，80s后自由降温；图7（b）中，25～40s从室温开始预加热，40～85s保持预加热的温度，85～95s快速升温至100℃，95～140s对探头缓慢加热至120℃，而后自由降温；图7（c）中，0～60s预加热，60～75s初次升温至120℃，75～95s使探头自由降温至70℃，95～150s再次升温至120℃，150s后自由降温.

图8给出了测量结果经数据处理后得到的电压（图5中经38kHz解调后的电压U0）、温度（图6中测温枪检测到的温度数据）关系曲线和3次测量结果的重复性关系曲线.通过线性回归分析，可看出，测得的电压值在回归直线附近上下浮动，表明升温与降温过程电压、温度之间线性关系好.

图7 电压与温度变化曲线Fig.7 The curves of voltage and temperature

图8 数据处理后电压与温度变化曲线Fig.8 The curves of voltage and temperature after data processing

为了更直观分析本传感器的性能，我们对测量误差和重复性进行考量.考虑到我们在实验中沿时间轴采样点很密、数据量大，直接使用这些数据很难用图表显示，我们在处理数据时把实验数据按照温度区间分段，以方便分析及用表格说明.采用区间最大测量误差率、最大重复度误差率来描述测量的误差和重复性.定义：

最大温度段误差率可评价实际测得的数据与回归直线的偏离程度，这里默认回归直线代表了期望测量准确值.

温度段测量误差为温度段内测量电压值与回归直线对应点值的差值.最大重复度误差率可评价重复性，把3次测量过程回归直线的平均值作为期望测量准确值，温度段内单次回归直线与该平均值偏差的最大值即可作为重复测量产生的最大误差.经统计得表1，通过表1可以看出最大误差率在5%以内，3次实验的最大偏差为3.6%，表明本温度传感器准确性、重复性良好.

表1 最大误差率统计表Tab.1 Maximum error rate table

3 传感器安装在断路器触头的实验

高压开关柜断路器触头共有6个，分别分布在上侧和下侧的A、B、C三相上.6个温度传感器分别固定在静触头触臂上，图9（a）显示了其中一个触臂的安装示意，图9（b）为封装后的触臂照片.传感器安装好后还需要进行数据处理及标定，由于篇幅关系，数据处理及标定过程不在本文叙述.

图9 传感器安装示意图Fig.9 The installation diagram of the sensors

室温20℃，将6个动静触头串联，通过1 250A的电流，通过电流后，触头温度会上升；为了进一步考察测量结果与实际温度的误差，采用红外测温仪GM700对触头3进行同步测温，检测结果如图10.

图10（a）中，起始温度为室温20℃，触头温度以指数规律上升并稳定在75℃.6个触头的温升曲线高度重合（如图10（a）小图所示），为了便于观察，图10（a）的大图中将触头2～6的纵坐标依次上移5，10，15，20，25℃.图10（b）为第3触头测量结果与红外测温仪的误差曲线，曲线表明可知，抽样触头的温度与实际误差在1℃以内，这表明传感器能正确反映实际温度，说明本设计是可行的.

4 结 论

实验结果表明：采用本文设计的双金属片测温结构结合光纤位移测量结构进行温度测量可在30～120℃量程内获得较好的线性输出特性，具有测量误差小、重复性好、结构简单的特点.该传感器体积小，可方便地嵌入高压短路器触头、母线接点等电压高但又需要监测温度变化的测点.

图10 触头温升检测及误差曲线Fig.10 The rising temperature testing and error curves of the contacts

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