一种新型的内置式光致发光测温系统的研究

左平

（中国铁路成都局集团有限公司供电部，四川 成都 610081）

0 引言

结合笔者多年工作经验发现，电缆故障发生在电缆接头部位、端部等，中间接头制造要求较高，因此存在很多潜在问题。电力电缆接头属于电缆安全工作中最为薄弱的环节，一旦电缆接头温度超过电缆承受的临界温度，就会导致电缆接头起火，进而造成大规模的停电。电缆接头温度可反映电缆接头关键参数，通过测量、监测电缆接头温度，能够掌握绝缘老化状况，可及时将隐患找出，能够实现电缆接头工作安全、质量的提升，意义显著。

1 高压电缆头测温的现状

电缆测温方式较多，比如：温度计、红外仪、红外成像仪器设备、无线测温等，高压电缆头通过安装在电缆头下端的温度计测量温度，并通过光纤传输到终端。但是这种高温测量方法并不有效，并不能真正监测到电缆中的高温。由于绝缘要求高，电缆接头通常用一层或多层环氧树脂紧密包裹。但是环氧树脂的导热系数很低，很难监测到外面电缆接头处的实际温度。因此，需要一种内置铸件的温度监测技术来实现对许多电缆接头温度的实时在线监测。有研究认为，高压带电测温中，光纤直接测量电缆温度属于最为理想的方式。由于光纤温度传感器全绝缘、尺寸小，可以直接测出高电压电气设备内部易发热点的最高温度[1]。因此，可以做到对电气设备热点的实时监测、监控并预测、预防事故，实时采集运行数据，预测设备中耐热材料的绝缘寿命，判断设备的实际超负荷能力，能够在合理范围内充分发挥设备的负载能力，提高经济效益[2]。

2 光致荧光材料的发光机理及测温原理

镁铝尖晶石是一种典型的AB2O4结构，又称尖晶石结构。镁铝尖晶石是一种具有这种分子结构的等轴晶材料。AB2O4尖晶石结构的主体可以认为是异氧原子通过立方密堆积的密堆积，A原子和B原子分别填充在立方密堆积主体中留下的氧四面体间隙和氧八面体间隙中。它属于立方晶系，是面心立方晶格，见图1。

低晶体场强氛围下，最低激发状态为4T2。在玻尔兹曼原理基础上，激发的Cr3+离子在2E态占比较少。除此之外，2E→4A2跃迁又被称为自旋禁止，这些2E→4A2跃迁弱1-2个数量级。基于此，2E→4A2跃迁对荧光寿命不会产生较大的影响，荧光寿命中，2E→4A2跃迁属于主要材料，其辐射与非辐射过程决定荧光寿命。荧光寿命对温度依赖性较强，荧光强度对温度的依赖性较强，见图2。

具有激发态的单组态坐标模型可定性、定量描述温度依赖性，温度测量十分有必要。4T2为激发态，4A2为基态，激发Cr3+离子的→跃迁是基于此步骤上形成，并从I开始进行辐射跃迁，所停留的点则为最低激发态能级点。Cr3+分子的热猝灭可形成另一种非辐射过程，温度上升到激活状态、基态相交低能级Q，通过非辐射弛豫，会影响动能速度，且集中在基态底部。此过程，两种形态不断竞争，温度越高，则激发的离子也越多，会上升到交叉能级Q，期间非辐射过程较强。一般情况下，其跃迁速度快于非辐射。基于此可得知，跃迁速率会随着温度的增加，荧光寿命则相反。

3 荧光寿命的检测

3.1 锁定放大器的微弱信号检测

锁定放大器也是相关测量的具体应用，具有噪声控制和相敏测量的双重功能，可以同时发挥窄带滤波和相敏测量的功能。由于其超强的噪声控制能力，可以测量出深埋在噪声中的微小信息，不会出现普通滤波器中心频率偏移带来的问题[3]。因此，它是一种有效的微电光信息测量手段，在光纤传感、激光信号测量等微电光信息测量中有着广泛的应用。

3.2 高灵敏度微弱信号检测技术

一般来说，当输入信号较弱时，会有很大的噪声。虽然相敏检测可以对信息进行相应的测量，当信息过小时，会产生偏差甚至无法测量。过大的噪声会使相敏检波器过载。因此，需要在相敏探测器前对分析信号进行放大，对噪声进行控制，使相敏探测器保持良好的工作和生活状态，从而充分发挥其控制企业噪声的能力，满足对高灵敏度弱信号系统的监测要求。

在微弱信号测量系统中，连接电路电流对输入端口的影响往往是最难忽略的噪声源之一。在信号源和放大器电路之间一般的直接接地方式下，信号源和放大器地之间的电位差引起的噪声大部分都会加到放大器的输入端口。在nV级的弱输入信号下，放大器的入口会加入这么多噪声是不可想象的。因此，为了隔离接地电路干扰，采用了浮地隔离法。在浮地工作状态下，前置放大器输入端的信号地不与机箱地相连，只通过隔离电流与机箱地相连。这样，施加到放大器输入端口的噪声电流已经小幅度降低，接地电路的噪声电流基本上完全施加到隔离电流上。不管是差分入口还是单端入口，由于前置放大器只增加了对应的信号，所以并没有增加接地电路。因此，前置放大器本身的噪声特性也是限制管理系统能够检测到的数据精度和灵敏度的主要因素。控制系统对低噪声场效应管的差分输入信号进行放大，并在电路设计中对信号输入和输出引脚进行屏蔽和分离，以降低前置放大器的噪声和对测量信息的污染。为了有效控制信号对输入或输出通道的信噪比（SNR），减少噪声对相敏检波器的过载，前置放大器后设置了三个滤波器，均可设置开放或封闭的信息通道，为干扰和SNR的优化控制带来了极大的灵活性。

4 电缆头内置式光纤温度传感器的研究

在电缆接头中埋设传感器由光纤传播信号在高电压、高磁场条件下实现在线、实时地准确测量电缆接头的热点温度，是电缆接头热点温度测量首选方式。

电缆头包含现场制作电缆接头、插入式电缆接头两种。前者电缆内，光纤传感器放置在内部电缆头的绝缘层内，受到制造条件的限制，绝缘性会受到影响。当前，常用开关柜为插入式电缆头，其后面插头是工厂制造的。因此，通过将光纤传感器直接嵌入到插入式电缆头的后插头中，可解决光纤温度传感器标准化安装、绝缘强度等问题，能够将电缆头内绝缘温度测量精准度提升，能够简化安装流程，实现便捷安装。

在石英棒或石英光纤上粘贴金属螺母、电缆接头，荧光材料端面紧密接触并用环氧树脂高温高压浇铸在一起，然后，再用螺丝将光纤与套管中的石英棒或石英光纤对接。使用时，荧光材料粘贴在石英棒的一端面，并且二者一起用绝缘胶封于带丝扣的绝缘陶瓷管中。

超高导热材料6被熔耐高温陶瓷管5的前端面，并与电缆接头的金属螺母1紧密贴合并用环氧树脂2高温高压浇铸在一起，制作成电缆头后堵头，之后再用光纤连接器3将耐高温塑料光纤制成的测温传感器4与电缆头后堵头中的超高导热材料紧密接触在一起。

5 荧光光纤温度传感系统的设计

5.1 增加控制系统中光耦合效应

5.1.1 应时光纤和光电探测器的耦合

硅光电二极管也可以与准时光纤耦合，但由于硅光电二极管的接收体积很小，所以准时光纤和硅光电二极管应该尽可能地靠近。因为必须在硅光电二极管的前面增加一个滤波器来滤除未被吸收LED激发光，滤波器厚度会对硅光电二极管接受率产生影响，长波滤波器使用期间，厚度一般为（0.5～1mm），直接耦合仍可使用。然而，一旦使用干涉滤光片，及时光纤的出射光由于其较大的厚度而被大大分散，因此需要对两个透镜的耦合模型进行采样。为了减小系统的尺寸，应尽可能使用小焦距镜头。

5.1.2 激励光源与石英光纤的耦合

通常光源辐射率 具有以下形式：

从以上公式可以看出，耦合效率越大，即光源有望是辐射功率大的小面积LED。增加数值孔径NA也是提高效率的一种方法。耦合效率还与光源的辐射特性有关。光源的辐射角小（即n大），增加了进入光纤的功率，提高了耦合效率。

5.2 光学镜片组①

透镜指的是光辐射从光纤一端发出，透镜能够对准光点，会使用大量的光信号。镜头数值孔径较大，焦距更短，在检测系统内，滤光片中心波长（λ）和带宽（λ），将会对温度传感器产生影响，这也是重要特性，可确保测量灵敏度、精准度。在选择中心波长（λ）和带宽（λ）时，需要考虑以下因素：①考虑传感器灵敏度及分辨率，λ取小；同时，光电探测器接收光功率显著降低，会对精度产生影响。②光电探测器高光谱波长不可过长，需要注意速率测量，在温度较低的环境中，就辐射分布，短波辐射能量较小，需要将波长延长。③为了提高测量精度，带宽越窄，则效果越好。但是，太窄的带宽会影响辐射能量，测量温度较低，则会导致电探测器的噪声降低。④选择的波长（λ）和带宽（λ）在实践中容易实现。

5.3 激励光源的选择

①对光源发出光谱特性要求：400nm～410nm。②对光源发光强度要求：LED的偏置电压一般为1.2～1.8V，工作电流为10～100mA，当动电路中的驱动电流增大时，LED的发光效率也随之增大，并在大电流时逐渐饱和，若温度升高，LED在工作中的输出功率将下降。③对光源稳定性要求：LED寿命不低于100000h，脉冲宽度小于等于0.1msec，占空比小于等于1/10。

5.4 接收器

接收器是光电探测器与放大器的组合，信息能够转换为电信号，并实施相应的处理。荧光光纤温度传感器内，检测器一般为PN结或PIN结光电二极管。使用期间，具有低功耗、高量子效率、小体积、快响应、便捷使用、低噪声、宽范围与长寿命的优势，0.3～1.0m的波长范围内使用，GaAs（砷化镓）可以在0.8～1.7m的波长范围内使用。

在光电模块的调制下，蓝光LED发出方波光脉冲。方波光脉冲能过塑料光纤和石英棒传至荧光材料。在蓝色光脉冲激励下，荧光材料发出荧光，经石英棒和塑料光纤返回光电处理模块。光电处理模块分析荧光的寿命，计算出接触点的温度，数据处理器可以设置温度报警器，能够实时监测温度，温度信号可通过光纤通信管理单元、RTU，将信息上传到计算机后台设备中。

6 内置电缆头光纤测温系统特点

①保证一次电源、二次电源最佳隔离，确保线性度，使用期间，荧光材料能够直接测量接触温度，可将电缆接头的测温精准性提升。②测温处理器直接接触探头、电缆触头，测量触头精准度较高，可解决当前电缆接头温度间接测量大误差、大影响缺点。集为一体的温度传感器、光纤集，使用寿命为20年。其属于免维护设备，能够与外界光学隔离，一般在光纤一端，能够无缝衔接传输光纤，可与外界进行热交换。③抗压、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰性能强，传输质量好。④光纤重量较轻、体积较小，后期维护投入较少，维护时不需要停电处理，能够实现多通道传输。⑤系统所采集到的数据信息，可借助FTU、GPRS或箱变内的通信管理单元上传，实现在线调度，传输方式要结合现场环境，合理选择。⑥系统可实时在线测量温度，温度变化则会异常报警，可及时发现事故隐患，可杜绝事故的发生。⑦系统安装简单、便捷，运行可靠、安全[4]。

7 结语

此温度传感器耦合效率高，可以广泛应用于电缆接头测温、干式变压器测温、电力开关柜测温等领域的高效温度在线监测。由于内置式光纤测温优势较多，使用期间，可减少电缆故障问题发生率，能够确保运行稳定，促进行业发展，应用价值显著，值得大范围推广使用。