基于光纖傳感技術(shù)的電接點(diǎn)溫度在線測量系統(tǒng)的研制

牟 帥，吳 哲，余德明，錢祥忠

(1．浙江電力變壓器有限公司，浙江溫州 325014；2．同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；3．溫州電力局，浙江溫州 325000；4．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

基于光纖傳感技術(shù)的電接點(diǎn)溫度在線測量系統(tǒng)的研制

牟 帥1,2，吳 哲3，余德明1，錢祥忠4,?

(1．浙江電力變壓器有限公司，浙江溫州 325014；2．同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；3．溫州電力局，浙江溫州 325000；4．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

提出一種用于電力系統(tǒng)電接點(diǎn)的溫度在線測量系統(tǒng)．該系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖溫度傳感器、光纖濾波器、信號(hào)處理與放大電路和顯示電路組成．利用螺旋液晶螺距對(duì)溫度變化敏感的特性，將螺旋液晶填充到光子晶體光纖形成光纖溫度傳感器，溫度變化引起最大反射光強(qiáng)點(diǎn)波長的變化，利用液晶螺距與溫度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測量．本測量系統(tǒng)具有高電絕緣和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電力系統(tǒng)中電接點(diǎn)的溫度在線檢測．

電接點(diǎn)溫度；電力系統(tǒng)；溫度在線測量；光纖傳感技術(shù)

電力系統(tǒng)中的電力電纜、高壓開關(guān)柜、發(fā)電機(jī)、大功率高壓電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，其運(yùn)行異?；虺霈F(xiàn)故障通常都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備關(guān)鍵部位溫度升高，所以，通過監(jiān)測電力設(shè)備溫度信息可以獲取電力設(shè)備的運(yùn)行狀況．電力系統(tǒng)中的高壓電氣設(shè)備一般都處于高電壓、大電流和強(qiáng)磁場的環(huán)境中，由于強(qiáng)電磁噪聲和高壓絕緣問題，常規(guī)的測溫方法不適合電力系統(tǒng)設(shè)備溫度的測量[1]．以往溫度的監(jiān)測主要采用熱電偶、熱電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器等溫度傳感元件來實(shí)現(xiàn)，而這些溫度傳感元件都需要金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，由于無法保證傳輸導(dǎo)線在金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)具有可靠且穩(wěn)定的絕緣性能，所以采用以上溫度傳感元件無法實(shí)現(xiàn)在線測量封閉接觸點(diǎn)的運(yùn)行溫度．光纖、光纖光柵測溫雖然可用來對(duì)電力系統(tǒng)的電接點(diǎn)溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，但光纖測溫[2]對(duì)光源、發(fā)射和接收電路的穩(wěn)定性要求高，存在測溫精度低、空間分辨率低等缺點(diǎn)；光纖光柵測溫[3]對(duì)解調(diào)系統(tǒng)要求高，系統(tǒng)成本高．本文提出一種基于光纖傳感技術(shù)的溫度在線測量系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電力系統(tǒng)中電接點(diǎn)溫度的變化．

1 測溫原理

1.1 螺旋狀液晶的溫度特性

螺旋狀液晶具有層狀結(jié)構(gòu)，各層的分子軸方向與鄰接的分子軸方向都略有偏移，液晶整體形成螺旋結(jié)構(gòu)，具有旋光性、選擇性光散射和圓偏振光二色性等光學(xué)性質(zhì)．當(dāng)復(fù)色光投射到螺旋狀液晶表面上時(shí)，從其表面反射回的最大光強(qiáng)所具有的波長與該液晶混合物的螺距成正比，表現(xiàn)為選擇反射特性．螺旋狀液晶分子排列的螺距對(duì)溫度都有很強(qiáng)的依賴性，當(dāng)溫度變化時(shí)這類液晶的螺距會(huì)發(fā)生明顯變化，所以選擇反射波長對(duì)溫度變化非常敏感，只有波長滿足下面（1）式的光才被反射，不滿足（1）式的光則從液晶透射：

式中，n是螺旋狀液晶的折射率，P是螺旋狀液晶的螺距，它們都是溫度和橫向電場的函數(shù)，本文僅研究溫度的影響．不同材料的向列相液晶和手性摻雜物按不同的比例混合，或不同材料的膽甾相液晶按不同的比例混合，可以得到溫度從–20℃到+250℃、螺距從可見光到紅外光的螺旋狀液晶混合物[4]．大小為微米級(jí)的長螺距螺旋狀液晶，其螺距對(duì)溫度和電場變化敏感，螺距隨溫度變化關(guān)系的典型曲線如圖1所示，其折射率隨溫度升高而減小[5]．

1.2 光子晶體光纖液晶光柵溫度傳感原理

光子晶體光纖（PCF）是具有纖芯缺陷的二維光子晶體，空芯光子晶體光纖的纖芯是空氣柱，包層空氣柱可以有不同的大小、形狀和分布方式．本文考慮包層中的均勻圓空氣柱在玻璃襯底上按三角排列形成的周期性結(jié)構(gòu)．通過適當(dāng)?shù)碾娀》烹?，保留纖芯的大空氣孔而封閉包層的小空氣孔，基于空氣壓力和真空法，將螺旋狀液晶填充到大芯徑的光子晶體光纖的纖芯空氣孔中，填充螺旋狀液晶柱長，兩端用硬質(zhì)透明薄膜固定．由于螺旋狀液晶的分子取向周期性排列，在光子晶體光纖的纖芯具有布拉格光柵的特性，形成光子晶體液晶光纖光柵，光柵周期等于液晶螺距的一半．當(dāng)溫度變化時(shí)，螺旋液晶的螺距和折射率將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光子晶體液晶光纖光柵的光學(xué)傳輸特性發(fā)生改變[6]．

光纖光柵中前、后向光場的耦合作用可以用耦合模方程來描述．根據(jù)耦合模理論，在折射率引導(dǎo)型光子晶體液晶光纖光柵中，基模的諧振波長為[3]：

式中，Λ為Bragg光纖光柵的周期，等于螺旋狀液晶螺距P的一半．（2）式表明，光子晶體液晶光纖光柵的基模諧振波長取決于液晶的螺距和折射率．螺旋狀液晶的螺距對(duì)溫度和橫向電場的變化非常敏感，光子晶體液晶光纖光柵諧振波長的改變主要來自于溫度和橫向電場的變化所引起的液晶螺距和折射率的改變．當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，液晶的螺距和折射率也將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致液晶光纖光柵的基模諧振波長發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)的方向取決于液晶的螺距和折射率溫度系數(shù)的符號(hào)，移動(dòng)的大小則取決于溫度的變化范圍、液晶螺距和折射率的溫度特性以及原來的諧振波長位置．

2 溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

圖1 典型螺旋狀液晶的螺距的溫度依賴性

基于液晶填充光子晶體光纖的高壓電器溫度傳感器系統(tǒng)的組成模塊如圖2所示，核心部分是PCF液晶溫度傳感器、光纖F-P濾波器和信號(hào)處理電路．利用螺旋型液晶選擇反射光波長對(duì)溫度變化非常敏感的特性，PCF溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)換為反射光波長的變化，光纖F-P濾波器通過改變外加掃描驅(qū)動(dòng)電壓解調(diào)出該光波長的變換，再利用液晶選擇反射光波長與溫度的關(guān)系得到溫度信息．測溫原理是寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器進(jìn)入傳輸光纖，再通過法蘭盤連接進(jìn)入PCF溫度傳感器和光纖F-P濾波器，不同溫度選擇反射不同波長的光，利用光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的光電流，再經(jīng)過放大電路（包括I-V變換、電壓放大和濾波電路），得到不同溫度對(duì)應(yīng)的輸出電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制，將溫度顯示出來．

圖2 PCF溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中寬帶光源采用C+L波段帶尾纖的SLED，高靈敏度的InGaAs光電二極管；空芯光子晶體光纖采用HC19-1550-01，空芯直徑為20 μm，截取長度為5 mm，填充的螺旋型液晶為手性摻雜物PACB與聯(lián)苯氰類向列相液晶混合配制成的手征向列相液晶系列混合物；單模光纖為絕緣耐壓高溫光纖，采用絕緣耐壓耐高溫導(dǎo)熱材質(zhì)封裝，兩端帶有光纖適配器（法蘭盤），以便與傳輸光纖連接．

當(dāng)溫度變化時(shí)，液晶填充的PCF選擇反射的光波長將發(fā)生變化，采用光纖F-P腔濾波器解調(diào)出該波長，當(dāng)光纖F-P腔濾波器的透射波長與PCF液晶溫度傳感器反射峰的波長重合時(shí)，探測器能探測到最大光強(qiáng)，此時(shí)通過給壓電陶瓷施加的電壓與波長的關(guān)系，就能得到溫度傳感器反射峰的波長．再利用螺旋型液晶反射波長與溫度的關(guān)系，就可得到待測溫度．

光電轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把不同波長的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)只是幾十到幾百納安的數(shù)量級(jí)，需要放大電路來放大到所需要的程度，轉(zhuǎn)換成伏級(jí)的電壓信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)控制電路，將溫度信息在液晶顯示電路上顯示出來．

3 電力系統(tǒng)電接點(diǎn)溫度的在線測量

電力系統(tǒng)中的高壓開關(guān)柜用來開閉電力線，是實(shí)現(xiàn)輸送、倒換電力負(fù)荷、退出故障設(shè)備和線路的關(guān)鍵設(shè)備．在長期的運(yùn)行過程中，開關(guān)柜觸點(diǎn)和母線連接處常常因老化、松動(dòng)或接觸電阻過大而發(fā)熱．開關(guān)柜中動(dòng)靜觸頭、開關(guān)柜內(nèi)連接處、母線與一次設(shè)備的連接處等，由于長期運(yùn)行，可靠性和接觸性會(huì)變差，又因接觸電阻較大，在大電流情況下熱功率很大，從而產(chǎn)生過熱．開關(guān)柜過熱如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故，造成大面積停電等，所以，對(duì)全封閉的高壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)、排除隱患，對(duì)保證安全可靠供電具有重要意義．對(duì)于發(fā)電機(jī)繞組、變壓器這種體積比較大的重要部件，可將光子晶體光纖纏繞在其表面，實(shí)現(xiàn)在溫度曲線中快速找到高溫故障點(diǎn)的目標(biāo)．

本文設(shè)計(jì)的溫度測量系統(tǒng)對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行在線測溫[7]，采用變壓器將高壓開關(guān)電壓降低，從而產(chǎn)生大電流（1 600 A以上），使得高壓開關(guān)溫度升高，測量的溫度曲線如圖3所示．由于高壓開關(guān)柜的最高允許溫度為90℃左右，所以測溫區(qū)間取為20 – 95℃，測量系統(tǒng)設(shè)置安全溫度為70℃，超過此溫度系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警聲音并在界面上顯示紅色信號(hào)，如圖3（c）和圖3（d）．安全溫度可以根據(jù)具體電器而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整．本文進(jìn)行了一次測量系統(tǒng)設(shè)置安全溫度為80℃的實(shí)際測量，與精度為0.01℃的WZPB-1型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本系統(tǒng)的測量精度優(yōu)于±0.1℃．

圖3 高壓開關(guān)柜現(xiàn)場溫度實(shí)時(shí)測量曲線

4 結(jié)果與討論

螺旋型液晶的選擇反射光波長對(duì)溫度變化非常敏感．空芯光子晶體光纖對(duì)彎曲、溫度都不敏感．將螺旋型液晶填充到空芯光子晶體光纖的纖芯空氣孔中，構(gòu)成反射波長位置隨溫度而變化的溫度傳感器．這種傳感器具有本征安全、高電絕緣和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，與普通傳輸光纖也能很好兼容；環(huán)境壓力的變化對(duì)該溫度傳感器的影響可以通過光子晶體光纖包層的空氣孔而降低，從而克服了傳統(tǒng)光纖和光纖光柵溫度和壓力的交叉敏感特性；采用近紅外光源，克服了環(huán)境光的影響，從而使該傳感器的測量精度較高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的測量誤差在±0.1℃以內(nèi)；可以通過選用不同的螺旋型液晶混合物，來得到不同的溫度測量范圍，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)不同溫度的在線檢測．本文設(shè)計(jì)的光子晶體液晶光纖光柵測溫系統(tǒng)可用于電力系統(tǒng)中電纜接頭、開關(guān)柜觸點(diǎn)和母線連接處、發(fā)電機(jī)與大功率高壓電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部位等電接點(diǎn)的溫度在線檢測．

[1] 江和, 張培銘, 翁桂華. 基于無線通信的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(9): 1969-1975.

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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

(編輯：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文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2011-06-05

溫州市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(G20090066)

牟帥(1976- )，男，遼寧大連人，工程師，碩士，研究方向：電力電子．? 通訊作者，xzhqian@263.net