基于光纤传感技术的油浸式电力变压器状态多参量在线检测研究

基于光纤传感技术的油浸式电力变压器状态多参量在线检测研究【摘要】本文利用光纤半导体传感技术、气体光谱测量技术和变压器故障分析技术相结合,在研究半导体温度传感理论、气体直接吸收光谱理论基础上,建立光纤半导体温度和基于超窄线宽激光特性的光纤气体传感模型,通过设计高耦合率、小体积GaAs探头和高灵敏度检测气室,搭建了适用于变压器内部主要部件温度和绝缘油中气体检测的新型传感系统。此系统测量范围广、精确度高、响应时间快、稳定性好，可实现变压器内部多参数(温度和绝缘油中气体)的高精度、高灵敏度、快速在线测量,有效提高电力变压器状态在线检测和故障预测的技术水平。【关键词】变压器状态在线检测;多参数传感系统;光纤半导体测温;光谱吸收式气体测量引言近些年来,随着国内电力需求和电网规模的扩大,电力变压器等级和容量不断提高,变压器故障率和修复时间也随之不断增大。长期研究表明,变压器内部热状态以及绝缘油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和使用寿命,研究和发展变压器内部温度和绝缘油气体状态在线检测技术具有重要的理论和现实意义。变压器状态稳定、准确和快速检测及故障精确预测已经成为亟待解决和突破的关键技术难题。传统的变压器内部状态在线测量方法存在着受干扰较大,抗腐蚀能力差、不易组网、灵敏度有限等问题,无法有效地在线分析变压器内部主要部件温度和油中气体状况。随着光纤半导体传感技术、光谱测量技术、半导体激光技术和计算机技术的不断发展和实用化研究的不断深入[1][2],基于光纤和半导体传感技术的温度和气体在线检测技术得到较大的发展[3]。本文针对目前变压器状态在线检测技术存在的问题并围绕变压器内部温度和绝缘油气体检测两个重要环节分别进行了研究：利用GaAs晶体吸收光波长随温度变化的特性搭建了基于波长调制的新型半导体光纤温度传感系统,用于实时监测变压器内部主要部件的温度及其变化情况;还利用半导体激光技术和气体吸收光谱技术相结合,通过设计高灵敏度检测气室,基于超窄线宽激光特性搭建了新型光纤气体传感系统,实现了对油中溶解气体的组分和浓度进行实时在线分析。为及时准确地掌握变压器内部运行状况提供了有效的技术手段。1变压器故障与油中气体关系[4][5]油浸式电力变压器内部的故障主要有热性故障和电性故障,具体又可分为局部放电、低能量放电、高能量放电、低温(t300℃)过热、中温(300℃t700℃)过热、高温(t700℃)过热六种典型故障。1.1变压器热性故障及其产气特征当变压器中热性故障只对变压器油作用时,产生的气体主要是低分子烃类气体,其中4CH,22HC为主要特征气体(占总烃类的80%以上)[6]。当变压器热性故障的故障点温度不是很高时,4CH占的比例比较大;随着故障点温度的升高,42HC、62HC、22HC气体会急剧增加,62HC气体不稳定易分解为22HC和2H,22HC最大含量不超过总烃类的6%,2H—般占氧烃总量的27%以下。1.2变压器电性故障及其产气特征电性故障是指在高电压高能量场作用下造成的变压器内部材料绝缘劣化而引起的故障,根据高电场得能量密度不同将变压器电性故障分为高能量放电(电弧放电)、低能量放电(火花放电)和局部放电三种类型。高能量放电与变压器油接触产生的故障气体主要是22HC和2H,其次为42HC和4CH。一般情况下,22HC占烃类总量的20%~70%,2H占氢烃总量的30%~90%。低能量放电与变压器油接触产生的故障气体主要为22HC、2H,由于放电能量较小,一般烃类气体含量不太高。局部放电时产生的气体一般总烃含量不高,主要组分为2H,约占总气量的90%以上;4CH约占总烃量的90%以上。根据以上变压器热性故障和电性故障及其产气特征分析得知,变压器内部绝缘油和固体绝缘材料在不同的电热故障下会产生不同组分和含量的气体,产气种类及含量和故障类型之间存在一定的对应关系,这种对应关系如下表1-1所示,变压器运行过程中可以选择表中的部分气体作为状态检测的特征气体。表1-1变压器故障类型及对应产生的气体组分故障类型主要气体组分次要气体组分油过热4CH、42HC2H、62HC油和绝缘纸过热4CH、42HC、CO、2CO2H、62HC油纸绝缘中局部放电2H、4CH、CO22HC、62HC、2CO油中火花放电2H、22HC、4CH油中电弧2H、22HC4CH、42HC、62HC油和绝缘纸电弧2H、22HC、CO、2CO4CH、42HC、62HC进水受潮2H自然老化CO、2CO2光纤半导体温度监测系统2.1原理半导体材料吸收光子的能量，使电子能量较低的状态跃迁到能量较高的状态[7]。文中选用GaAs作为半导体材料作为传感元件，当所吸收的的光子能量大于禁带能量gE后，开始有强烈的吸收，吸收系数陡然上升，可以表示为[8]21gE-hυAα式中，A是与材料有关的常数，对于GaAs材料，1-eVcm104462.2AgE为禁带宽度，其随温度变化而变化；h为普朗克常数；为光子频率。引用盘尼西的研究结果[9]：tβσt-0EtE2gg式中，t为温度，0Eg是温度为0K时的禁带能量，和是经验常数。可以看出，温度的升高引起吸收禁带能量减小；反之，温度降低禁带能量则升高。可以得到半导体边缘吸收波长与温度关系为[10]：tt-0EhcEhc2ggg可以得到半导体材料边缘吸收波长与温度的关系如图所示，在光源福射强度较稳定前提下，材料边缘吸收波长随着温度升高而向长波方向移动。由以上分析得知，激光器输出固定中心波长和带宽的激光入射材料表面，GaAs半导体材料吸收其光谱过程如图2-1所示，随着温度的升高，半导体本征边缘吸收波长增大，材料带隙能量将减小，总透射率降低，从而透过率曲线向长波方向移动，使得透过的激光能量减小。选用温度线性度好的薄材料作为敏感元件，通过对透射（反射）激光波长的检测实现温度的实时测量。图2-1系统测温原理图2.2GaAs传感探头设计在传统结构基础上并结合现代GaAs薄膜制备技术,GaAs晶体厚度约110um,面积约为180um×180um,GaAs晶体的前后两面分别涂上了光学特性非常好的透射膜和反射膜,同时在GaAs晶体的周围套上了耐高温聚四氟乙稀套管并用均勻高温胶固定,使多模光纤与GaAs晶体最大地垂直稱合。新型反射式探头体积小,结构简单,便于安装,薄结构GaAs晶体和较高的親合效率减小了光的衰减,提高了系统测量精度和响应时间。2.3光纤半导体温度传感系统总体结构光源发出的光经过隔离器、3dB耦合器通过多模光纤进入半导体传感探头。光线从同一侧进出,使入射和出射光共用一根光纤。入射光纤的光穿透过GaAs片的透射膜面后透过GaAs片在涂有反射膜的端面发生反射,反射光又经过透射膜后经光纤返回。返回的光经过稱合器的另一端多模光纤进入基于CCD的透射式衍射波长解调系统,把波长的变化信息转化为电信号,最后通过计算机系统进行运算和显示,从而实现半导体温度的实时在线测量。2.4实验分析实验中把传感探头放入温控油槽中,对GaAs温度传感系统进行测试。调节油槽中的温度,在0℃~235℃范围内测量17个温度数据点,每个测量值都是五次重复测量的平均值。温度精确度实验结果如图2-2所示，图2-2温度测量误差曲线实验中传感系统测得的数据与校准温度计的温度一致性比较好,在0℃~235℃范围内传感系统测量精度为±0.5℃。实验将传感探头放入常温恒温水槽中,待稳定后迅速放入235℃左右的恒温硅油槽中,升温响应时间波形如图2-3(a)所示；将传感探头放入235°C的恒温硅油槽中,待稳定后迅速放入常温恒温水槽中,降温响应时间波形如图2-3(b)所示,（a）升温响应曲线（b）降温响应曲线图2-3传感器响应曲线传感系统的升、降温响应时间均小于6秒,响应时间的一致性非常好,具有较好的动态响应特性。3光谱吸收式电力变压器油中气体检测3.1气体分子选择吸收理论由量子力学得知,由于原子核外电子的能量呈不连续分布,其在轨道上运动时不发出电磁福射;只有电子发生量子跃迁过程才会发出电磁福射，根据波尔频率条件(波尔频率也适用于分子发射和吸收光子过程),光谱吸收气体检测中气体分子只吸收能量等于它的某两个能级之差21-EE的光子,气体选择吸收一定能量的光子后,分子跃迁到激发态并作短时间停留,又通过直接发射回到原来稳定状态并释放出光子[11]。变压器油中溶解多种气体,其分子结构和能级差不同,吸收光子的频率(能量)也就不同,其对应的某个波长的吸收光谱也就不同,这就是气体的选择吸收，测量各种气体在某个波长光的吸收情况可进行变压器油中溶解气体的定性和定量分析。3.2气体浓度测量利用超窄线宽激光能精确锁定气体吸收峰中心且带宽远小于单条气体吸收谱线宽的特性,采用光源波长扫描技术将输出波长分别锁定在气体强吸收峰中心和吸收强度近似为零处,通过测量两次吸收后的透射光强值与浓度的关系来检测气体浓度:L1II-IC1212其中）（1为吸收系数：）（）（11TPS式中：P为被测气体所在空间的压力;为吸收线性函数,表示被测吸收谱线形状,与气体类别、压力、温度等有关,S(T)为温度为T时该谱线的强度，所以在光程长和吸收系数确定且不变情况下,所测气体的浓度只与两束光吸收后的透射光强有关。3.3检测系统的设计和关键技术光谱直接吸收式气体检测系统基本结构如图3-1所示,主要有激光光源、传感气室、光电探测器、信号发生器以及数据采集和显示等部分组成。图3-1光谱吸收式传感系统结构图近几年来随着半导体技术和光纤传感技术的不断发展,半导体激光器已逐渐在光纤气体传感中得到了广泛的应用。半导体激光器具有激光输出功率高、带宽窄、调谐速度快、调谐范围宽、稳定性好以及可靠性高等特点,为光纤气体传感系统提供了比较理想的激光光源。要提高系统灵敏度通常采用增加有效吸收光程长的方法,本文中的系统釆用了三个反射式气室串联叠加使用的方法,这样既节省了横向空间又有效增加了光程长,提高了检测灵敏度。新型串联气室结构如图所示,图3-2串联气室结构图在半导体光探测器中,光电二极管体积小,灵敏度高,响应速度快,偏置电压低,在光纤传感中有着广泛的应用。根据光谱吸收式气体检测中探测器响应度和响应频宽的要求,并结合探测气体吸收谱所在频段,选用PIN型InGaAs探测器(Newfocus1811)作为实验系统中的光电转换设备。3.4检测系统实验研究及分析用洁净的氮气清洗气室并利用标准配气设备将五组不同浓度的标准混合气体(CO、2CO、4CH)分别充入洁净气室,检测系统利用波长调制和谐波探测技术分别对不同浓度的标准混合气体进行了测量,每个测量点均为十次重复测量平均值,并分别拟合了混合CO、2CO、4CH气体中浓度检测曲线,如图3-3所示。测得混合气体中三种气体浓度与标准浓度线性度为0.99,测量最大相对误差小于2%,最小浓度检测限分别为0.05%,0.05%,0.005%。图3-3混合气体中标准浓度与测量浓度关系4结论本文深入研究了GaAs晶体温度传感原理，设计了新型半导体光纤温度传感系统,实验表明在0℃~235℃范围内传感系统测量精度为±0.5℃。最大温度波动范围为±0.3℃，具有具有良好的稳定性和重复性。动态响应特性好。在超窄线宽激光器波长高精度调节(扫描)基础上,对其进行单信号高频调制并设计了串联长光程气室,利用波长扫描和谐波检测技术实现了单光源多组分气体(甲焼、一氧化碳、二氧化碳)高精度多点测量，其结构简单、便于操作,测量精度高(相对误差:温度4%;浓度5%)、稳定性好(温度相对波动3.5%)。适用于气体多参数的在线检测，在电力变压器安全监测等领域有很好的应用前景。[1]雷晓梅,陈长乐.光纤温度传感器输出特性研究[J].光子学报,2007,36(2):324-327.[2]G.Casa,D.A.Parretta,A.Castrillo,etal..HighlyaccuratedeterminationsofC02linestrengthsusing