变压器绕组光纤温度-王红春

基金项目：863计划资助，课题编号：2006AA06Z213作者简介：王红春（1982-），男，硕士研究生。主要研究方向：光纤传感器＊通讯作者：E-mail：[e-mail]光纤变压器绕组温度在线检测系统的研究王红春(山东微感光电子有限公司)摘要：针对变压器内绕组易发热的监测要求，本文研制了一种新型的光纤式温度在线检测系统。该系统基于光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感原理，对接收到的光信号解调，实现对变压器绕组上易发热点进行实时在线监测。光纤光栅测温系统具有抗电磁干扰能力强、体积小、耐腐蚀、绝缘性能强等优点，对变压器整体的智能化测试有重要意义。关键词变压器绕组;光纤光栅；传感器探头；实用性中图分类号：TP216文献标识码:AResearchofTransformerWindingTemperatureFiber-DetectionSystemWangHongchun(Shandongmicro-sensorphotonicsLtd,Jinan250014,china)Abstract:AccordingtotemperaturemeasurementofTransformerWindingfever,thispaperresearchedanewkindofopticalfibertemperatureon-linedetectionsystem.ThedetectionsystemisbasedonFiberBraggGrating(FBG)principle,demodulatestoreceivetheopticalsignalandreal-timeon-linemonitortoTransformerWindingfever.Thedetectionsystemwithanti-electromagneticinterferenceability,smallsize,resistanttocorrosion,insulation,andotheradvantages,isimportanttotheoverallintelligencetesttransformer.Keywords:Transformerwinding,opticfibergrating,sensorprobe,application1.引言电力行业设备中大型变压器担负着电压、电流的转换以及功率传输的重要任务，它的性能好坏直接影响电力整个系统安全稳定运行。由于长期处在满负荷运行状态，又因为采用全封闭式结构，引起其各部位经常发热，在很多情况下工作人员无法测量到变压器内部某些陕小的位置，如经常发热的绕组上的温度，长期运行，易引起发热部分老化，温度高升，这直接威胁着整个电网的运行。因此，通过对变压器绕组易发热点进行实时在线监测并根据其温度变化来判断其健康状况，提示工作人员对变压器进行负荷调整以及预知性维修，避免发热导致变压器种种故障。在电力中目前所用的变压器绕组测温方法有热电阻测温、热电耦测温和红外测温[1]。但绕组处于高电压、高温度、高磁场以及极强的电磁干扰的特殊环境中，而热电阻、热电耦又都有金属导线传输信号，会对环境产生电磁干扰，金属导线常期处在油内，老化后容易产生短路。红外线无法安装在变压器内，只能测量变压器的表面温度，并且易受环境温度影响等。光纤温度传感器与传统的传感器相比，有以下优点：本质防爆，对电绝缘，适用于高电压以及强电磁干扰环境下的检测，化学稳定性好；传感探头结构简单、尺寸小、重量轻、耐温性好，径细、质地柔软，具有优良的可操作性和埋入性；时域变换性好，易于多点分布测量，并可单线多路复用，构成传感网络和阵列，便于波分时分复用[2]及分布式传感[3]。2.变压器绕组测温原理2.1光纤光栅温度传感器工作原理用强度在空间上周期变化的强紫外线激光照射掺锗光纤就可在纤芯内、沿轴向形成一个折射率周期变化的光栅。当一束宽光谱光通过FBG时，FBG反射回一束单色光，经传输光缆传送到调制解调器，测定窄带光的中心波长，从而确定现场温度。当现场温度稳定不变时，系统返回的窄带光中心波长也不变。当现场温度发生变化时，系统返回的窄带光中心波长发生相应的变化，达到精确测量现场温度的目的。同时，系统通过二次仪表准确地显示出测量温度，并可以给出相应的接点信号。FBG反射回一束单色光的波长λ满足下式[4]：λB=2nΛ(1)式中，λB为Bragg波长，n为有效折射率，Λ为光栅周期。作用于光纤光栅探头的被测物理量（温度）发生变化时，会引起n和Λ的相应改变，从而导致λB的漂移，反过来，通过检测λB的漂移，可得知被测物理量的信息。在无应力的情况下，可得出波长λB与温度℃关系式为：λB=λ+（ΔT-TO）*K(2)式中λB为绝对变化波长值，λ为基准波长，TO为绝对温度，ΔT为变化量，K为基准系数；由公式（2）可得出ΔT=（λB-λ）/K+T0（3）通过测定λB的漂移，可获得ΔT的温度值。2.2系统结构图根据光纤光栅温度传感器的原理，我们设计了光纤光栅测温系统。图1是测温系统整体结构图。该系统主要由宽带光源，耦合器，测温探头，分析仪等组成。以下为监测仪正背面图监测仪实物正面图监测仪实物背面图其工作原理为：由宽带光源发出的光束经耦合器后沿光纤进入测温探头。测温探头主要包括感温元件-光纤温度传感器和配件，光纤温度传感器是物理量的变换元件，它实现温度的改变到光信息的变化（该光纤温度传感器由山东微感光电子有限公司自主研发和生产）。光纤温度传感器的输出光信号经耦合器后进入分析仪，并由分析仪解调出变化的光信息，即可得到变化的温度的数值。图1为光纤光栅测温系统结构图2.3光纤温度探头光纤光栅温度传感器采用光信号进行测量和传输，现场实现了无电检测。同时该系统使用光栅技术，检测信号以光信号中心波长为对象，克服了传统光电传感器依赖光强和电强度大小的缺陷，实现了数字化检测，可靠性好，灵敏度高。光纤温度探头是采用化学性能稳定的绝缘材料，透油性及强的光纤套管，外加螺旋状缠绕的铁氟龙管保护加强，能让油顺利流入流出护套，同时也方便对变测温探头宽带光源FBG分析仪耦合器压器内传感器抽真空。光纤温度探头如图2所示。图2光纤温度探头3.实验测试及测试结果3.1实验装置实验用的传感器及传感器解调系统均为山东微感光电子有限公司自主研发生产。为了使测试数据更准确和可靠，该系统内各结构部件都是选择进口元器件，测试设备均采用高性能的仪器设备配置。实验装置见图2。图3为实验装置3.2测试结果在测试中我们是采用国标二等水银温度计（每年通过国家测量仪器检测中心校正一次）来对比。恒温液体槽精度可达到±0.02℃，槽内为标准变压器油，恒温槽可进行各温度段调节，通过采点升降不同的温度，得出以下温度与光纤波长关系曲线（见图4）。图4为参数关系图根据以上标定的系数，模拟现场测温最高温度升至121度，得到以下试验结果:表1光纤光栅测温系统试验结果℃温度计测温光纤光栅测温电热偶测温109.99.219.519.519303030.6373737.945.645.64558.858.95869.269.268.67979.18090.590.289.995.395.594.3104.9105.2106.1115.8116116.9120.9121.3122由表1结果数据看出，光纤光栅测温系统更准确，所测温度更接近被测物体的真实温度，更进一步说明了该系统是变压器绕组在线测温最理想产品。4结论在本系统中光纤既是传感元件，又是传输介质，在信号的产生和传输过程中，没有任何电子元器件参与现场工作，本系统能进行快速多点监测和空间定位，并能进行自动超温报警。传感器及传输线路不需要任何供电及电缆，光纤及护套(用玻璃纤维加工)能耐高温，不会被火灾毁坏，系统与其计算机系统连网后，不但可以抗电磁干扰，还可以自动超温处理，提高自动化程度，减少人为的失误。光纤光栅温度传感器是当代最先进的高科技产品，是新一代无电检测仪器，适应于各种恶劣环境下的物理参数测量，能够准确地检测介质（环境）的温度等基本变化。通过以上多次的实验表明光纤光栅传感器的性能都比传统的测温传感器更稳定、更可靠、更准确。光纤光栅变压器绕组测量传感器具有较高的灵敏度和测量范围，亦可同时测定若干部位相应物理量及其变化，光纤光栅探头以其独特的体积小、重量轻，可深入到常规传感器所不能达到的的部位进行特性检测，完全适用于变压器绕组温度和其它参量的在线监测。参考文献[1]杨子东陈远宏，红外测温及其应用，昆明工大学学报1999,24（5）:p59-61[2]江毅刘莉,基于波分耦合器的光纤布拉格光栅传感器光学学报2004.1(4):p21-23.[3]戚风云赵乐军周又玲,基于DSP的分布式光纤测温系统及高速数据采集与处理今日电子2005,15(7):p64-70[4]NormannR,WeissJ.Krumhansldevelopmentoffibersopticcablesforpermanentgeothermalwellboredeployment[A].Proceedings,Twenty-SixthWorkshoponGeothermalReservoirEngineeringStanfordUniversity[C].2001,29231.