孫凱航，王飛龍，李燕青

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

變壓器絕緣老化是影響其壽命的因素之一，而變壓器內(nèi)部溫度又直接影響了絕緣老化的速度。因此，對(duì)變壓器內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在變壓器內(nèi)部出現(xiàn)高溫時(shí)采取合理的降溫措施是延長(zhǎng)變壓器使用壽命的有效措施[1-3]。

變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括紅外測(cè)溫技術(shù)、熱電阻測(cè)溫技術(shù)以及熱電偶測(cè)溫技術(shù)等[4]。其中，紅外測(cè)溫只能對(duì)變壓器表面溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果容易受到外界干擾。熱電阻測(cè)溫技術(shù)和熱電偶測(cè)溫技術(shù)容易受到電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，測(cè)量效果不佳，測(cè)量結(jié)果的精度很難得到保證[5-7]。

針對(duì)上述變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)手段的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵傳感器的變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 光纖光柵溫度傳感原理

Bragg光柵的中心波長(zhǎng)滿足

式中:neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵條紋周期;λB為Bragg光柵的中心反射波長(zhǎng)。

由式(1)可得知Bragg光柵的中心波長(zhǎng)λB隨neff和Λ的變化而變化，而neff和Λ均為溫度的函數(shù)，式(1)等號(hào)左右兩端同時(shí)對(duì)溫度T求導(dǎo)可得

由式(2)可推導(dǎo)得

式中:KT為光纖光柵傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，與其材料有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。

由式(3)可知，光纖光柵的波長(zhǎng)偏移量與溫度變化呈線性關(guān)系，因此只需測(cè)出Bragg光柵的波長(zhǎng)偏移量即可求得溫度改變量[8-10]。根據(jù)此原理，本文設(shè)計(jì)了基于光纖光柵傳感器陣列的變壓器繞組測(cè)溫系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于光纖光柵傳感器的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的硬件部分主要由寬帶光源、隔離器、耦合器、FBG傳感器陣列、F-P可調(diào)諧濾波器、濾波控制器、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡以及PC機(jī)構(gòu)成，硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件部分型號(hào)主要參數(shù)如表1所示。

圖1 硬件部分結(jié)構(gòu)圖

表1 系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)

圖1中寬帶光源的作用是產(chǎn)生一定波長(zhǎng)范圍的光信號(hào)，啟動(dòng)系統(tǒng)工作;隔離器的作用是對(duì)寬帶光源產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行一定的濾波處理，提高光信號(hào)的抗干擾能力;耦合器的作用是對(duì)隔離器傳輸來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行分路處理，并將分路信號(hào)分別傳輸給各個(gè)傳感器，匯合各個(gè)傳感器反饋回來(lái)的光信號(hào)，采用波分復(fù)用的方式將其傳輸給F-P可調(diào)諧濾波器;F-P可調(diào)諧濾波器的作用是通過調(diào)整F-P腔的大小檢測(cè)傳感器輸出光信號(hào)的波長(zhǎng);濾波控制器的原理是通過改變內(nèi)部壓電陶瓷鋸齒波電壓的幅值來(lái)改變F-P可調(diào)諧濾波器的F-P腔長(zhǎng)，配合F-P可調(diào)諧濾波器工作;光電探測(cè)器的作用是將F-P可調(diào)諧濾波器處理后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);數(shù)據(jù)采集卡的作用是采集電信號(hào)數(shù)據(jù);PC機(jī)的作用是處理信號(hào)，輸出傳感器所在測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前溫度和溫升速率。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

采用Labview編寫變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的溫度判斷與顯示軟件。設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)根據(jù)掃描得到的光纖光柵的反射光譜圖即可確定主光纖上復(fù)用的光波的個(gè)數(shù)。若復(fù)用個(gè)數(shù)不等于傳感器探頭個(gè)數(shù)，則表明某些傳感器探頭發(fā)生故障，此時(shí)根據(jù)傳感器陣列的工作波長(zhǎng)就能在很短時(shí)間內(nèi)確定發(fā)生故障的傳感器探頭的編號(hào)和位置，軟件界面會(huì)顯示“XX號(hào)傳感器故障”信號(hào)，提醒工作人員盡快采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。反之，若復(fù)用個(gè)數(shù)等于傳感器探頭個(gè)數(shù)，則表明所有的傳感器均工作正常。此時(shí)，根據(jù)光波長(zhǎng)與溫度的函數(shù)關(guān)系即可求得測(cè)點(diǎn)溫度。

為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器繞組溫度異常問題，設(shè)計(jì)的基于光纖光柵傳感器的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)軟件判斷部分同時(shí)將測(cè)點(diǎn)溫度和測(cè)點(diǎn)溫升速率作為判據(jù)來(lái)判斷變壓器繞組溫度是否正常。測(cè)點(diǎn)溫度和測(cè)點(diǎn)溫升速率之一超過設(shè)定門檻值，則啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備，提醒工作人員采取應(yīng)急措施。

軟件界面上應(yīng)顯示傳感器編號(hào)、傳感器位置、測(cè)點(diǎn)溫度以及測(cè)點(diǎn)溫升速率等信息。同時(shí)，軟件系統(tǒng)還具有事件記憶、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、其他變壓器數(shù)據(jù)導(dǎo)入、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，方便工作人員詳細(xì)了解變壓器的溫度情況。軟件部分充分考慮了變壓器運(yùn)行時(shí)間對(duì)繞組溫度的影響，設(shè)計(jì)了相同負(fù)荷條件下溫度縱向比較功能，方便工作人員了解變壓器溫度變化情況。此外，如果將同型號(hào)其他變壓器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)不同變壓器之間溫度橫向比較，有助于全面了解變壓器繞組溫度情況。變壓器測(cè)溫系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行情況

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)將6個(gè)溫度傳感器分布在10 kV油浸式單相實(shí)驗(yàn)用變壓器繞組的不同位置，實(shí)驗(yàn)過程中在各個(gè)傳感器附近安裝美產(chǎn)高精度數(shù)字式溫度計(jì)F51-II，將傳感器的測(cè)量結(jié)果與F51-II高精度數(shù)字式傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。表2結(jié)果表明，光纖光柵傳感器的測(cè)量結(jié)果與F51-II的測(cè)量結(jié)果的最大絕對(duì)誤差為0.2℃，在±0.5℃范圍內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。

表2 變壓器油溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ℃

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常用變壓器測(cè)溫技術(shù)存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了基于光纖光柵傳感器的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)，它不僅克服了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)溫的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器繞組溫度異常問題，同時(shí)還能將測(cè)點(diǎn)溫度和測(cè)點(diǎn)溫升速率作為判據(jù)來(lái)判斷變壓器繞組溫度是否正常。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性良好。

[1]THEUNE N M，MLLER M，HERTSCH H.Investigation of Stator Coil and Lead Temperature on High VoltageInside Large Power Generators via Use of Fiber Bragg Gratings[J].Journal of Microfabrication Technology，2002，10(02):17-23.

[2]廖建慶.基于光纖Bragg光柵傳感的油浸式變壓器測(cè)溫系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，33(12):98-100.

[3]王紅春.光纖變壓器繞組溫度在線檢測(cè)系統(tǒng)[J].山東科學(xué)，2008，21(6):58-60.

[4]尤旭鵬，楊廣學(xué).光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)在變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電子科技，2006，22(12):8-10.

[5]曾凡超，魏玉賓，鄺國(guó)安，等.光纖光柵測(cè)溫在變壓器油溫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2009，45(7):12-13.

[6]李靖，王月華，宗慧敏，等.全光纖技術(shù)在變壓器繞組在線測(cè)溫中的應(yīng)用[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(1):80-83.

[7]尚秋峰，林炳花.光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)典型尋峰算法的比較分析[J].電測(cè)與儀表，2010，47(2):1-4.

[8]劉祖惠.變壓器溫度監(jiān)測(cè)方法及常見故障淺析[J].四川電力技術(shù)，2011，34(1):67-70.

[9]呂紅軍，孫乾義，張科欣.綜合自動(dòng)化變電站變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的研究[J].電子儀器與工程，2009，17(7):62-64.

[10]康建洲.主變壓器繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用[J].電力與能源，2012，33(3):286-288.