汪 晨　連子龍　程 林　鄧建鋼　陸云才

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500kV以上超高電壓等級油浸式變壓器熒光光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

汪 晨1連子龍1程 林2鄧建鋼2陸云才3

（1. 北京東方銳擇科技有限公司，北京100085； 2. 國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢430000； 3. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，南京210024）

超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度實時監(jiān)測是保障變壓器可靠運行的重要部分，現(xiàn)有的超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度是通過繞組溫度計算模型推算而來。變壓器內(nèi)部熱點溫度，除了線圈發(fā)熱通過熱傳遞引起其他位置溫度的變化外，還與變壓器線圈附近的磁通量有關，通過模型推算變壓器內(nèi)部溫度分布，誤差較大。本文論述了基于熒光余暉衰減特性與溫度關系，研究出一種熒光光纖溫度傳感技術，給出了傳感器熒光材料特性、結構封裝，驗證了傳感器的測溫精度和所使用材料的安全可靠性。該溫度監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成功應用500kV以上超高壓等級油浸式變壓器中，實現(xiàn)了超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度真正意義上的在線監(jiān)測。

熒光光纖溫度傳感器；熒光壽命；工頻耐壓；雷電沖擊；500kV以上超高電壓等級油浸式變壓器

變壓器是電網(wǎng)一次設備的重要組成部分，變壓器的繞組熱點溫度是決定其絕緣壽命的主要因素。

油浸式電力變壓器溫度測量技術受制于變壓器內(nèi)部環(huán)境高電壓、大電流、高絕緣以及強電磁場干擾的影響，基于傳統(tǒng)電信號測量技術使用的熱電偶、熱電阻傳感器無法滿足變壓器內(nèi)部繞組熱點溫度測量的技術需求。目前，適用直接測量變壓器繞組溫度的傳感器只能選用光纖溫度傳感器。半導體光纖溫度傳感器屬于光強或波長調(diào)制型傳感器，實際使用過程中容易受到溫度、光源強度、光纖微彎效益、耦合損耗等因素的影響，受干擾情況比較嚴重。基于拉曼/布里淵散射的光纖傳感器測量精度、空間分辨率和測溫范圍相互制約，保持幾個攝氏度的測溫誤差，其空間定位誤差在1m左右，對于變壓器內(nèi)部使用誤差較大。光纖光柵溫度傳感器基于波長信號解調(diào)，但光纖光柵在原理上會受壓力、應力、形變等等其他因素的干擾，對光柵的封裝要求非常高。

伴隨著光電子技術的發(fā)展，熒光光纖溫度傳感器擁有體積小、耐高溫、耐超高壓、抗腐蝕、絕緣性能好、性價比高、不受應力振動干擾等諸多優(yōu)勢，能夠突破其他光纖測溫技術的局限，非常適合油浸式變壓器內(nèi)部繞組熱點溫度的測量。

目前為止在500kV以上變壓器內(nèi)部繞組溫度監(jiān)測未有直接采用包括光纖測溫在內(nèi)的任何測溫手段。針對高等級變壓器設計要求，特別設計了耐受高等級電壓的光纖溫度探頭，并經(jīng)過工頻耐壓及雷電沖擊試驗，完全達到變壓器內(nèi)部高等級電壓安裝要求。

1 熒光光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)構成及傳感器基本原理

熒光光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由熒光光纖溫度傳感器、貫通器、光纖跳線、熒光解調(diào)主機、監(jiān)控軟件組成。熒光光纖溫度傳感器是該系統(tǒng)中的感溫部分，也是惟一安裝在變壓器內(nèi)部的部件。貫通器被安裝在變壓器壁上，用于連接內(nèi)部熒光光纖溫度傳感器和外部光纖跳線，起到光學聯(lián)通并能夠達到隔油密封的作用，能夠承受的壓力約7MPa。熒光解調(diào)主機用來解調(diào)熒光光纖溫度傳感器傳送出來的光學信號解析出溫度。溫度信號再通過485總線方式輸出至上位機監(jiān)控軟件，實時讀出、保存、分析溫度數(shù)據(jù)。

熒光物質(zhì)的發(fā)光是能量高的光照射熒光物質(zhì)，激發(fā)出比其能量低的熒光，激發(fā)出的熒光強度隨時間成指數(shù)規(guī)律衰減。

式中，0為=0s時的熒光強度；為熒光壽命，即熒光強度從0減小到0/e的時間長度。熒光壽命，即熒光衰落時間，是按指數(shù)方式衰減的時間常數(shù)，它依賴于不同的熒光材料的特性，有幾百ns，幾ns，甚至還有亞ns。圖1所示是熒光衰減曲線。

圖1 熒光衰減曲線

根據(jù)《光子學報》，稀土熒光特性與溫度關系推算到熒光衰減時間與溫度有這樣的關系，即

式中，s、T、、D為常數(shù)；為熱力學溫度。

熒光衰減時間是溫度參數(shù)的單值函數(shù)，溫度升高，熒光壽命減小，通過測量熒光壽命可以得到溫度值，利用該方法測量的溫度只取決于熒光壽命，而與其他參量無關。

2 傳感器的熒光材料的選擇與熒光材料封裝及固定安裝方式

熒光材料作為光纖溫度傳感器感溫部分，其被激發(fā)后輻射出的熒光余暉衰減特性直接影響了整個溫度傳感器的性能。熒光材料的選擇是整個傳感器的核心之一，目前市面上熒光粉樣式種類繁多，通常在燈具及交通應用中居多。材料大多為鹵磷酸鹽類和稀土三基色熒光粉，這類熒光粉熒光余暉時間較長，同一溫度下熒光余暉衰減曲線的一致性差，并不適用于溫度傳感使用。

熒光材料的選擇需要滿足幾個要點：①熒光物質(zhì)能夠被特定波長的光所激發(fā)，在實際應用中激發(fā)光與輻射的熒光波長不能太接近；②熒光材料衰減時間一致性高，當激勵光停止時，熒光材料就會立刻停止發(fā)光，溫度相同時，衰減時間常數(shù)相同； ③熒光余輝衰減的時間常數(shù)在溫度變化時，時間常數(shù)穩(wěn)定變化；④熒光材料化學性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中長期暴露不氧化、耐腐蝕、高等級耐油性；在常溫狀態(tài)下，熒光材料余輝衰減時間在3～5ms內(nèi)。

不同溫度下熒光壽命隨溫度變化的速率是不同的，根據(jù)理論公式熒光壽命隨溫度的下降而增長，在溫度低于100K之后熒光壽命將趨于一個穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值即為激發(fā)態(tài)最低能態(tài)度壽命值。在不同溫度下熒光壽命隨溫度變化速率是不一樣的，在曲線的兩端變化較緩慢而在曲線的中部變化較快。對于不同的熒光材料，變化較快的溫度區(qū)間是不同的，這可以指導在設計熒光壽命式溫度傳感器的時候，應根據(jù)不同的測溫區(qū)間選取最合適的熒光材料，提高溫度測量的靈敏度和精確度。

Ba3MgSi2O8：Eu2+，Mn2+熒光粉采用非均相沉淀法制備，在進紫外光波段激發(fā)條件下，占據(jù)Ba3MgSi2O8晶格上Ba2+格位的Mn2+離子的3d5能級的4T1→6A1躍遷發(fā)射605nm紅光。通過脈沖光源激發(fā)測試，該類熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的余輝在25℃時衰減到最大值的20%所需要的時間約為5ms，隨著溫度的升高熒光余輝的衰減速率越快，在150℃時該時間參數(shù)約為3.5ms。硅酸鋇鎂為基質(zhì)制備的熒光粉化學特性穩(wěn)定、光學特性優(yōu)良，能夠滿足熒光溫度傳感器對熒光材料的選材要求。

電力系統(tǒng)的工業(yè)應用環(huán)境，對傳感器的機械強度具有一定的要求，要解決在安裝過程中抗軸向拉力的相關問題。傳感器采用PFA高等級耐壓材料作為光纖的外保護套管，使用特氟龍絕緣塊固定在光纖末端作為抗軸向拉力結構件。

熒光材料本身為粉末狀，為了不改變熒光物質(zhì)的物理屬性，不宜二次加工。通過玻璃熔接技術將粉末狀熒光材料封裝在透明玻璃管中，光纖端面被熒光材料包裹住確保熒光材料被激發(fā)出的熒光能夠耦合入光纖中。通過玻璃熔接方式，能夠滿足探頭在使用過程中的機械強度。

具有絕緣固定塊的抗軸向拉力設計，配合油浸式變壓器用絕緣墊塊的開孔，能夠?qū)晒夤饫w溫度傳感器牢固地安裝在變壓器的線圈內(nèi)。通常變壓器內(nèi)部線圈繞好后，在套裝過程中即可進行熒光光纖溫度傳感器的安裝。在變壓器絕緣墊塊上根據(jù)設定的尺寸進行開孔，隨著絕緣墊塊一起將熒光光纖溫度傳感器裝在變壓器繞組內(nèi)。熒光光纖溫度傳感器安裝，如圖2所示。

圖2 熒光光纖溫度傳感器安裝示意圖

3 傳感器溫度精度及可靠性測試

3.1 精度驗證

通過解析熒光曲線的衰減函數(shù)得到被測溫點的溫度值，為了驗證傳感器解析得出溫度值的準確性，北京市計量檢測科學研究院對傳感器進行過校準認證實驗。實驗通過-50℃～240℃區(qū)間進行升溫過程，再選取12個溫度點讓熒光光纖傳感器得出的溫度值與標準油槽溫度值進行對比。

根據(jù)測量驗證報告，熒光光纖溫度傳感器溫度測量精度能夠達到±0.3℃，該精度能夠滿足電力系統(tǒng)中的測溫要求。溫度范圍涵蓋變壓器內(nèi)部溫度變化區(qū)間，熒光光纖溫度傳感器解析的溫度準確性完全能夠滿足變壓器內(nèi)部溫度的檢測。

3.2 工頻耐壓及雷電沖擊試驗驗證

變壓器內(nèi)部電場環(huán)境復雜，傳感器是需要安裝在變壓器內(nèi)部，其本身所用的材料的安全性顯得尤為重要。為了驗證熒光光纖溫度傳感器的絕緣性能，西安高壓研究院對熒光光纖溫度傳感器進行了工頻耐壓和雷電沖擊測試。

空氣的絕緣等級要遠低于變壓器油，被測試樣樣品進行真空脫氣處理。試驗過程中模擬油浸式變壓器內(nèi)部的高壓環(huán)境，使用特制試驗工裝進行工頻耐壓和雷電沖擊試驗。整體工裝結構包含電極、均壓球、導電桿、支撐架等，工裝兩端分別接高壓導線和接地導線。測試工裝示意圖如圖3所示，工頻耐壓和雷電沖擊試驗工裝相同，試驗參考標準為ASTM D2413、ASTM D149、ASTM D3426。傳感器選用的材料均為絕緣強度非常高的氟材料，介電剛性約17～24kV/mm，故工頻耐壓試驗摸底電壓參數(shù)設定在80kV，雷電沖擊摸底電壓參數(shù)設定在350kV。

圖3 高壓環(huán)境的試驗現(xiàn)場

對于工頻耐壓試驗，將電極間距設定為25mm，熒光光纖溫度傳感器穿過測試工裝中左邊部分的通孔，熒光光纖溫度傳感器探頭與右邊電極接觸。工裝整體放置在充滿變壓器油的容器中，工裝兩端分別接高壓導線和接地線。

在試區(qū)大氣=96.5kPa、=29.4℃、H=33%的條件下，采用逐步加壓方式，直至樣品達到加壓設備的極限或被擊穿（極限加壓電壓為200kV）。起始工頻耐受電壓為80.2kV之后不經(jīng)降壓而直接逐步升高耐受電壓。

表1 工頻耐壓試驗數(shù)據(jù)表

試驗結果表明，熒光光纖溫度傳感器的工頻耐壓參數(shù)，能夠安全可靠地被安裝在油浸式變壓器 內(nèi)部。

雷電沖擊試驗所用的試驗工裝及安裝方式與工頻耐壓試驗是一樣的。試區(qū)大氣=96.4kPa，= 30.6℃，H=46%條件下。起始加壓為350kV，同一電壓區(qū)間加壓三次后再提高施加電壓。電壓頻率為50Hz，脈沖波為1.2/50ms，間隔電壓為50kV，加壓保持20s。最少達到第二級加壓未出現(xiàn)擊穿，算為有效測試，高于二級加壓或目標值出現(xiàn)擊穿為有效測試電壓值。

試驗結果表明，熒光光纖溫度傳感器能夠耐受的電壓沖擊。

表2 沖擊試驗數(shù)據(jù)表

4 實踐應用

熒光光纖溫度傳感器在2016年5月份應用于一臺500kV油浸式變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測中，主要監(jiān)測變壓器內(nèi)部繞組線圈、拉板、壓釘、油口等32個位置的熱力分布情況。油浸式變壓器在出廠前需要進行一系列的出廠檢驗試驗，其中變壓器的溫升試驗是用來驗證變壓在工作時內(nèi)部線圈及相關熱點溫度是否在其正常工作范圍內(nèi)的重要手段。

將500kV變壓器的二維電場模型分為上端部、中部、下端部三部分，應用Main-Insulation軟件對其尺寸參數(shù)分別進行設定，進行自動網(wǎng)格劃分，加載第一類邊界條件后使用默認求解器求解得出模擬電壓數(shù)值，光纖溫度傳感器的工頻耐壓和雷電沖擊等級范圍能夠安全在該變壓器內(nèi)部安裝。

熒光光纖溫度傳感器在500kV油浸式變壓器中的安裝過程中可使用手持儀表對熒光光纖溫度傳感器進行測試，確保安裝成功。線圈部分安裝完成后，熒光光纖溫度傳感器隨線圈一同進入干燥爐進行干燥。待干燥完成后，安裝剩余位置上的熒光光纖傳感器。壓釘、拉板、油口等位置直接通過捆綁的方式，固定在需要測量的位置上。

熒光光纖測溫傳感器感溫部分需要安裝在被檢測的變壓器內(nèi)部熱點上，連接器端通過貫通器連接到測溫主機上，對熒光信號進行解析并實時顯示溫度值。數(shù)據(jù)通過485總線傳輸?shù)奖O(jiān)視上位機，上位機能夠顯示實時溫度曲線并將溫度保存在后臺數(shù)據(jù)庫中。實現(xiàn)整個溫度監(jiān)測系統(tǒng)的運行。

光纖溫度傳感器被安裝到500kV變壓器內(nèi)部，跟隨變壓器一同進行溫升試驗。變壓器需加載80kV電壓，通過改變變壓器負載，增大變壓器線圈電流使得線圈發(fā)熱，風機啟動同時內(nèi)部變壓器油進行循環(huán)散熱。整個溫升過程需要加壓80kV后保持10h以上，再撤銷電壓測量變壓器整體阻抗，然后再加30kV電壓保持4h。整個過程線圈溫度會快速上升到最大值，由于變壓器油的循環(huán)散熱，所以線圈的溫度會相對比較穩(wěn)定。在撤銷電壓測量阻抗過程中，線圈內(nèi)沒有電流，線圈溫度會下降得比較快，再次加30kV電壓后溫度再次快速上升。第二次加壓的電壓值低，在第二次加壓后，線圈溫度值應低于第一次加壓后的溫度值。

熒光光纖溫度傳感器在整個溫升過程中實時監(jiān)測并記錄溫度數(shù)據(jù)，每40s記錄一個溫度值，整個溫升試驗16h共記錄1500個數(shù)據(jù)，圖4橫坐標為數(shù)據(jù)記錄個數(shù)。溫度曲線如圖4所示。

圖4 線圈位置溫度變化過程曲線

安裝在高壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L1，安裝在中壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L2，安裝在低壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L3。

整個溫升試驗溫度變化趨勢符合前期推測，并且能夠準確地測量出各個熱點的具體溫度值，為變壓器的研究提供可靠的數(shù)據(jù)來源。熒光光纖溫度傳感器被安裝在變壓器內(nèi)部，與整個變壓器一起進行絕緣和耐壓試驗，試驗均能夠順利通過再一次驗證熒光光纖溫度傳感器的安全可靠性。

5 結論

熒光光纖傳感器將無源測溫方式成功應用到超高電壓等級油浸式變壓器中，解決了變壓器內(nèi)部由于高壓環(huán)境的局限難以對溫度進行實時監(jiān)控的難題，克服了傳統(tǒng)測溫技術在電力系統(tǒng)應用的不足。熒光光纖測溫監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供動態(tài)、實時、安全可靠的高電壓內(nèi)部環(huán)境的溫度信息，有效地評估變壓器運行狀態(tài)，為變壓器設計水平和制造質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

熒光光纖傳感器在變壓器公司500kV油浸式變壓器中監(jiān)測溫度分布，是熒光光纖傳感器在全國最高等級變壓器中的首次應用，也是熒光光纖傳感器在的電力系統(tǒng)中的標志性應用。

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Fluorescence Fiber Temperature Monitoring System Reserach Used for Above 500kV Ultra High Voltage Level Oil-immersed Transformers

Wang Chen1Lian Zilong1Cheng Lin2Deng Jian’gang2Lu Yuncai3

(1. Beijing Oriental Rayzer Technolongy Ltd, Beijing 100085； 2. State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan NARI Limited Liability Company, Wuhan 430000; 3. State Grid Jiangsu Electric Power & Research Instiute, Nanjing 210024)

Internal winding temperature real-time monitoring is an important part of guarantee reliable operation in ultra high voltage level oil-immersed transformers, the existing way to measure internal winding temperature through calculation and winding temperature calculation model. The impact of transformers internal hot-spot temperature is not only the coil temperature fever caused by heat transfer to other position changes but also the magnetic flux close to the transformer coil. Through the model calculated the temperature distribution inside the transformer have big error. This paper discusses based on the fluorescent light attenuation and temperature, find a fluorescence optical fiber temperature sensing technology, provide fluorescent sensor material properties and package structure, Verify the temperature measurement precision of the sensor and the safety and reliability of the used materials. The temperature monitoring system has been successfully applied above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers, realize the ultrahigh pressure oil-immersed transformer winding temperature on-line monitoring.

fluorescence optical fiber temperature sensor; fluorescence lifetime; power frequency withstand voltage; lightning shock; above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers

國家電網(wǎng)科技項目（SGTYHT/14-JS-188）

汪 晨（1990-），男，漢族，安徽省桐城市人，碩士研究生，中級嵌入式工程師，主要從事光傳感研究工作。