主變壓器繞組熱點(diǎn)光纖測溫技術(shù)的應(yīng)用

康建洲

（上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025）

1 傳統(tǒng)測溫技術(shù)存在不足

電力變壓器是變電站的重要設(shè)備，承擔(dān)著電網(wǎng)的升壓、降壓和電壓調(diào)節(jié)等重要任務(wù)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級的不斷提高，變壓器容量的不斷增大，其故障率也有所增加。主變壓器（以下簡稱主變）溫度作為其運(yùn)行狀況的一個重要監(jiān)測指標(biāo)，特別是變壓器運(yùn)行在高溫、高負(fù)載時，更加關(guān)系到主變的安全運(yùn)行。因此，對其進(jìn)行在線診斷，了解主變線圈內(nèi)部的實時運(yùn)行工況，使得主變測溫系統(tǒng)倍受重視。

在傳統(tǒng)主變測溫技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛且最具代表性的是熱敏電阻電橋測溫方式和鉑電阻測溫方式。雖然傳統(tǒng)測溫技術(shù)在現(xiàn)階段中應(yīng)用普遍，但其仍存在一定的局限。比如，熱敏電阻方式，其變化率為非線性，不適合測量高溫區(qū)。而Pt100（鉑電阻）雖然測量精度高，線性度好，但熱響應(yīng)慢，耐振動和耐沖擊性差。再如，傳統(tǒng)測溫技術(shù)均是基于電信號傳感器的測溫系統(tǒng)，而變壓器內(nèi)部由于存在高電壓、強(qiáng)電磁場，使得這類電信號的傳感器極易受電磁干擾，其數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確性很難得到保證。

2 光纖測溫新技術(shù)

為了克服傳統(tǒng)測溫技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的不足，推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程，許多設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，性能優(yōu)良而且日益完善。光纖測溫技術(shù)在強(qiáng)電場環(huán)境中應(yīng)用，已經(jīng)取得可喜業(yè)績，其顯著的光學(xué)特性，可使傳感器與系統(tǒng)的其他部分實現(xiàn)電氣分離，從而提高傳感器設(shè)計上的靈活性和安全性。同時，通過對主變在線遠(yuǎn)程實時測量，解決變壓器內(nèi)部線圈熱點(diǎn)溫度盲區(qū)的監(jiān)測問題。

2.1 光纖測溫原理及特點(diǎn)

任何光學(xué)特性隨溫度改變而發(fā)生變化的材料，基本上就構(gòu)成了一個光學(xué)溫度傳感器的基礎(chǔ)。其中，隨溫度變化的參數(shù)包括吸收率或其傳輸性能、反射率、折射率、偏振程度以及發(fā)出的熒光或磷光等。

光纖測溫技術(shù)最初是由氧硫化斕作為磷光體傳感器。隨著磷光物質(zhì)的溫度升高，不發(fā)光的馳豫過程占顯著的地位，因而發(fā)光強(qiáng)度也隨之減弱。稀土元素磷光物發(fā)出的熒光是由三階銪離子不同的激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的光譜線條組成，不同譜線的發(fā)光強(qiáng)度之比與激勵條件和寄生損耗的波動無關(guān)，但與溫度有關(guān)。因此，該比值可提供準(zhǔn)確的溫度信息。但是該技術(shù)成本昂貴，實際工程項目不宜采用。

隨著光纖測溫技術(shù)的發(fā)展，目前采用一種能夠在長時間內(nèi)按指數(shù)衰減熒光的材料作為傳感器，所使用的材料，具有耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無電磁干擾，數(shù)據(jù)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且性價比合理，批量生產(chǎn)，適用于工業(yè)溫度測量領(lǐng)域。高效磷光體傳感器選用4價錳離子激發(fā)的氟鍺酸鎂作為傳感器材料。紅色可輻射磷光體傳感器由可見的短波以及紫外輻射所激發(fā)，如圖1所示，同時給出用于區(qū)分激發(fā)與熒光輻射的兩個濾鏡處的透射光譜。

圖1 錳離子激發(fā)的氟鍺酸鎂傳感器的發(fā)射光譜

通過測量熒光的衰減率可以進(jìn)行溫度測量，介于初始信號電平S1與衰減信號St／e的時長就是衰減時間，如圖2所示。

隨溫度變化的衰減時間的合成變化，如圖3所示。

光纖測溫系統(tǒng)可以采用低能發(fā)光二極管作為光源，當(dāng)光電探測器接受到磷光體傳感器所產(chǎn)生的熒光后，經(jīng)過微處理器以及數(shù)字信號處理器計算衰減時間后，將返回的熒光強(qiáng)度按溫度的形式反映出來。

圖2 磷光體傳感器的熒光強(qiáng)度與衰減時間的關(guān)系

圖3 氟鍺酸鎂傳感器的衰減時間與溫度的關(guān)系

2.2 光纖測溫技術(shù)的應(yīng)用

瀘定站作為國家電網(wǎng)智能變電站的試點(diǎn)工程，在線巡檢技術(shù)是其展現(xiàn)的重點(diǎn)。設(shè)備狀態(tài)量的實時監(jiān)測，能夠更有效地提升設(shè)備運(yùn)行安全性。為此，瀘定站采用主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫新技術(shù)，用以監(jiān)測主變的常規(guī)油溫以及繞組內(nèi)的熱點(diǎn)溫升。

2.2.1 光纖測溫系統(tǒng)整合

根據(jù)瀘定站智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及站內(nèi)一體化平臺的建設(shè)模式，主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采樣和分析報警功能（包括硬件和軟件），并能與智能組件的通信組件進(jìn)行鏈接。

將主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)接入智能設(shè)備（IED）后，上傳到站控層的數(shù)據(jù)處理中心，對主變繞組熱點(diǎn)的動態(tài)監(jiān)測值進(jìn)行預(yù)診斷分析。站控層主要由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)界面，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的展現(xiàn)（包括實時數(shù)據(jù)、歷史趨勢等）和設(shè)備的綜合評估分析、輔助決策等功能，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器與自動化監(jiān)控系統(tǒng)一體化集成，主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫系統(tǒng)的軟件也整合到狀態(tài)分析系統(tǒng)中。

2.2.2 光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)建

由于測溫光纖需要繞制在變壓器內(nèi)部，長期浸泡在絕緣油中，因此選用聚四氟乙烯與凱弗拉爾制成光纖外套，并采用高功率的發(fā)光二極管。這樣可以減小光纖繞制線圈的直徑，具有更小的彎曲半徑，便于光纖在主變繞組內(nèi)的繞制與安裝。

經(jīng)過對光纖測溫設(shè)備市場的調(diào)研，瀘定站工程采用美國Lumasense公司生產(chǎn)的光纖控制器。該公司是全球光纖測溫領(lǐng)域的先鋒，擁有近30年數(shù)千臺變壓器繞組熱點(diǎn)光纖溫控器的安裝經(jīng)驗和業(yè)績。

1）光纖溫控器 8通道，測溫范圍為－30～200℃，測溫精度為±0.5℃，溫度分辨率為0.1℃，采樣速度為50 ms，可同時顯示8個通道數(shù)據(jù)，模擬輸出8路（4～20 m A），環(huán)境溫度為－40～70℃，輸入交流電源為50 Hz，110～240 V，光源壽命為30年，主面板顯示5.7英寸液晶觸摸屏，通信協(xié)議支持IEC 61850。

2）光纖傳感器 傳遞變壓器內(nèi)部的溫度信號，適應(yīng)各種苛刻的化學(xué)環(huán)境，不受變壓器高壓及電磁干擾的影響。測溫范圍為－40～250℃，響應(yīng)時間小于0.25 s，溫度分辨率為0.1℃，光纖護(hù)套采用雙重特弗綸護(hù)套凱弗拉爾保護(hù)，無電磁干擾，傳感器內(nèi)徑為1.5 mm，螺旋外套直徑為3 mm，使用壽命為30年。

3）殼體貫通器 材料為304不銹鋼，最大壓力為689.6 k Pa，最大真空小于133.322×10－3Pa，最高工作溫度為180℃。

2.2.3 光纖測溫系統(tǒng)安裝

光纖及探頭在主變線圈中的正確安裝，對光纖測溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。對于心式主變，首先選擇所需的徑向墊塊并斜向開槽，再采用GORTEX包裹探頭置于槽中，以增強(qiáng)探頭的安全性和靈活性，最后將該徑向墊塊放于主變線圈最熱部位的導(dǎo)線相鄰位置。

當(dāng)心式主變壓器線圈裝配接近完成時，將嵌入探頭的徑向墊塊裝入線圈，并在油箱內(nèi)部的光纖外部貼緊套上絕緣紙管，確保油箱壁貫通器的位置遠(yuǎn)離今后例行檢修的位置。

光纖探頭在現(xiàn)場進(jìn)行安裝的工藝分解圖，如圖4所示。

主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫系統(tǒng)實施監(jiān)測主變8個點(diǎn)的溫度，8根光纖由主變內(nèi)部引至安裝盤上的貫通器，由2根4合一光纖通過導(dǎo)線槽引至光纖溫控器，溫控器上顯示8個點(diǎn)的溫度。

圖4 光纖探頭分解

主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫系統(tǒng)安裝示意圖，如圖5所示。

圖5 測溫系統(tǒng)安裝

瀘定站主變繞組熱點(diǎn)的光纖測溫安裝位置，根據(jù)運(yùn)行要求并結(jié)合測溫設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，定為高壓繞組、中壓繞組、頂層油溫、底部油溫，涵蓋了主變的所有重要區(qū)域，讓實時監(jiān)測和診斷功能得以真正實現(xiàn)，從而降低主變繞組遭受破壞的概率，延長主變的使用壽命。

3 結(jié)語

主變繞組熱點(diǎn)光纖測溫技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)。光纖具有體積小、重量輕、柔軟可繞、電絕緣性能好、不受電磁干擾、可在易燃易爆環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的測量主變頂層或底層油溫的方式不同，光纖測溫技術(shù)可以通過直接放在主變繞組中的傳感探頭，在線準(zhǔn)確測量“熱點(diǎn)”溫度，且毋需校準(zhǔn)，給電力客戶提供了一種直接、快速的動態(tài)測量技術(shù)。

隨著電子式傳感器信號處理設(shè)備可靠性的提高，單個器件價格的降低，光纖繞組測溫技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用必將越來越廣泛。