基于光纖光柵傳感器的變壓器測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，對變壓器內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)測常用的監(jiān)測技術(shù)主要包括紅外測溫技術(shù)、熱電阻測溫技術(shù)以及熱電偶測溫技術(shù)等[4]。其中，紅外測溫只能對變壓器表面溫度進(jìn)行測量，測量結(jié)果容易受到外界干擾。熱電阻測溫技術(shù)和熱電偶測溫技術(shù)容易受到電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，測量效果不佳，測量結(jié)果的精度很難得到保證[5-7]。

針對上述變壓器繞組溫度在線監(jiān)測手段的不足，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)測系統(tǒng)。

1 光纖光柵溫度傳感原理

Bragg光柵的中心波長滿足

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。

由式(1)可得知Bragg光柵的中心波長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)等號左右兩端同時(shí)對溫度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)，與溫度無關(guān)。

由式(3)可知，光纖光柵的波長偏移量與溫度變化呈線性關(guān)系，因此只需測出Bragg光柵的波長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)生一定波長范圍的光信號，啟動系統(tǒng)工作;隔離器的作用是對寬帶光源產(chǎn)生的光信號進(jìn)行一定的濾波處理，提高光信號的抗干擾能力;耦合器的作用是對隔離器傳輸來的光信號進(jìn)行分路處理，并將分路信號分別傳輸給各個(gè)傳感器，匯合各個(gè)傳感器反饋回來的光信號，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腔的大小檢測傳感器輸出光信號的波長;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改變F-P可調(diào)諧濾波器的F-P腔長，配合F-P可調(diào)諧濾波器工作;光電探測器的作用是將F-P可調(diào)諧濾波器處理后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號;數(shù)據(jù)采集卡的作用是采集電信號數(shù)據(jù);PC機(jī)的作用是處理信號，輸出傳感器所在測點(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和位置，軟件界面會顯示“XX號傳感器故障”信號，提醒工作人員盡快采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。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)光波長與溫度的函數(shù)關(guān)系即可求得測點(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溫系統(tǒng)軟件判斷部分同時(shí)將測點(diǎn)溫度和測點(diǎn)溫升速率作為判據(jù)來判斷變壓器繞組溫度是否正常。測點(diǎn)溫度和測點(diǎn)溫升速率之一超過設(shè)定門檻值，則啟動報(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、傳感器位置、測點(diǎn)溫度以及測點(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、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，將傳感器的測量結(jié)果與F51-II高精度數(shù)字式傳感器的測量結(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量結(jié)果與F51-II的測量結(jié)果的最大絕對誤差為0.2℃，在±0.5℃范圍內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場測量要求。

表2 變壓器油溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ℃

4 結(jié)語

針對常用變壓器測溫技術(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溫系統(tǒng)，它不僅克服了傳統(tǒng)單點(diǎn)測溫的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器繞組溫度異常問題，同時(shí)還能將測點(diǎn)溫度和測點(diǎn)溫升速率作為判據(jù)來判斷變壓器繞組溫度是否正常。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的測溫系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性良好。

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