徐智超, 趙振剛, 李英娜, 段朝磊, 張 欣, 李 川
(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)
應(yīng)用技術(shù)
光纖Bragg光柵傳感器在變壓器油溫檢測(cè)中的應(yīng)用
徐智超, 趙振剛, 李英娜, 段朝磊, 張欣, 李川
(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)
摘要:油浸式變壓器中油溫的高低是決定電氣設(shè)備絕緣老化速度快慢的重要因素。分析油浸式變壓器內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布特性,對(duì)變壓器內(nèi)部油溫傳感器的布設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)光纖Bragg光柵(FBG)中心波長(zhǎng)隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)油浸式變壓器油溫的測(cè)量。以型號(hào)為S13—12500/35的油浸式變壓器為試驗(yàn)對(duì)象,測(cè)得變壓器以1倍功率運(yùn)行時(shí),變壓器的上、中、下層油溫度分別為63,52,40 ℃,上、中、下層的油溫梯度差約為10 ℃。
關(guān)鍵詞:光纖Bragg 光柵; 變壓器內(nèi)部溫度; 溫度場(chǎng)仿真
0引言
大型油浸變壓器是電力系統(tǒng)中價(jià)值最高且最為重要的一類主設(shè)備,其可靠性和運(yùn)行壽命直接影響電網(wǎng)運(yùn)行安全和資產(chǎn)績(jī)效[1,2]。變壓器油溫過高會(huì)使絕緣材料的絕緣性能降低并加快其老化,從而降低變壓器的使用壽命,對(duì)變壓器油溫的檢測(cè)能夠準(zhǔn)確把握變壓器的工作狀況,對(duì)可能發(fā)生的故障提前預(yù)警[3~5]。西安理工大學(xué)的劉華等人,采用鉑電阻溫度傳感器設(shè)計(jì)了對(duì)變壓器油溫測(cè)量的檢測(cè)系統(tǒng)[6],但由于要克服銅導(dǎo)線對(duì)變壓器內(nèi)部漏磁和的影響,使得布設(shè)的難度較高,對(duì)測(cè)量精度也有一定影響。呂啟深等人提出了光纖測(cè)溫在變壓器內(nèi)部的應(yīng)用進(jìn)行了理論上的分析和展望,但沒有設(shè)計(jì)可以應(yīng)用在工程上的傳感系統(tǒng)。光纖本安特性良好,抗干擾,耐高溫,電絕緣,制成的傳感器特別適合在變壓器內(nèi)部強(qiáng)電強(qiáng)磁環(huán)境下使用。
本文對(duì)變壓器油箱內(nèi)部油流狀態(tài)和溫度場(chǎng)的分布的情況進(jìn)行有限元分析后,對(duì)光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的布設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化,再以油浸式35 kV(型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器)變壓器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在一次變壓器溫升試驗(yàn)中,使用FBG傳感器對(duì)變壓器內(nèi)部上、中、下層油溫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。
1仿真分析
變壓器內(nèi)部的熱量主要是由損耗引起的,要對(duì)變壓器內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析,首先要對(duì)變壓器內(nèi)部損耗進(jìn)行仿真分析。變壓器損耗主要是由兩部分組成,即空載損耗(鐵損)和負(fù)載損耗(銅損)。首先建立變壓器模型,如圖1所示,使用Maxwell電磁仿真軟件對(duì)變壓器內(nèi)部組件的損耗進(jìn)行仿真,通過得出的損耗計(jì)算出相應(yīng)的熱量。
定義好變壓器部件參數(shù),包括繞組和鐵芯的材料,密度
及相關(guān)損耗模型參數(shù)后,開始進(jìn)行損耗仿真:將變壓器中通入50 Hz正弦交流電,運(yùn)行周期為0.02 s,選取0.1 s約5個(gè)周期作為仿真時(shí)長(zhǎng),仿真步長(zhǎng)選取0.000 1 s。仿真完成后,變壓器各組件的損耗值如圖2所示。
圖2仿真計(jì)算知,鐵芯損耗為7.7 kW,高壓繞組損耗為19.9 kW,低壓繞組損耗為20.6 kW,渦流損耗為0.09 kW。由于繞組中通有電流,其繞組損耗為通入電流有效值的平方與繞組電阻的乘積。
圖1 變壓器模型Fig 1 Model of transformer
圖2 變壓器各組件損耗值Fig 2 Loss value of each components of transformer
將其損耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為發(fā)熱載荷輸入ANSYS CFX中對(duì)該變壓器進(jìn)行溫度場(chǎng)和流場(chǎng)仿真。
設(shè)置相關(guān)的參數(shù)和邊界特性,其中,初始環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃;鐵芯的材料設(shè)置為硅鋼,直徑設(shè)置為44 cm,高度設(shè)置為72 cm;繞組中材料設(shè)置為紫銅,高壓繞組匝數(shù)設(shè)置為432,低壓繞組匝數(shù)設(shè)置為114;流體的設(shè)置為油,初始油溫設(shè)置為25 ℃。
然后,將Maxwell電磁仿真軟件中計(jì)算出的熱載荷定義為能量并以熱源的方式導(dǎo)入到ANSYS CFX中,分別得到30,60,120 min變壓器整體的溫度分布仿真圖3所示;30,120 min的油液流速仿真如圖4所示。
圖3 變壓器油箱溫度場(chǎng)仿真Fig 3 Temperature field simulation of transformer fuel tank
圖4 變壓器內(nèi)部油流速仿真Fig 4 Simulation of oil flow rate inside transformer
對(duì)比變壓器工作30,60,120 min時(shí)變壓器整體的溫度分布云圖可以看出:隨著工作時(shí)間的增加,變壓器的內(nèi)部各組件的溫度逐漸升高。油箱的溫度從30 min的298 K增加到120 min時(shí)的303 K。油液被繞組產(chǎn)生的熱量加熱后迅速上升帶走熱量,然后由頂部往兩邊擴(kuò)散,以此形成了閉合的油循環(huán)系統(tǒng)。
變壓器兩相繞組之間是反映變壓器油溫變化最明顯的位置,同時(shí),此處油的流速也最快,將傳感器布設(shè)在此位置,當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí),傳感器能夠最先監(jiān)測(cè)到油溫的變化,從而保證檢測(cè)效果。
2傳感器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
針對(duì)變壓器內(nèi)部的特殊使用環(huán)境,對(duì)光纖油溫傳感器做如下設(shè)計(jì):將光纖光柵嵌入到加工后的聚四氟乙烯薄片中,在引出端用膠固定,這種設(shè)計(jì)無(wú)金屬材料的出現(xiàn),消除了漏磁和局部放電對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響;同時(shí),對(duì)于傳感器的安裝也提供了便利。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of sensor
實(shí)際的傳感系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示,F(xiàn)BG信號(hào)處理器內(nèi)置超輻射寬帶光源,通過FBG信號(hào)解調(diào)儀將光源傳送至變壓器內(nèi)部的FBG傳感器中,現(xiàn)場(chǎng)FBG傳感器所反射的各中心波長(zhǎng)再次反射回FBG信號(hào)解調(diào)儀,光機(jī)模塊將反射信號(hào)送入波長(zhǎng)檢測(cè)單元,在波長(zhǎng)檢測(cè)單元中感知各傳感器反射的中心波長(zhǎng)值,比較各傳感器中心波長(zhǎng)的變化量推算出變壓器內(nèi)部油溫,最終由FBG信號(hào)解調(diào)儀將被測(cè)物理量數(shù)值輸出并在上位機(jī)上顯示出來(lái)。本項(xiàng)目在型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓35 kV電力變壓器的油溫測(cè)量中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)仿真結(jié)果,將傳感器布設(shè)在兩相繞組中間位置,固定在上下之間的木制框架上。這樣一方面避免了直接接觸變壓器金屬部件造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,另一方面又足夠接近變壓器兩相繞組之間的中軸,從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性好。
圖6 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig 6 Topology diagram of system
在一次完整的35 kV變壓器溫升試驗(yàn)過程中,使用FBG油溫傳感器記錄了在這一過程中變壓器上、中、下層油溫的變化,結(jié)果如圖7所示。
圖7 變壓器溫升試驗(yàn)時(shí)間—溫度曲線圖Fig 7 Time-temperature curve of transformertemperature rising test
根據(jù)檢測(cè)報(bào)告:自第一日16:00檢測(cè)開始,變壓器在不開風(fēng)機(jī)狀態(tài)下保持1.3倍功率運(yùn)行,至當(dāng)日18:36,變壓器風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行,期間油溫在當(dāng)日18:30左右到達(dá)峰值,其中上、中、下層油的溫分別為68,57,48 ℃;次日1:30起變壓器開始以額定功率運(yùn)行,期間變壓器的上、中、下層油溫分別為63,52,40 ℃。次日2:30開始斷電檢測(cè)高壓側(cè)直流電阻,次日2:45恢復(fù)供電,次日3:45左右斷電檢測(cè)變壓器低壓側(cè)直流電阻,此時(shí)刻后檢測(cè)結(jié)束,變壓器自然冷卻。期間,FBG油溫傳感器也記錄了變壓器內(nèi)部油溫的變化趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器油溫的在線監(jiān)測(cè)。
變壓器三種典型工作狀態(tài)下監(jiān)測(cè)到的油溫?cái)?shù)據(jù)如表1。
表1 變壓器三種工作狀態(tài)的油溫?cái)?shù)據(jù)
綜上所述,F(xiàn)BG傳感器在高溫高壓油氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器內(nèi)部溫度油溫?cái)?shù)據(jù)的采集和在線監(jiān)測(cè)。
3結(jié)論
本文利用光纖材料本身具有的各種優(yōu)良特性,在復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境下,為變壓器油溫的檢測(cè)給出了具體的檢測(cè)方法和解決方案。實(shí)驗(yàn)測(cè)得變壓器以1倍功率運(yùn)行時(shí),變壓器的上、中、下層油溫度分別為63,52,40 ℃,上、中、下層的油溫梯度差約為10 ℃,對(duì)變壓器內(nèi)部油溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè),為保證變壓器穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)變壓器及其他復(fù)雜環(huán)境下部件溫度的檢測(cè)提供了新的思路。
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Application of FBG sensor in transformer oil temperature monitoring
XU Zhi-chao, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na,DUAN Chao-lei, ZHANG Xin,LI Chuan
(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)
Abstract:In oil-filled transformer,oil temperature is an important factor in determining speed of insulation aging of electrical equipment.By analyzing the temperature field distribution of oil-filled transformer,layout position of optical fiber temperature sensor which inside the transformer is optimized.Center wavelength of fiber Bragg grating(FBG)changes with temperature change,and according to this feature,realize oil temperature measurement of oil-immersed transformer.S13—12500/35 oil-immersed transformers is used as test subject,when transformer is running at double power,oil temperatures of transformer in top,middle,and lower layers are 63,52,40 ℃,and oil temperature gradient difference is about 10 ℃.
Key words:optical fiber Bragg grating(FBG); transformer internal temperature; temperature field simulation
DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0151—03
收稿日期:2015—07—10
中圖分類號(hào):TP 212.9
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0151—03
作者簡(jiǎn)介:
徐智超(1991-),男,陜西西安人,碩士研究生,研究方向?yàn)楣饫w傳感器技術(shù)。