基于FBG傳感的電子式互感器溫度場監(jiān)測研究*

姚 鑫， 張長勝， 趙振剛， 李英娜， 劉愛蓮， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

基于FBG傳感的電子式互感器溫度場監(jiān)測研究*

姚 鑫， 張長勝， 趙振剛， 李英娜， 劉愛蓮， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

基于光纖Bragg光柵(FBG)測溫原理，對電子式互感器內(nèi)部溫度從其工作時間為12 h和24 h兩個時間段進行數(shù)據(jù)采集，并運用ANSYS仿真軟件對內(nèi)部采集的溫度數(shù)據(jù)進行仿真分析，得出溫度場分布云圖，可知，電子式互感器上部沿著外殼邊緣為溫度最高處，中部兩側(cè)溫度次之，下部溫度最低，此時電子式互感器熱點溫度位于上部。隨著電子式互感器工作時間延長，工作達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于向外部環(huán)境散熱，電子式互感器工作12 h時整體溫度比工作24 h時高，兩個時間段最熱點溫度分別為90.836，79.764 ℃。電子式互感器中部導(dǎo)體溫度為電子式互感器整體最高。

光纖Bragg光柵； 電子式互感器； 測溫； 溫度場； 熱點溫度； 導(dǎo)體

0 引 言

目前,隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展[1,2]，使智能變電站建設(shè)得到了巨大的重視[3～5]。電子式互感器作為智能變電站中的一個重要環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)外一些著名科學家的重點研究對象[6～9]。電子式互感器內(nèi)部溫度場的高低分布是影響電子式互感器工作效率的重要因素，同時，電子式互感器內(nèi)部產(chǎn)熱與外界環(huán)境的熱量互換也是對電子式互感器工作效率的重要影響因素。黃華、胡蓓等人針對電子式互感器的試驗方法和要求進行了分析研究,提出了在全溫度范圍內(nèi)實時測量電子式互感器溫度特性的試驗方法與要求。對選取的電子式互感器樣機進行了試驗驗證與結(jié)果分析,結(jié)果表明：提出的電子式互感器試驗方法和要求更能考核電子式互感器的溫度特性[10]。張志鑫、譚金權(quán)等人基于Pockels光電測量原理,實現(xiàn)了電壓的非介入式、寬頻域及精密測量,準確度達到了0.2/3P,具有本質(zhì)安全、強絕緣能力、突出的抗快速暫態(tài)過電壓(VFTO)干擾性能及可靠性等優(yōu)點[11]。

本文基于FBG測溫原理對電子式互感器內(nèi)部溫度進行數(shù)據(jù)采集，并分別從電子式互感器工作時間為12，24 h進行采集，并運用ANSYS仿真軟件對其內(nèi)部采集的溫度數(shù)據(jù)進行仿真分析，得出其溫度場分布云圖，可知電子式互感器上部沿著外殼邊緣為溫度最高處，中部兩側(cè)溫度次之，下部溫度最低，此時，電子式互感器熱點溫度位于上部。隨著電子式互感器工作時間延長，工作達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于向外界環(huán)境散熱，電子式互感器工作12 h時整體溫度比工作24 h時高。電子式互感器中部導(dǎo)體溫度為電子式互感器整體最高。

1 FBG傳感及電子式互感器溫升原理

FBG的有效折射率k和光柵周期A都會隨著外界溫度的改變而發(fā)生變化，F(xiàn)BG的中心波長也隨之改變

(1)

式中 第二部分表示由溫度變化所致的波長變化，其為由熱膨脹引起的光柵周期和折射率的改變而產(chǎn)生，溫度所致的波長變化可以改寫成

ΔλB=λB(αΛ+αΠ)ΔT

(2)

式中 αΛ為光纖的熱膨脹系數(shù)；αΠ為熱光系數(shù)；對于摻鍺的石英光纖，后者為引起波長變化的主要因素。

由于溫度場發(fā)生變化，物體的溫度不僅在空間上發(fā)生變化，也隨時間變化，具體表示式為

(3)

熱分析方面的論述滿足能量守恒定律，即,在一個非開放的系統(tǒng)里有以下的表達式

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

(4)

式中 Q為熱量；W為做功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能,在很多的熱力學工程應(yīng)用中都滿足以下表達式

ΔKE=ΔPE=0

(5)

熱傳導(dǎo)指的是兩個相互接觸的物體之間由于存在溫差而產(chǎn)生熱量交換，也可以指一個物體內(nèi)部之間由于存在溫差而產(chǎn)生熱量交換。熱傳導(dǎo)滿足以下定律

(6)

式中 qn為熱流密度;k為導(dǎo)熱系數(shù);“-”為熱量溫降的方向。

2 電子式互感器物理模型與FBG監(jiān)測

本文應(yīng)用某廠家生產(chǎn)的水平放置的單項220kVGIS電子式互感器為實驗應(yīng)用實例，利用ANSYS仿真軟件中的FLOTRANCFD模塊進行建模分析，以求解電子式互感器溫度場的分布。為便于分析，將模塊簡化。由于內(nèi)部充滿SF6氣體，同時，氣體在互感器內(nèi)部熱傳遞過程中影響了熱傳導(dǎo)和熱對流，在建模過程中要給予考慮。但其它部件對模型溫度影響很小，可忽略，本文僅對導(dǎo)體,SF6氣體以及外殼進行仿真建模，具體模型如圖1，相關(guān)參數(shù)為導(dǎo)體內(nèi)徑150mm，外徑170mm，外殼內(nèi)徑675mm，外徑695mm。

圖1 電子式互感器物理模型

導(dǎo)體與外殼均為鋼材，在導(dǎo)體與互感器外殼之間的環(huán)狀封閉空間內(nèi)以及導(dǎo)體內(nèi)部，填充氣體為SF6,額定壓強為 0.4 MPa。環(huán)境溫度取夏季最高溫度45 ℃，日照強度為1 000 W/m2。根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)，對于戶外型GIS設(shè)備，當外殼材料為鋼材時，由于太陽照射使得外殼表面溫度能夠達到80 ℃。在該GIS電子式互感器中，電子式電流互感器的額定電流為5 000 A，相關(guān)的材料特性參照高壓電器設(shè)計標準。

為了測試FBG傳感器的測溫性能，運用了FBG傳感器測溫原理，為了獲取電子式互感器內(nèi)部組件的溫度場分布，尤其是準確獲取互感器熱點溫度，在電子式互感器外殼、導(dǎo)體以及充氣部分共埋設(shè)34只FBG傳感器。其中，在互感器上部埋設(shè)了12只傳感器，下部埋設(shè)了8只傳感器，并且在導(dǎo)體處埋設(shè)了6只傳感器，在外殼部分埋設(shè)了8只傳感器。本文在互感器內(nèi)部埋置傳感器時采用兩種方式，橫片埋設(shè)和縱片埋設(shè)。

為確保FBG傳感器在電子式互感器安裝過程中不被損壞并具有良好的測溫性能，進行如下設(shè)計：

1)預(yù)埋FBG傳感器的聚四氟乙烯薄片:在安裝時，聚四氟乙烯鉆孔面均處于內(nèi)徑側(cè)，以避免光纖受到較大拉力，甚至引起光柵損壞；

2)保證聚四氟乙烯鉆孔的尺寸能夠滿足光纖在槽中的伸縮裕度，以避免產(chǎn)生光纖彎曲損耗；

3)所開孔位于電磁線寬面中央，避開電子式互感器邊角最大的場強畸變區(qū)域；

4)所開小槽面積占電磁線截面面積的4.5 %，電磁線截面積減小引起載流能力和機械強度略微降低，可通過適當增大該電磁線截面尺寸進行彌補。

實驗采用實時監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)，在24 h內(nèi)對電子式互感器進行了2次數(shù)據(jù)采集，分別在12 ，24 h對其進行數(shù)據(jù)采集，并對實時采集的數(shù)據(jù)利用ANSYS仿真軟件中的FLOTRAN CFD模塊進行建模。

3 電子式互感器溫度場仿真與分析

在對電子式互感器進行溫度場分析時，以二維平面單元與溫度場進行直接耦合。為了便于詳細研究電子式互感器溫度場分布，在電子式互感器工作穩(wěn)態(tài)時且為額定壓強下對其進行數(shù)據(jù)采集，據(jù)此分析電子式互感器工作在不同時間段時其溫度場分布與變化。

電子式互感器工作時間為12 h時，進行數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)仿真分析得圖2，所得各位置溫度數(shù)據(jù)，上部為90.836 ℃，為最熱點中部78.965 ℃，下部65.322 ℃。

圖2 電子式互感器工作12 h溫度場仿真

當電子式互感器工作12 h時，從其二維平面溫度分布云圖可以看出，此時互感器上部沿著外殼邊緣為溫度最高，中部兩側(cè)溫度次之，下部溫度最低，此時電子式互感器熱點溫度位于上部，其最熱點溫度為90.836 ℃，同時，可以看出中部導(dǎo)體溫度為整體最高，主要因為電子式互感器內(nèi)部為封閉裝置導(dǎo)體內(nèi)部不參與氣體流動，故溫度穩(wěn)步上升。

電子式互感器工作時間為24 h時，再次進行數(shù)據(jù)采集，對采集數(shù)據(jù)仿真得圖3，仿真所得各位置最熱點溫度數(shù)據(jù)為上部79.764 ℃，中部69.495 ℃，下部62.184 ℃。

圖3 電子式互感器工作24 h溫度場仿真

從圖3中可以看出，電子式互感器工作時間為24 h時，熱點溫度位于電子式互感器上部靠近外殼部分，中部兩側(cè)溫度次之，最低溫度場在電子式互感器下半部分，主要因為電子式互感器內(nèi)部的氣體在工作狀態(tài)時具有流動性，且隨著工作時內(nèi)部產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致內(nèi)部溫度上升，氣體受到熱膨脹作用，氣體載著熱量從底部流動到上部，使上部溫度為整體最高溫度；又由于其內(nèi)部的封閉作用導(dǎo)致氣體在電子式互感器內(nèi)部形成回流，使氣體在向兩側(cè)擴散時，載有部分熱量，因此兩側(cè)溫度次之；電子式互感器底部氣體將溫度都散熱到上部和中部，故溫度為整體最低。

圖4為電子式互感器各位置熱點溫度擬合圖，從圖中可以看出：電子式互感器工作時間為12 h時整體溫度相較于互感器工作24 h時要高，主要原因為隨著電子式互感器工作時間的增加，其內(nèi)部產(chǎn)熱達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，但互感器外殼主要材料為鋼材，會與外界溫度進行換熱，在工作12 h之后向外界環(huán)境散失大量熱量，故電子式互感器工作時間為12 h時整體溫度比工作時間為24 h時高。

圖4 熱點溫度擬合圖

4 結(jié) 論

1)電子式互感器上部沿著外殼邊緣為溫度最高處，中部兩側(cè)溫度為次之，下部溫度最低，此時電子式互感器熱點溫度位于上部。

2)電子式互感器隨著工作時間的延長，工作達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于與外界環(huán)境散熱，故而電子式互感器工作12 h時整體溫度比工作24 h時高，兩個工作時間的最熱點溫度分別為90.836，79.764 ℃。

3)電子式互感器中部導(dǎo)體溫度為電子式互感器整體溫度最高位置。

[1] 黃少偉,楊云濤,許知博,等.電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)低復(fù)雜度匹配濾波器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015,34(2):116-119.

[2] 孫曉雅,李永倩,李 天，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(6):5-8.

[3] 邱紅輝.電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)及其相關(guān)理論研究[D].大連：大連理工大學,2008.

[4] 黃友朋.電子式互感器中數(shù)字處理方法的研究[D].長沙：華中科技大學,2012.

[5] 張冬清.電子式互感器的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學,2012.

[6] 羅承沐，張貴新，王 鵬.電子式互感器及其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電力設(shè)備，2007,8( 1)：20-24.

[7] 王 鵬， 張貴新， 朱小梅，等.電子式電流互感器溫度特性分析[J].電工技術(shù)學報， 2007,22(10)： 60-64.

[8] 李九虎,鄭玉平,古世東，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化， 2007,31(7):95-98.

[9] 李洪濤，張 巍，劉忠戰(zhàn)．220 kV組合電子式互感器原理結(jié)構(gòu)及掛網(wǎng)試驗[J]．高壓電器，2011， 47(8)： 112-116．

[10] 黃 華，胡 蓓.電子式電流互感器溫度循環(huán)試驗方法研究[J].電測與儀表，2014,51(24):65-69.

[11] 張志鑫，譚金權(quán).全光學電壓互感器關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].中國電業(yè),2014(5):48-52.

Study of electronic transformer temperature field monitoring based on FBG sensing*

YAO Xin, ZHANG Chang-sheng, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LIU Ai-lian, LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Based on fiber Bragg grating(FBG)temperature measurement principle,electronic transformer internal temperature data acquisition time from work is two time periods which are 12 h and 24 h ,and collected its internal temperature data using ANSYS simulation software for simulation analysis,the temperature field contours obtained electronic transformer along an upper edge of the housing is the highest temperature at both sides of the central temperature is followed,the lower the minimum temperature at this time of the electronic transformer hot spot temperature in the upper part;electronic transformer with longer working hours, the work reaches a steady state, the heat with the external environment,and therefore the electronic transformer,when working 12 h a temperature higher than the overall work 24 h, the two time periods are the hottest temperature 90.836 ℃ ,79.764 ℃;the central part of the temperature of the electronic transformer electronic transformer conductor is highest overall.

fiber Bragg grating(FBG); electronic transformer; temperature measurement; temperature field; hot spot temperature; conductor

2016—05—19

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0070—03

TP 212

A

1000—9787(2017)06—0070—03

姚 鑫(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為光纖光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用等，E—mail:1016975031@qq.com。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究，E—mail:1016975031@qq.com。