基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析

張金鵬，劉鏢峰，花婷婷

（1.南京南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇省南京市 211106；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇省南京市 211106）

基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)分析

張金鵬1，劉鏢峰1，花婷婷2

（1.南京南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇省南京市 211106；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇省南京市 211106）

本文介紹了基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)的基本原理，同時(shí)結(jié)合在國(guó)內(nèi)某110kV變電站內(nèi)進(jìn)行的實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了光纖光柵技術(shù)在變壓器在線監(jiān)測(cè)方面的可行性，同時(shí)從側(cè)面反映了南瑞集團(tuán)自主研發(fā)的“SJ9000變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的準(zhǔn)確性和可靠性，在相關(guān)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

光纖光柵；變壓器；油溫油位；鐵芯接地電流；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

變壓器在平時(shí)的運(yùn)行過(guò)程中，隨著負(fù)荷及周圍環(huán)境的變化，變壓器油溫也將發(fā)生改變，導(dǎo)致油的體積變化，影響油位[1]。同時(shí)，隨著變壓器使用時(shí)間的累積，有可能引起變壓器局部絕緣老化，甚至發(fā)生絕緣擊穿事故，而反映絕緣老化的一個(gè)重要指標(biāo)就是鐵芯接地電流的增大[2]。由此可見，變壓器油溫油位以及鐵芯接地電流的變化直接反映了其運(yùn)行狀態(tài)和工作性能，對(duì)其的監(jiān)測(cè)將給變壓器維護(hù)及檢修提供明確的方向，保證其安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的變壓器檢測(cè)方法正被在線監(jiān)測(cè)技術(shù)所沖擊。

1 光纖光柵技術(shù)

光纖光柵有著不受光路光強(qiáng)波動(dòng)及電磁干擾影響、波長(zhǎng)絕對(duì)編碼和易于實(shí)現(xiàn)分布式傳感等突出優(yōu)點(diǎn)[3]，從出現(xiàn)至今發(fā)展迅速，并在光纖通信與光纖傳感領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在光纖通信方面，光纖光柵本身的結(jié)構(gòu)決定其便于實(shí)現(xiàn)波分、時(shí)分、空分復(fù)用，容易與光纖及其他光學(xué)器件連接，并可直接參與光譜分析、光學(xué)通信、光學(xué)編碼[4]。在光纖傳感方面，光纖光柵為光纖傳感技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。在光纖上用紫外光刻寫光柵，10mm的光纖光柵包含了10000個(gè)在纖芯中規(guī)則分布的微小的反射鏡面，由于溫度、應(yīng)變等參量的變化與所導(dǎo)致的柵距變化呈線性，光柵反射波長(zhǎng)也隨柵距變化而線性變化（見圖1），通過(guò)測(cè)量光柵反射波長(zhǎng)，即可換算出被測(cè)體溫度、應(yīng)變等參量[5]。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同波長(zhǎng)光柵進(jìn)行特定的封裝，可以實(shí)現(xiàn)在同一根光纖上溫度、應(yīng)變等多參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，文中對(duì)于油溫和油位的測(cè)量就是通過(guò)封裝在一根光纖上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

（1）信號(hào)變送：由相應(yīng)的傳感器從電氣設(shè)備上檢測(cè)出那些反映設(shè)備狀態(tài)的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為合適的電信號(hào)，傳送到后續(xù)單元。

（2）信號(hào)處理：對(duì)傳感器變送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。

（3）數(shù)據(jù)采集：對(duì)經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換和記錄。

（4）信號(hào)傳輸：將采集到的信號(hào)傳送到后續(xù)單元。

（5）數(shù)據(jù)處理：對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

（6）故障診斷：對(duì)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)分析、比較后診斷。

圖1 光纖光柵技術(shù)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of fiber grating technology

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所使用的是南京南瑞集團(tuán)自主研發(fā)的“SJ9000變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，它基于B/S架構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、顯示及診斷，在海量數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，對(duì)匯總的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、統(tǒng)計(jì)、分析和挖掘，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的圖形化分析展示，同時(shí)生成相關(guān)的分析報(bào)告和報(bào)表，以Web發(fā)布的方式提供給網(wǎng)絡(luò)終端用戶，實(shí)現(xiàn)分析成果及信息共享的最大化，為電廠預(yù)防性維護(hù)提供可靠的依據(jù)，從而及時(shí)消除故障隱患，減少破壞性事故的發(fā)生。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

現(xiàn)場(chǎng)在變壓器儲(chǔ)油柜油位計(jì)下方安裝了光纖光柵油溫、油位傳感器（見圖2），油溫油位傳感器通過(guò)光纖連接到廠房機(jī)柜內(nèi)的光纖光柵解調(diào)儀上，并由網(wǎng)線連接到工控機(jī)，經(jīng)程序解析收到CDT協(xié)議報(bào)文，從而得出油溫油位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；變壓器接地銅線穿過(guò)鐵芯接地電流傳感器（見圖3）。

由傳感器輸出的4～20mA信號(hào)線依次連接到現(xiàn)地端子箱內(nèi)的研華亞當(dāng)模塊（ADAM-4117）和光電轉(zhuǎn)換器上，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)—RS485信號(hào)—光信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。并通過(guò)光纖連接到機(jī)柜內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器上，經(jīng)由串口接到工控機(jī)上，經(jīng)程序解析收到標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議報(bào)文，從而得到鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

變壓器油溫油位以及鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映在SJ9000系統(tǒng)平臺(tái)的主監(jiān)視圖上，如圖5所示。

現(xiàn)場(chǎng)所選用的系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2005，所有解析得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均完成入庫(kù)操作，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的歷史查詢功能，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中24h的歷史數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)曲線，如圖6所示。

同一時(shí)刻下，通過(guò)變壓器油溫油位表以及萬(wàn)用表的實(shí)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)見表1：

圖2 油溫、油位傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.2 Site installation drawing of oil temperature and oil level sensor

圖3 鐵芯接地電流傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.3 Site installation drawing of core grounding current sensor

圖4 變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Basic structure diagram of transformer monitoring system

圖5 變壓器油溫油位鐵芯接地電流主監(jiān)視圖Fig.5 Main monitoring diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

圖6 變壓器油溫油位鐵芯接地電流24h歷史曲線圖Fig.6 Historical curve diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current in 24 hours

表1 變壓器油溫油位鐵芯接地電流實(shí)測(cè)值Tab.1 Measured value of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

將實(shí)測(cè)值與平臺(tái)數(shù)據(jù)列表中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比，在一定精度下，兩者數(shù)據(jù)基本一致，均在可接受的誤差范圍內(nèi)。

為了驗(yàn)證24h內(nèi)變壓器油溫油位鐵芯接地電流的變化趨勢(shì)是否正確，現(xiàn)場(chǎng)安排人員輪班，每隔半小時(shí)人工采集一次數(shù)據(jù)并記錄在excel表中，共記錄了48個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。通過(guò)excel擬合曲線得到下列曲線，分別如圖7～圖9所示。

圖7 鐵芯接地電流24h測(cè)值擬合曲線圖Fig.7 Fitting curve diagram of core grounding current in 24 hours

圖8 油溫24h測(cè)值擬合曲線圖Fig.8 Fitting curve diagram of oil temperature in 24 hours

圖9 油位24h測(cè)值擬合曲線圖Fig.9 Fitting curve diagram of oil level in 24 hours

分析：

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的變壓器油溫油位及鐵芯接地電流值與同一時(shí)間點(diǎn)下系統(tǒng)平臺(tái)上所顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，這也從側(cè)面反映了光纖光柵傳輸具有高度的靈敏度和精確度。

（2）從圖6所示的24h歷史曲線圖中可以看出，變壓器油溫和油位的變化趨勢(shì)基本一致，符合實(shí)際變化規(guī)律，這也從側(cè)面反映了SJ9000變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)離線分析的準(zhǔn)確性。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)油溫油位鐵芯接地電流24h實(shí)測(cè)值擬合的曲線，對(duì)照平臺(tái)的24h歷史曲線，可以看出，各被測(cè)量整體的變化趨勢(shì)基本一致，由此可見該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及與光纖光柵技術(shù)結(jié)合的可行性。

（4）結(jié)論：變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，顯示的測(cè)點(diǎn)信號(hào)準(zhǔn)確、可靠，變化趨勢(shì)與實(shí)際吻合，說(shuō)明光纖光柵技術(shù)在變壓器在線監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用，與SJ9000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度的融合性。

4 結(jié)束語(yǔ)

光纖光柵技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于變壓器油溫油位鐵芯接地電流等狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)當(dāng)中，但與南京南瑞集團(tuán)“SJ9000變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)”結(jié)合使用尚屬首次。目前該系統(tǒng)在實(shí)際工程中主要應(yīng)用在水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，以及與光纖光柵技術(shù)的融合性，在相關(guān)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站下水庫(kù)

[1] 張霽月，王維娟.主變壓器油溫油位關(guān)系命名的分析[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（1）：44-47.ZHANG Jiyue，WANG Weijuan.Analysis of Main Transformer Oil Temperature and Oil Level Naming Relationship[J].Journal of Anhui Electrical Engineering Professional Technique College，2015（1）：44-47.

[2] 張宏偉，陳楓.主變壓器泄漏電流增大的處理及防范[J].農(nóng)村電工，2005（12）：22.ZHANG Hongwei，CHEN Feng.Treatment and Prevention for the Increase of Leakage Current of Main Transformer[J].Rural Electician，2005（12）：22.

[3] Fang X，Liao C R，Wang D N.Femtosecond laser fabricated fiber Bragg grating in microfiber for refractive index sensing.[J].Optics Letters，2010，35（7）.

[4] 繞云江，王義平，朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.RAO Yunjiang，WANG Yiping，ZHU Tao.Principles and Applications on Fiber Grating[M].Beijing ：Science Press，2006.

[5] 曾凡超，魏玉賓，鄺國(guó)安.光纖光柵測(cè)溫在變壓器油溫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 [J].電工技術(shù)，2009（7）：12-13.ZENG Fanchao，WEI Yubin，KUANG Guoan.Applications of Fiber Grating Thermometry on Monitoring Transformer Oil Temperature[J].Electric Engineering，2009（7）：12-13.

2016-10-12

2017-05-09

張金鵬（1989—），男，助理調(diào)試工程師，主要研究方向：水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。E-mail：zhangjinpeng@sgepri.sgcc.com.cn

劉鏢峰（1984—），男，工程師，主要研究方向：水電廠主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。E-mail：liubiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

花婷婷（1991—），女，助理工程師，主要研究方向：電網(wǎng)電氣試驗(yàn)：微水、局放、接地網(wǎng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子RSO試驗(yàn)等。E-mail：huatingting@js.sgcc.com.cn

Test Analysis of Online Monitoring System of Transformer Oil Temperature and Level with Core Grounding Current Based on Fiber Grating

ZHANG Jinpeng1，LIU Biaofeng1，HUA Tingting2
（1.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China ；2.Fang Tian Electric Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

This paper introduces the basic principle of online monitoring of transformer oil temperature and oil level with core grounding current based on fiber grating，combining with analysis of measured test in some domestic 110kV substation，which has verified the feasibility of fiber grating technology in online monitoring on transformer.Besides，it reflects the accuracy and reliability of the SJ9000 transformer monitoring system created by NARI independently，which has broad application prospects in related fields.

Fiber grating；Transformer；Oil temperature and level；Core grounding current；Online monitoring

TM406

A學(xué)科代碼：470.4017

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.023