基于BOTDR 的變壓器繞組變形檢測(cè)試驗(yàn)研究

楊名宇，范曉舟，徐永峰，晁智超，李 歡

（1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071000）

0 引言

電力變壓器是輸變電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，一臺(tái)大型變壓器在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障極可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)癱瘓或崩潰，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)變壓器事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，110 kV 及以上電壓等級(jí)變壓器損壞事故中由于繞組絕緣損壞造成的事故占70%，由于短路強(qiáng)度不足造成的事故占40%［1-6］。及時(shí)了解變壓器的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行診斷及檢修，是減小變壓器運(yùn)行故障、保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施。

基于光電子技術(shù)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)融合傳感器、計(jì)算機(jī)、信息處理等技術(shù)，已逐步由離線的定期監(jiān)測(cè)向在線連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)展。在線連續(xù)監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)獲取變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別不正常運(yùn)行情況，診斷其內(nèi)部故障類型，預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)。

脈沖光在光纖內(nèi)傳遞產(chǎn)生散射信號(hào)，分布式光纖傳感技術(shù)利用該信號(hào)測(cè)量沿光纖軸向上的溫度和應(yīng)變。相較于傳統(tǒng)的電類和機(jī)械類傳感器，光纖傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：①體積小，質(zhì)量輕，方便應(yīng)用于狹窄空間及航空、航天領(lǐng)域；②質(zhì)軟可彎曲，可制造成各種外形、尺寸；③可靠性高，光纖傳感器利用光波在光纖內(nèi)產(chǎn)生的散射信號(hào)傳輸信息，光纖電絕緣性能好、耐腐蝕、耐高溫，既不受強(qiáng)電磁、雷電干擾，也不對(duì)外界電磁場(chǎng)造成影響；④測(cè)量距離長(zhǎng)、范圍大、信息量大，光纖既作為探測(cè)元件又作為傳輸元件，可以實(shí)現(xiàn)光纖沿線任意空間連續(xù)測(cè)量，適合應(yīng)用于大型設(shè)備、建筑的安全隱患監(jiān)測(cè)，相較于傳統(tǒng)點(diǎn)式方法能大幅度降低漏檢率。目前，分布式光纖傳感技術(shù)正逐漸應(yīng)用于土木工程、石油、電力、航空航天等領(lǐng)域。

由于目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于變壓器繞組變形的檢測(cè)方法仍處于離線檢測(cè)范圍，對(duì)繞組變形的具體位置和變形形式無(wú)法準(zhǔn)確掌握，同時(shí)電氣測(cè)量方法受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境影響較大，帶電測(cè)量技術(shù)仍處于研究階段。變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、電流大、工作環(huán)境特殊，基于電信號(hào)的繞組變形檢測(cè)方法無(wú)法滿足在線監(jiān)測(cè)的需要。開(kāi)展基于布里淵散射的光纖應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)研究，將為變壓器的運(yùn)行維護(hù)提供理論支持和技術(shù)手段，也能對(duì)繞組變形的定位、故障診斷等提供新的思路。

1 光纖布里淵散射原理

1.1 OTDR 技術(shù)原理

光時(shí)域反射技術(shù)（Optical Time Domain Reflection，OTDR）的基本原理是通過(guò)分析光纖后向散射光的特性測(cè)量因散射、吸收現(xiàn)象產(chǎn)生的光纖傳輸損耗以及各種缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)光纖某一點(diǎn)受到外力作用時(shí)，其散射特性將發(fā)生變化，因此通過(guò)損耗與光纖長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行空間定位，計(jì)算公式為

式中：τ 為回波信號(hào)到達(dá)發(fā)送端的時(shí)間；c 為真空中的光速；n 為光纖纖芯的有效折射率。

1.2 BOTDR 檢測(cè)原理

光時(shí)域反射計(jì)（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR）的本質(zhì)是布里淵分布傳感技術(shù)，利用探測(cè)自發(fā)布里淵散射實(shí)現(xiàn)傳感。該技術(shù)基于對(duì)背向布里淵散射信號(hào)的探測(cè)與處理，為獲得中心頻率為vB的背向布里淵散射信號(hào)，需在光纖一端注入頻率為v0的脈沖，結(jié)合自發(fā)布里淵散射的頻移或強(qiáng)度處理獲得的背向布里淵散射信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度的分布式傳感［3-4］。BOTDR 系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 BOTDR 系統(tǒng)原理

1.3 基于布里淵散射的光纖應(yīng)變檢測(cè)

布里淵頻移受光纖材料中的聲速影響，而聲速與材料的熱光特性與彈光特性有關(guān)，因此布里淵頻移會(huì)隨光纖溫度和應(yīng)變等條件改變而變化。

研究表明，布里淵頻移與光纖所受外力的作用近似成線性相關(guān)，布里淵頻移與溫度及應(yīng)變的關(guān)系式可表達(dá)為［3］

式中：vB為分布式光纖在溫度T 和應(yīng)變?chǔ)?下的布里淵頻移；vB0為分布式光纖在初始溫度T 和初始應(yīng)變?chǔ)?下的布里淵頻移；CvT和Cvε為布里淵溫度系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)［3］。

由于布里淵頻移同時(shí)受周圍溫度和應(yīng)變信息的雙重影響，為準(zhǔn)確檢測(cè)變壓器繞組的變形故障，利用兩根不同的分布式光纖共同敷設(shè)，對(duì)光纖背向的布里淵散射信息進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

為保證兩根光纖處于相同的溫度和應(yīng)力變化環(huán)境，將兩根不同護(hù)套材料的緊套光纖貼附于繞組表面，利用溫度和應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)同時(shí)測(cè)量?jī)筛饫w的布里淵頻移的變化，具體表達(dá)式為

考慮到兩根分布式光纖的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)不相同，只要能夠保證CvT1Cvε1≠CvT2Cvε2，通過(guò)求解此方程組便可以獲得光纖的應(yīng)變信息［7-8］。

本文中未考慮繞組溫度變化帶來(lái)的影響而保持繞組恒溫，所以只使用一根光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組單純的應(yīng)變檢測(cè)。

2 變壓器繞組變形檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

選擇G.657A1 型抗拉伸、耐彎曲單模光纖作為傳感光纖，其允許彎曲半徑為10 mm，護(hù)套材料采用ETFE。BOTDR 選用分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，光纖規(guī)格和儀器參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1［3］。

表1 BOTDR 及光纖參數(shù)設(shè)置

2.2 光纖復(fù)合式變壓器繞組的設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)采用在繞組最外側(cè)導(dǎo)線外徑側(cè)表面貼附光纖的方式進(jìn)行溫度傳感，如圖2 所示。采用滑輪引導(dǎo)裝置，為避免光纖直接接觸導(dǎo)線，在繞組扁銅線包裹絕緣紙的過(guò)程中，先在導(dǎo)體外表面包繞兩層絕緣紙，再包繞兩層絕緣紙用于光纖固定。這種布置方式既避免光纖對(duì)繞組自身結(jié)構(gòu)造成影響，也最大程度上削弱了絕緣油流動(dòng)、震動(dòng)和繞組匝間擠壓力對(duì)光纖的影響；同時(shí)，當(dāng)遭受短路沖擊時(shí)，光纖也將隨繞組的局部形變發(fā)生同步變形，通過(guò)檢測(cè)光纖應(yīng)變量即可獲得繞組狀態(tài)［9-10］。

圖2 光纖復(fù)合式導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

選取一臺(tái)電壓等級(jí)為110 kV，容量為31.5 MVA的變壓器低壓繞組尺寸繞制螺旋式繞組模型，為方便設(shè)置變形，采用8 根導(dǎo)線并繞，將最外圈導(dǎo)線換成圖2 所示的光纖復(fù)合式導(dǎo)線。最終制成外徑700 mm，共40 餅，總長(zhǎng)約90 m 的繞組模型，模型實(shí)物如圖3 所示。

圖3 粘貼式光纖繞組模型

3 變壓器繞組變形檢測(cè)試驗(yàn)

分別對(duì)預(yù)埋分布式光纖的繞組第21—25 餅、6—8 餅、12—16 餅以及32—34 餅依次設(shè)置4 處微小局部變形，具體變形方向及變形量大小見(jiàn)表2，表中變形程度指繞組外凸中心點(diǎn)相對(duì)于原繞組突出的距離，亦即撓度。由于通常繞組受到短路電動(dòng)力作用發(fā)生變形時(shí)表現(xiàn)為某一餅或幾餅的整體變形，因此以整餅為單位對(duì)繞組模型設(shè)置局部變形，如圖4 所示。測(cè)量期間繞組置于實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)，可以認(rèn)為其溫度保持恒定且各部分溫度分布均勻，在這種情況下，根據(jù)式（2）可知，當(dāng)ΔT=0 時(shí)，布里淵頻移vB只與應(yīng)變量有關(guān)。分別測(cè)量不同部位發(fā)生局部變形前后的光纖應(yīng)變曲線，將測(cè)量結(jié)果與正常繞組的應(yīng)變分布進(jìn)行比較，如圖5 所示。

表2 位置對(duì)比

圖4 繞組模型局部變形

圖5 變形繞組與正常繞組應(yīng)變對(duì)比曲線

從圖5（a）—圖5（d）中可以看出，繞組不同位置發(fā)生的變形均可以在傳感光纖應(yīng)變曲線的變化中表現(xiàn)出來(lái)，隨著變形部位的增加，光纖應(yīng)變曲線的變化也呈現(xiàn)累計(jì)效應(yīng)。圖5（e）為繞組模型發(fā)生4 次變形后的應(yīng)變曲線相對(duì)原始曲線的變化情況，設(shè)置的4 次變形量為10～20 mm，可以看出4 次變形均對(duì)光纖應(yīng)變曲線產(chǎn)生超過(guò)100 με的變化，同時(shí)根據(jù)曲線變化的位置可以對(duì)變形位置進(jìn)行推斷定位精度可達(dá)±1 餅以內(nèi)。此外從圖中還可以看出對(duì)于外凸應(yīng)變，應(yīng)變量呈現(xiàn)下降。

應(yīng)用最高頻率為3 MHz 的繞組變形測(cè)試儀分別對(duì)局部變形的繞組進(jìn)行了測(cè)量，并將正常繞組的頻響曲線與局部變形的頻響曲線進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖6（a）—圖6（d）所示。

從波形比較可以看出，在1 MHz 的范圍內(nèi)，繞組變形前后的幅頻曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的偏移。通過(guò)分析計(jì)算幅頻曲線的相關(guān)系數(shù)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》判斷繞組為正常繞組。通過(guò)對(duì)分布式光纖與繞組變形測(cè)試儀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定該檢測(cè)方法比頻率響應(yīng)分析法具有更高的靈敏度，可有效監(jiān)測(cè)到繞組的微小局部變形。

圖6 繞組幅頻曲線

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的變壓器繞組變形檢測(cè)方法的不足，提出一種基于BOTDR 的繞組變形檢測(cè)方法，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際繞組尺寸及材料，并結(jié)合光纖的布置方法，繞制完成了光纖復(fù)合式繞組模型。通過(guò)對(duì)光纖復(fù)合式繞組施加不同位置和程度的變形，采用基于布里淵散射的分布式光纖傳感方法檢測(cè)繞組變形情況。結(jié)果表明，分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)繞組微小變形（撓度在1～2 cm）的測(cè)量有較高的靈敏度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)繞組變形的定位，定位精度能達(dá)到±1 餅。