基于砷化鎵光纖技術(shù)的變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測

何其武

（廣州發(fā)展南沙電力有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

變壓器是電力設(shè)備以及體系結(jié)構(gòu)中十分關(guān)鍵的一個(gè)調(diào)控環(huán)節(jié)，是電力系統(tǒng)的基準(zhǔn)控制點(diǎn)[1]。而變壓器的繞組實(shí)際上指的是變壓器的電路部分，關(guān)聯(lián)的設(shè)備以及裝置較為繁雜。目前，在大型電力系統(tǒng)的應(yīng)用之中，主要是由銅導(dǎo)線混合鋁導(dǎo)線同時(shí)繞制?？紤]到電力控制以及供應(yīng)的效率與質(zhì)量，一般會(huì)采用層式或者餅式等方式來實(shí)現(xiàn)纏繞，根據(jù)匝線的作用順序，依次連續(xù)繞制，形成完整的控制結(jié)構(gòu)[2]。這部分需要注意的是，部分的銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線均具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，在不同的繞制狀態(tài)下，可以幫助變壓器營造更好的電力供應(yīng)環(huán)境，加強(qiáng)絕緣度、安全性等[3]。

上述的方式雖然可以完成預(yù)期的電力執(zhí)行目標(biāo)，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，對于變壓器繞組自身熱點(diǎn)溫度的控制效果卻并不理想，這樣的實(shí)況一定程度上也會(huì)導(dǎo)致電壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞和失控，造成消極的影響[4]。因此，對基于砷化鎵光纖技術(shù)的變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測進(jìn)行分析與研究?？紤]到最終測試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文會(huì)在較為真實(shí)的環(huán)境之下，結(jié)合砷化鎵光纖技術(shù)營造更具穩(wěn)固性的熱點(diǎn)溫度檢測模式，優(yōu)化整體的溫度控制結(jié)構(gòu)。在原本的監(jiān)測環(huán)節(jié)中，增設(shè)多目標(biāo)的監(jiān)測模塊，以精細(xì)化的方式獲取對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，從多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)全面執(zhí)行處理，為后續(xù)的工作提供便利條件的同時(shí)，推動(dòng)熱點(diǎn)溫度監(jiān)測技術(shù)行業(yè)邁入新的發(fā)展臺階[5]。

1 砷化鎵光纖技術(shù)下變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測

1.1 光纖光柵溫度監(jiān)測目標(biāo)設(shè)定

在對砷化鎵光纖技術(shù)下變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測方法進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要先設(shè)定光纖光柵溫度監(jiān)測目標(biāo)。光纖光柵實(shí)際上是一種具有砷化鎵特點(diǎn)的光纖纖芯內(nèi)介折射變動(dòng)監(jiān)測元器件，由于其周期性變化以及折射波長穩(wěn)定等特點(diǎn)，多被應(yīng)用在溫度監(jiān)控或者光度控制等工作中，獲取較好的應(yīng)用效果[6]。所以，可以在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)，計(jì)算出光纖光柵的監(jiān)測周期，具體如式（1）所示：

式中，U表示光纖光柵的監(jiān)測周期；b表示折射距離，x表示反射率；k表示光柵波長。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的光纖光柵的監(jiān)測周期，將其與預(yù)設(shè)的周期相融合，接入砷化鎵光纖執(zhí)行結(jié)構(gòu)，并更改溫度的實(shí)時(shí)測定標(biāo)準(zhǔn)，形成動(dòng)態(tài)的光纖光柵溫度監(jiān)測目標(biāo)。

1.2 構(gòu)建多目標(biāo)集成砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)

在完成對光纖光柵溫度監(jiān)測目標(biāo)的設(shè)定之后，接下來，需要構(gòu)建多目標(biāo)集成砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)。核定砷化鎵光纖監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度變化均等情況設(shè)定多層級的監(jiān)測結(jié)構(gòu)[7]。

但是這部分需要注意的是，所設(shè)計(jì)的每一個(gè)監(jiān)測層級是獨(dú)立運(yùn)行的，相互之間不存在較大的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，在與社會(huì)的監(jiān)測范圍之內(nèi)，更改繞組匝數(shù)和纏繞方向[8]。調(diào)整此時(shí)熱節(jié)點(diǎn)的溫度情況。計(jì)算砷化鎵光纖繞組監(jiān)測距離，具體如式（2）所示：

式中，Y表示砷化鎵光纖繞組監(jiān)測距離；h表示光柵溫度均值；m表示模糊熱節(jié)點(diǎn)常值。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的砷化鎵光纖繞組檢測距離。在預(yù)設(shè)的溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)之中，與監(jiān)測層級關(guān)聯(lián)的同時(shí)，依據(jù)溫度的變化狀態(tài)，設(shè)定具體的細(xì)化控制目標(biāo)，形成多目標(biāo)的集成砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)。

1.3 FBG砷化鎵光纖熱點(diǎn)溫度監(jiān)測模型設(shè)計(jì)

在完成對多目標(biāo)集成砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的構(gòu)建后，設(shè)計(jì)FBG砷化鎵光纖熱點(diǎn)溫度監(jiān)測模型。依據(jù)變壓器繞組的外部執(zhí)行情況，分析光纖光柵的測溫原理，具體如圖1所示。

圖1 光纖光柵的測溫原理

根據(jù)圖1，可以完成對光纖光柵的測溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。結(jié)合變壓器的繞組情況，設(shè)定 FBG砷化鎵光纖重疊監(jiān)測環(huán)節(jié)。對原本熱節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測流程進(jìn)行分析，融入FBG砷化鎵光纖的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)FBG砷化鎵光纖熱點(diǎn)溫度監(jiān)測模型的構(gòu)建，具體如圖2所示。

圖2 FBG砷化鎵光纖熱點(diǎn)溫度監(jiān)測模型

通過FBG砷化鎵光纖熱點(diǎn)溫度監(jiān)測模型，可以根據(jù)溫度的變化，調(diào)整 FBG砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)的定位，進(jìn)一步提高模型的監(jiān)測效果。

1.4 間接光纖測量法實(shí)現(xiàn)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測

采用間接光纖測量法實(shí)現(xiàn)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測，可以先利用模型獲取實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，更改模型中的監(jiān)測范圍。與此同時(shí)，將光纖的繞組監(jiān)測環(huán)節(jié)提前，計(jì)算定向光纖覆蓋范圍，具體如式（3）所示：

式中，J表示定向光纖覆蓋范圍；E表示覆蓋均值。通過上述計(jì)算，可以完成對定向光纖覆蓋范圍。明確監(jiān)測定量區(qū)域的同時(shí)，測量出繞組的終止值，核定溫度的變化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)熱節(jié)點(diǎn)溫度的監(jiān)測，進(jìn)一步確保最終監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性。

2 方法測試

本次主要是對砷化鎵光纖技術(shù)下變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的實(shí)際監(jiān)測效果進(jìn)行分析和研究。考慮到測試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，監(jiān)測方法測試會(huì)以對比的形式驗(yàn)證，測試需在相同的環(huán)境之下同時(shí)進(jìn)行。測試選擇3種方法，劃定為3個(gè)測定小組。第一組為傳統(tǒng)的增壓繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)增壓繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組；第二組為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)繞組數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組；第三組為本文所設(shè)計(jì)的繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組，將其設(shè)定為砷化鎵光纖繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組。3組方法同時(shí)進(jìn)行測定，最終得出的結(jié)果也以對比的形式分析。接下來，根據(jù)監(jiān)測的需求，完成相關(guān)的測試準(zhǔn)備并搭建測試環(huán)境。

2.1 測試準(zhǔn)備

在對砷化鎵光纖技術(shù)下變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的實(shí)際監(jiān)測效果進(jìn)行分析和研究之前，需要先搭建對應(yīng)的測試環(huán)境。通常情況下，變壓器的繞組熱源主要是在通電流的過程中產(chǎn)生的，一般是焦耳熱量。但是這部分熱量往往會(huì)在渦流和磁滯的應(yīng)用與執(zhí)行中消耗。本文選擇Q變電站的變壓器繞組作為測試的主要目標(biāo)對象。

在變壓器繞組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中安裝油箱和對流散熱器，同時(shí)，關(guān)聯(lián)的冷卻裝置也需要與油箱的執(zhí)行頻率保持一致。此時(shí)，自然油循環(huán)冷卻的方式主要是依靠輻射和空氣對流實(shí)現(xiàn)的。在不同的環(huán)境下，對變壓器的油溫進(jìn)行基礎(chǔ)性控制，在原本的基礎(chǔ)之上，此時(shí)需要計(jì)算出變壓器的循環(huán)測定比，具體如式（4）所示：

式中，H表示變壓器循環(huán)測定比；w表示面密度；e表示承壓總值。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的變壓器循環(huán)測定比。根據(jù)變壓器循環(huán)測定比，劃定具體的監(jiān)測范圍，同時(shí)，檢驗(yàn)此時(shí)的變壓器狀態(tài)，分析內(nèi)部油的流動(dòng)對變壓器的溫升的影響程度。變壓器繞組的執(zhí)行單元指令為S13－M－200/10，繞組的層級劃定為14層，分為高低兩個(gè)階段，繞組高度設(shè)定為460 mm。變壓鐵心為三相三柱模式，整體上為硅鋼的材質(zhì)。通過預(yù)設(shè)的監(jiān)測模型，觀測到此時(shí)變壓器的熱源呈現(xiàn)出均勻分布的現(xiàn)狀，但是隨著時(shí)間的變化，繞組的溫度也會(huì)隨之升高或者下降。具體如圖3所示。

圖3 繞組的溫度變化

根據(jù)圖3，可以對繞組的溫度變化形態(tài)進(jìn)行了解與分析。隨后，根據(jù)溫度監(jiān)測模型的處理，獲取熱源的分布區(qū)域，并計(jì)算出監(jiān)測均值，具體如式（5）所示：

式中，T表示監(jiān)測均值；d表示散熱距離，f表示控溫標(biāo)準(zhǔn)比。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的監(jiān)測均值。完成之后，劃定對應(yīng)的監(jiān)測范圍，核定測試的設(shè)備與裝置是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并確保不存在影響最終給測試結(jié)果的外部因素。核定無誤后，開始具體測試。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在完成上述測試環(huán)境的搭建之后，結(jié)合砷化鎵光纖技術(shù)進(jìn)行測試。利用此項(xiàng)技術(shù)，劃定具體的監(jiān)測范圍，在預(yù)設(shè)的變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中，對繞組的執(zhí)行程序的穩(wěn)定性測試。同時(shí)，電路內(nèi)部安裝光纖搭接裝置，營造光纖監(jiān)測環(huán)境。測定獲取砷化鎵溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)與信息，并計(jì)算出砷化鎵負(fù)載極值，具體如式（6）所示：

式中，L表示砷化鎵負(fù)載極值；a表示搭接距離；v表示溫度控制范圍。通過上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的砷化鎵負(fù)載極值。

調(diào)整檢測模型以及平臺中的砷化鎵標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，在原本的基礎(chǔ)之上擴(kuò)大對用戶的監(jiān)測范圍。此時(shí)，利用溫度監(jiān)控裝置測定熱點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)數(shù)值，在范圍之內(nèi)，根據(jù)砷化鎵技術(shù)，設(shè)定熱點(diǎn)溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。這部分需要注意的是，光纖溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的定位，均是獨(dú)立的，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，具有一定的關(guān)聯(lián)性。構(gòu)建砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。

圖4 砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4，可以完成對砷化鎵光纖熱節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。在上述結(jié)構(gòu)之中，獲取變壓器的執(zhí)行數(shù)據(jù)，結(jié)合溫度變化情況，收集熱節(jié)點(diǎn)的信息，并計(jì)算出監(jiān)測響應(yīng)時(shí)間，具體如表1所示。

表1 測試結(jié)果對比分析表

根據(jù)表1，可以完成對測試結(jié)果的分析與研究：與傳統(tǒng)的增壓繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組和傳統(tǒng)繞組數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組相對比，本文所設(shè)計(jì)的砷化鎵光纖繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測小組最終得出的響應(yīng)時(shí)間相對較短，表明其在實(shí)際應(yīng)用的過程中，監(jiān)測的響應(yīng)速度更快，溫度控制監(jiān)測的誤差更小，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

綜上所述，便是對基于砷化鎵光纖技術(shù)的變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測的分析與研究。與傳統(tǒng)的監(jiān)測模式相對比，本文所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測方法呈現(xiàn)出更加靈活、穩(wěn)定且多變的監(jiān)測效果，在復(fù)雜的電力調(diào)控模式之下，可以更為精準(zhǔn)地獲取到電力數(shù)據(jù)與信息，從多個(gè)角度，結(jié)合砷化鎵光纖技術(shù)，制造更為機(jī)械化、數(shù)字化的智能檢測環(huán)節(jié)，更為細(xì)致地捕捉監(jiān)測過程中存在的問題，并制定解決計(jì)劃，利用砷化鎵光纖技術(shù)，構(gòu)建功能強(qiáng)大的監(jiān)測系統(tǒng)，與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的同時(shí)，進(jìn)一步提升了整體的監(jiān)測效率和質(zhì)量，避免監(jiān)測失誤、混亂等問題的出現(xiàn)，為相關(guān)技術(shù)的綜合發(fā)展、創(chuàng)新提供理論依據(jù)。