專利名稱：一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖光柵傳感領(lǐng)域和變壓器狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于光 纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電力變壓器作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其繞組溫度的高低直接關(guān)系到電力 變壓器的使用壽命以及輸變電系統(tǒng)的運(yùn)行安全，因此每個(gè)變電所都需要對(duì)變壓器進(jìn)行溫度 監(jiān)測。變壓器的絕緣性與老化率與繞組熱點(diǎn)溫度有關(guān)，超過溫度的允許限值不但會(huì)降低變 壓器的運(yùn)行壽命，還會(huì)對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成威脅。若繞組熱點(diǎn)的溫度過低，則變壓器的 能力就沒有得到充分利用，降低了經(jīng)濟(jì)效益。變壓器的溫升限值以變壓器的使用壽命(主 要是絕緣材料的壽命)為基礎(chǔ)。在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)變壓器在不同的負(fù)載運(yùn)行情況下的 溫升限值或熱點(diǎn)溫度做了相應(yīng)的規(guī)定。電力變壓器國家標(biāo)GB1094. 2-1996《電力變壓器第 2部分溫升》規(guī)定的電力變壓器溫升限值是根據(jù)不同的負(fù)載情況而定的。因此基于光纖光 柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測方法在電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)改造中顯得尤為關(guān)鍵，利用該系統(tǒng)準(zhǔn)確 地測量和在線監(jiān)測繞組的熱點(diǎn)溫度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外，對(duì)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的測量方法主要有(1)電信號(hào)傳感器測量。目前大部分電廠和變電站還是采用基于電信號(hào)傳感器的 測溫系統(tǒng)，如電阻溫度計(jì)、熱電偶，但這類電信號(hào)的傳感器易受電磁干擾，測量效果不很理
術(shù)g
；ο(2)光纖測溫儀測量。在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)光纖傳感器來測溫，常見的是熒光 光纖測溫儀。這種方法維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，價(jià)格也十分昂貴，而且光纖測溫 系統(tǒng)的掃描時(shí)間比較長。(3)紅外溫度傳感器測量。該方法測溫靈敏度和準(zhǔn)確度很高，但紅外測溫為非接觸 測量，易受環(huán)境及周圍的電磁場干擾，且需人工操作，無法實(shí)現(xiàn)在線測量。(4)分布式光纖溫度傳感器。通常是將光纖沿溫度場分布，借助于光在傳輸時(shí)光時(shí) 域后向散射技術(shù)，根據(jù)散射光所攜帶的溫度信息來測量溫度。由目前的研究成果來看，分 布式光纖測溫系統(tǒng)的測溫誤差一般為幾個(gè)攝氏度，定位誤差為一米左右，對(duì)于變壓器內(nèi)部 溫度的監(jiān)測其定位誤差顯然較大。相比以上幾種方法，光纖光柵測溫對(duì)于光纖光柵傳感系統(tǒng)，其具有以下明顯的優(yōu) 點(diǎn)①抗干擾能力強(qiáng)。②傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。③測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。④便 于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。⑤可用于對(duì)外界參量的絕對(duì)測量。⑥光柵的寫入工藝已 較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是利用一種可以對(duì)油浸式變壓器、電抗器內(nèi)部溫度進(jìn)行直接 測量的光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)變壓器的內(nèi)部繞組溫度監(jiān)測，得到變壓器各種運(yùn)行方式下的內(nèi)部溫度分布，并對(duì)變壓器內(nèi)應(yīng)力、局部放電等重要參量進(jìn)行測量監(jiān)控。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系 統(tǒng)，其特征在于，包括光源，采用輸出功率較大、帶寬較大的光源；光纖光柵傳感器，設(shè)置 在變壓器的繞組和撐條及變壓器內(nèi)部其它位置的各個(gè)探測點(diǎn)上，用于變壓器溫度、應(yīng)力、局 部放電參數(shù)的傳感測定；光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，接收光纖光柵傳感器的測定數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確解調(diào) 出溫度、應(yīng)力、局部放電等參數(shù)相應(yīng)的光信號(hào)；及信號(hào)處理顯示儀表。由此帶來的技術(shù)效果 至少是本實(shí)用新型通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測量，作為變壓器設(shè) 計(jì)的驗(yàn)證參照手段和運(yùn)行中變壓器工況的一種狀態(tài)檢測系統(tǒng)，能提高變壓器本體的智能化 水平，對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供良好的基礎(chǔ)。如上所述的基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，其特征在于，信號(hào)處理顯 示儀表中包括有可調(diào)F-P濾波器、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)接受及校正模塊、軟件編程處理模塊 和顯示模塊、在線監(jiān)測和全壽命評(píng)估模塊，該部分安裝與變壓器現(xiàn)場或主控室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 變壓器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本實(shí)用新型的有益效果是可以準(zhǔn)確測量出變壓器繞組各探測點(diǎn)溫度，并對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理遠(yuǎn)程傳輸顯示，并依據(jù)此還原變壓器溫度場；在測量溫度參量的同時(shí)，還可以對(duì)應(yīng) 力變化、局部放電、油色譜等變壓器內(nèi)性能參數(shù)進(jìn)行傳感測量分析；最終實(shí)現(xiàn)帶有高精度、 可靠、實(shí)時(shí)在線的光纖光柵溫度檢測系統(tǒng)的所有電壓等級(jí)的油浸式變壓器、電抗器樣機(jī)工 程化應(yīng)用。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)的原理框 圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的光纖光柵陣列設(shè)計(jì)原理示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型系統(tǒng)工作原理如圖1所示。利用的原理如下所述，寬帶光源經(jīng)布拉格 光柵反射為窄帶光，其反射波長決定于光柵周期，當(dāng)外界溫度變化或應(yīng)變作用于光柵上時(shí)， 光纖光柵周期和有效折射率發(fā)生變化，進(jìn)而反射波長發(fā)生改變，解調(diào)儀將波長編碼的傳感 信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。變壓器工作一段時(shí)間以后，變壓器繞組溫 度會(huì)升高，從而使貼在繞組上的光纖光柵的反射波長變化，與此同時(shí)，單片機(jī)提供給壓電陶 瓷鋸齒波電壓，改變F-P腔長，使通過F-P腔的波長發(fā)生變化，當(dāng)F-P腔的透射波長與光纖 光柵的反射波長相同，光電探測器輸出最大值，這時(shí)記錄下給壓電陶瓷的掃描電壓值，這個(gè) 時(shí)刻的掃描電壓和光纖光柵反射波長構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)。根據(jù)波長與溫度的關(guān)系，測出了 波長變化量就能得到相應(yīng)的溫度變化量，這樣也就能達(dá)到測溫的目的。如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括光源，采用輸出功率較大、帶寬較大的光源；光纖光柵傳感器，設(shè)置在變壓器的 繞組和撐條及變壓器內(nèi)部其它位置的各個(gè)探測點(diǎn)上，用于變壓器溫度、應(yīng)力、局部放電參數(shù) 的傳感測定；光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，接收光纖光柵傳感器的測定數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確解調(diào)出溫度、應(yīng)力、局部放電等參數(shù)相應(yīng)的光信號(hào)；信號(hào)處理顯示儀表，對(duì)測得的信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、應(yīng)力 去敏等校正處理，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在儀表盤上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；及數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì) 處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行編程軟件分析，得到實(shí)時(shí)變壓器內(nèi)部溫度場及溫度變化，以及在此基礎(chǔ)上 的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測及全壽命評(píng)估。本實(shí)用新型系統(tǒng)中，光源是光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其功能是把電 信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，為溫度的測量提供載體。由于光纖傳感工作環(huán)境的特殊性，本系統(tǒng)對(duì)光 源的出纖功率有嚴(yán)格要求，因?yàn)槌隼w功率直接影響到光電轉(zhuǎn)換后接收到的信號(hào)的強(qiáng)度，如 果信號(hào)強(qiáng)度太弱，將對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理帶來很大難度。而光源的帶寬直接決定了測量范圍 和可以布置的傳感器點(diǎn)的數(shù)量。本實(shí)用新型系統(tǒng)傳感模塊中，傳感器在變壓器的布置包括電磁線，撐條和鐵芯三 種封裝方法。電磁線布置傳感器的方法描述為通過理論計(jì)算出需要測量的繞組溫度變 化點(diǎn)的具體位置，在電磁線表面開槽埋入光纖及其傳感器制作成特制電磁線，包紙后應(yīng)用 于變壓器中。在變壓器的每一相的高壓，中壓和低壓線圈中分別引入多根帶有傳感器的光 纖以滿足測量位置和點(diǎn)數(shù)的要求，在光纖兩端出線部位焊接跳線并對(duì)光纖焊點(diǎn)進(jìn)行涂敷保 護(hù)。該方法可測得數(shù)據(jù)溫度數(shù)據(jù)為變壓器繞組的真實(shí)溫度數(shù)據(jù)，且無電勢跨度滿足了電器 特性要求，并通過特殊的封裝技術(shù)以達(dá)到機(jī)械特性的要求。撐條中布置傳感器的方法同樣 在撐條表面開槽把光纖及其傳感器埋入槽中膠粘封裝，再將特制撐條安裝于變壓器各相的 線圈之間。該方法避免了光纖及傳感器可能受到的橫向剪切力和各種應(yīng)力變化的影響，機(jī) 械強(qiáng)度和測量精度得到了有力的保證。鐵芯封裝采用表面式封裝將光纖及其傳感器貼于鐵 芯表面。以上三種測量方案保證了繞組溫度場的空間分布要求和測量點(diǎn)數(shù)及其精度，對(duì)繞 組各點(diǎn)的溫度均可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。本實(shí)用新型系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要是完成信號(hào)的采集和處理，這一部 分主要由F-P腔、光電探測器、A/D、D/A和單片機(jī)組成。將光電探測器接收到的信號(hào)和對(duì)應(yīng) 的壓電晶體的電壓值全部存儲(chǔ)，然后再將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是這一模塊的主要任務(wù)。該模 塊要求A/D、D/A的轉(zhuǎn)換位數(shù)足以滿足信號(hào)的要求。本實(shí)用新型系統(tǒng)集成了光柵信號(hào)解調(diào)儀與現(xiàn)場監(jiān)控模塊，該系統(tǒng)適用與油浸式變 壓器和電抗器，并可作為配套變壓器安裝使用的儀表與控制系統(tǒng)。其中，軟件處理部分包括 信號(hào)的采集、分析、處理、校正與顯示，還包括了變壓器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與狀態(tài)控制、全壽命評(píng) 估等功能。本實(shí)用新型的技術(shù)方法是，采用光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行溫度傳感，傳感信號(hào)采用 調(diào)諧F-P濾波器法進(jìn)行解調(diào)，繞組溫度探測應(yīng)用多種傳感器布置方案。光纖光柵傳感技術(shù) 原理如下所述光纖光柵的中心波長λ與有效折射率η和光柵周期Λ滿足如下的關(guān)系λ = 2ηΛ式(1)式(1)經(jīng)過求導(dǎo)微分后得到光纖光柵傳感公式
權(quán)利要求1.一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括 光源，采用輸出功率較大、帶寬較大的光源；光纖光柵傳感器，設(shè)置在變壓器的繞組和撐條及變壓器內(nèi)部其它位置的各個(gè)探測點(diǎn) 上，用于變壓器溫度、應(yīng)力、局部放電參數(shù)的傳感測定；光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，接收光纖光柵傳感器的測定數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確解調(diào)出溫度、應(yīng)力、局部 放電等參數(shù)相應(yīng)的光信號(hào)；及 信號(hào)處理顯示儀表。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，其特征在于，信 號(hào)處理顯示儀表中包括有可調(diào)F-P濾波器、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)接受及校正模塊、軟件編程 處理模塊和顯示模塊、在線監(jiān)測和全壽命評(píng)估模塊，該部分安裝與變壓器現(xiàn)場或主控室內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程變壓器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種基于光纖光柵的變壓器內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)，包括光源；光纖光柵傳感器，設(shè)置在變壓器的繞組和撐條及變壓器內(nèi)部其它位置的各個(gè)探測點(diǎn)上，用于變壓器溫度、應(yīng)力、局部放電參數(shù)的傳感測定；光柵信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，接收光纖光柵傳感器的測定數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確解調(diào)出溫度、應(yīng)力、局部放電等參數(shù)相應(yīng)的光信號(hào)；信號(hào)處理顯示儀表，對(duì)測得的信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、應(yīng)力去敏等校正處理，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在儀表盤上；及數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行編程軟件分析，得到實(shí)時(shí)變壓器內(nèi)部溫度場及溫度變化，以及在此基礎(chǔ)上的變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測及全壽命評(píng)估。本實(shí)用新型通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測量，對(duì)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供良好的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201892586SQ20102051844
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者關(guān)慶華, 程林, 聶德鑫 申請(qǐng)人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司