基于光纤光栅的变压器绕组温度检测方法

基于光纤光栅的变压器绕组温度检测方法1绪论在电力系统中，温度过高是导致火灾产生的重要原因。因此，对变压器绕组温度进行实时监测，通过监测温度进行预警并采取有效措施，则可以减少相应的事故发生。光纤传感技术是一门新兴的、多学科交叉的高科技应用技术，以传感技术为核心的大型设备健康监测逐渐成为一个重要的研究方向。相对于传统的传感器，光纤Bragg光栅传感器具有体积小、重量轻、可植入结构、可复用以及无电磁干扰等优点，因而成为设备健康监测领域应用前景最好的核心传感元件之一。在各类光纤传感器中，光纤Bragg光栅传感器由于适应于恶劣环境下的长期监测，成为最具前景的电类传感器的替代品。2变压器绕组温度在线监测的研究现状2.1直接测量法对于变压器绕组温度的监测，工程中主要采用直接测量法。这种方法可以直接获取绕组的温度情况，原理就是将测温传感器探头植入绕组附近，这样便可以较准确地得到绕组的温度分布情况。从理论上分析，这种测温方法的结果应该较为准确，但是考虑到变压器内部的封闭性，植入变压器绕组中的传感器探头可能会破坏其结构，影响绝缘性，进一步影响变压器的正常运行，所以这种直接测温法对传感器和变压器的结构设计要求较高。2.2光纤技术测量法光纤技术的引入为测量变压器绕组的温度提供了很好的一个途径。当传感器温度发生变化时，光的一些物理参数会随之改变，所以我们可以对光进行调制得到测温探头周围的温度分布情况，光的调制有很多种类比如波长调制、振幅调制、频率及相位调制等，所以根据不同的调制方法，就产生了基于光纤的不同测温传感器。但是每种调制方法都有其优势和缺点，因此其应用场合也有较大区别。2.2.1基于半导体材料的光纤传感器半导体材料的温度和光吸收之间存在的关系，利用半导体材料的这种特性可以制造出强度调制光纤传感器，强度调制的方法比较多，比如反射式或者透射式调制，以及折射率和吸收系数强度调制。大多数半导体的禁带宽度呈现出线性的负相关性，即当周围的温度升高时，其禁带宽度出现线性的减小，光吸收带的波长就会随着温度的升高而增大。如果选用辐射谱与吸收带相对应的光源，温度升高，半导体的光强下降，然后根据光强和温度的函数关系就可以通过反射光强度的数值求出半导体材料温度的数值。现阶段，半导体吸收式光纤温度传感器已经被用于国外大型电器设备的温度检测中，而且其测量效果较为良好。图2.1传感器测温探头结构这种温度传感器也越来越受到国内学者的亲睐，并对其进行了深入的研究。这种光纤温度传感器主要有三部分构成：光电转换器件、光源和敏感元件。砷化镓半导体是常用的敏感元件，价格廉价的发光二极管可以作为光源使用，光电转换器可以采用光电二极管。这种光纤温度传感器具有低成本，结构简单而且制作时容易完成。传感器的性能受到光强度的影响较大，这是其主要缺点，同时测量之前还需要对温度和光照强度进行标定工作。除了温度对光强度产生影响外，测量光强的光探测器、光源光照是的不稳定、耦合损耗、光纤受到弯曲时引起的随机起伏等因素都有可能造成影响，所以仅仅根据事先标定的温度-光照强度函数关系无法很好的提高其测温性能。2.2.2荧光光纤测温技术近些年在光纤测温系统中，荧光光纤测温技术成为了一种研究热点。现在广泛应用于ABB，通用电气等公司的变压器中。荧光光纤测温仪经常被使用，将这种测温仪埋入变压器绕组中便可以进行温度测量。荧光光纤传感器自上世纪80年代以来就被用来进行变压器绕组的温度测量，该传感器类型较多，WTS-11型变压器绕组温度光纤荧光型监测系统由美国Luxtron公司研发，其正常监测的温度范围为0℃-200℃，速度最快是可以每10秒钟进行一次测量，而且其温度分辨率达到了1℃，10米左右的测温探头也比较有优势，因而高压开关柜母线开关、负载的抽头转换开关和电力变压器等监测环境广泛地应用此类传感器。图2.2荧光光纤测温装置原理图荧光光纤测温法是以物质所发射的荧光强度与浓度之间的线性关系及以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进行定性分析。荧光材料具有耐高温和性能稳定的特点，光脉冲由LED光源发出，通过光纤传输到达传感器进行对温度的测量，探头中的荧光物质受到了光谱照射，这些化学物质的分子因为吸收光从而被激发到电子激发态，它就会向外辐射荧光，使本身的能量降低到电子基态。周围的环境温度和荧光的衰减时间呈现一种函数关系，通过温度和荧光的衰减时间确立该函数，被测物体的温度值就可以得到，传感器探头需要在变压器绕组制造或者改进是进行操作，将多个测温点埋设于变压器绕组就可以尽可能的得到更准确的绕组温度。因此这样方法获取的温度值准确，但埋入的传感器探头影响了变压器的绝缘性，而且此种方法后期维护困难，需要拆开变压器，很容易影响变压器性能，消耗很大的人力物力。上面讲到了强度调制光纤传感器和荧光光纤传感器在变压器绕组测温中的应用。但在实际测温中，只能布置单一的温度传感器探头，而且这两类传感器无法实现光路的空分和波分复用，如果放置太多的传感器探头，会造成变压器绕组中的测量线路多而且复杂，严重影响了变压器的性能，也比较浪费资源。因而分布式的光纤温度传感器可以克服一些上面提到的传感器的不足之处。2.2.3分布式的光纤温度传感器当进行温度测量时，分布式的光纤温度传感器通常将光纤放置于与温度场平行的方向，由于光在传输过程中具有光时域的后向散射特性，这样被测量物体的温度信息就包含在散射光中，分析光纤中的散射光就可以知道被测物体周围的温度分布。这种传感器最大的优势就是进行分布式测量，这对于传统的电类传感器来说是很难实现的，所以其应用价值比较明显，市场中已经出现了多种该类型的传感器。基于瑞利（Rayleigh）散射和布里渊（Brillouin）散射原理的光纤传感器便是光时域反射（OTDR）技术的代表。这些测温系统在空间中的定位误差在1m左右，温度误差一般为几摄氏度，由于其具有定位功能，电缆的温度测量中较广泛地使用此类测温系统。如果应用于变压器绕组的测温，则由于变压器的结构有别于电缆，定位误差太大，而定位误差和温度误差相互制约，因此降低定位误差之后，温度分辨率的误差便增大了。所以说，就目前的技术而言，分布式光纤温度传感器不太适合应用于变压器绕组测温。图2.3分布式的光纤温度监测系统构架图由于变压器的健康状况对大型企业的作用越来越明显，我国的科研人员已经将其温度监测作为了一项研究重点。有些变压器在制造时就安装了测量绕组的监测装置，这样为后续对变压器温度测量打下了较好的基础，其中一部分已经投入使用，效果良好，现实意义明显。光纤温度传感器已经被国内的很多生产厂商作为研发的重点项目，而且不同型号的分布式光纤温度传感器已被生产，例如山东微感光电子公司生产的型号为MSP-2000的光纤变压器绕组温度测量系统等。国外的此类产品也比较多，比如加拿大Neoptix公司生产的型号为T/Guard光纤测温系统。中国一些企业也采购了此类设备，但在实际应用中，缺点也是非常明显的，系统调试困难，探头体积大而且数目多，不容易放置。2.2.4光纤Bragg光栅温度传感器光纤Bragg光栅温度传感器的优点在此显现的更加明显，由于这种温度传感器的感温装置是光栅，光栅是通过紫外光技术写入光纤中的，所以传感器探头实际上就是光纤，非常容易安装。总体来说，光纤光栅温度传感器相比于其他类型的传感器，优势明显，由于不需要在现场进行供电，所以变压器周围的强电磁干扰不会影响温度的测量，测量的分辨率和精度高，响应速度很快，可以长时间的放置于腐蚀性强、高湿度、高温度的测温环境中，线路损耗和光源衰减也不会造成影响，传感器可以实现分布式布置，实现多点测量。2.3光纤光栅理论2.3.1光纤Bragg光栅模式理论在研究光纤布拉格光栅的光学特性时，虽然有很多的理论分析方法，但是最常用的是模式耦合理论，此理论可以用多个耦合方程比较容易地和无微扰光波导中的微扰正反向传输模场。这种方法一开始仅仅适合应用于均匀结构光栅，后来随着研究的深入，此理论拓展到非周期结构的光栅。由于光敏光栅具有光致折射率改变的特性，光纤光栅的制作方法便是依据此特性，用紫外光曝光进行照射，光纤中就会发生折射率的扰动现象，这样就可以形成光纤光栅，用n𝑒𝑓𝑓代表总导模的有效折射率，其变化可以表示如下：∆n𝑒𝑓𝑓(𝑧)=∆n̅𝑒𝑓𝑓(𝑧)[1+scos(2𝜋Λ𝑧+∅(𝑧))]s代表条纹可见度，𝛬代表光栅周期，φ(z)是光栅周期的相移，不同的光纤光栅，其φ(z)和∆n𝑒𝑓𝑓也不同。图2.4裸光纤光栅的反射波长与温度变化曲线由于目前光纤光栅的制作方法大多是用紫外光曝光，在曝光区形成干涉条纹，但是这种方法形成的折射率不能严格的服从于正弦分布。但对于光纤光栅的理论分析和研究具有非常重要的价值，而且这也是研究其他光纤光栅的理论基础。2.3.2光纤测温系统硬件设计基于光纤Bragg光栅传感解调系统的基本原理是,温度的改变会引起光纤光栅后向反射光中心波长的改变，通过探测波长的变化量进而求出温度的变化。整个光纤光栅温度测温系统的系统框图2.5如下图所示，其构成包括激励单元、耦合单元、传感单元、解调装置和PC机。图2.5光纤光栅测温系统的系统框图由于光纤传感器可以采用复用技术，所以在含有多个传感光栅的测温系统中要求激励光源除了能够输出能量较高的输入光，还要求其输出光的带宽也较宽。在波分复用系统中，各个传感光栅的中心波长不能够重合，加上每个传感光栅受到温度的变化，中心波长也会出现漂移，所以各个传感器之间的间隔也需要预留，结合以上几点，选择ASE光源作为激励单元，其输出的光能量可达到13dBm，输出的波长带宽可以达到40纳米，并且包含C波段区域，在此区间光纤光栅中心波长和温度的函数关系接近于直线，适合应用。2.4小结在测试过程中发现，中心波长与温度变化有很好的线性关系，证明了光纤光栅具有很好的温度响应特性，是一种理想的温度传感元件。由于光纤光栅传感器具备许多不可替代的优越性，因此，自G．Meltz等人首次报道将光纤布拉格光栅应用于传感器以来，已经在电力工业、生物医学、桥梁、大坝智能材料、航空航天、民用工程结构等许多领域得到了广泛的应用。电力工业中的应用光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化使压电陶瓷（PZT）产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，从而得知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。生物医学应用光纤相干层析成像技术(OCT)主要应用于生物、医学、化学分析等领域，如视网膜扫描、胃肠内视以及用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，因此，世界上有许多国家都开发出相应的产品。德国的科学家近期推出了一台可用作皮肤癌诊断的OCT设备。此外，利用OCT可以实现深度测量(～1mm)的优势，并已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测。智能桥梁建筑材料应用智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中，从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、以及故障的实时监控。将光纤应用于桥梁测试中，可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的测量和测控，从而构成智能桥梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纤传感器具有很高的精度和重复性，可安装在材料或建筑物表面或埋入内部，对应变、位移、裂缝、空隙压力等进行监测；我国的缪延彪教授建立了一种新的波长干涉仪试验系