基于光纤光栅传感器的变压器测温系统设计

孙凯航，王飞龙，李燕青

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

变压器绝缘老化是影响其寿命的因素之一，而变压器内部温度又直接影响了绝缘老化的速度。因此，对变压器内部温度进行实时监测，在变压器内部出现高温时采取合理的降温措施是延长变压器使用寿命的有效措施[1-3]。

变压器绕组温度在线监测常用的监测技术主要包括红外测温技术、热电阻测温技术以及热电偶测温技术等[4]。其中，红外测温只能对变压器表面温度进行测量，测量结果容易受到外界干扰。热电阻测温技术和热电偶测温技术容易受到电力系统强电磁环境的干扰，测量效果不佳，测量结果的精度很难得到保证[5-7]。

针对上述变压器绕组温度在线监测手段的不足，本文设计了一种基于光纤光栅传感器的变压器绕组温度在线监测系统。

1 光纤光栅温度传感原理

Bragg光栅的中心波长满足

式中:neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅条纹周期;λB为Bragg光栅的中心反射波长。

由式(1)可得知Bragg光栅的中心波长λB随neff和Λ的变化而变化，而neff和Λ均为温度的函数，式(1)等号左右两端同时对温度T求导可得

由式(2)可推导得

式中:KT为光纤光栅传感器的温度灵敏度系数，与其材料有关，与温度无关。

由式(3)可知，光纤光栅的波长偏移量与温度变化呈线性关系，因此只需测出Bragg光栅的波长偏移量即可求得温度改变量[8-10]。根据此原理，本文设计了基于光纤光栅传感器阵列的变压器绕组测温系统。

2 系统设计

2.1 硬件设计

基于光纤光栅传感器的变压器测温系统的硬件部分主要由宽带光源、隔离器、耦合器、FBG传感器阵列、F-P可调谐滤波器、滤波控制器、光电探测器、数据采集卡以及PC机构成，硬件部分结构如图1所示，硬件部分型号主要参数如表1所示。

图1 硬件部分结构图

表1 系统设备主要参数

图1中宽带光源的作用是产生一定波长范围的光信号，启动系统工作;隔离器的作用是对宽带光源产生的光信号进行一定的滤波处理，提高光信号的抗干扰能力;耦合器的作用是对隔离器传输来的光信号进行分路处理，并将分路信号分别传输给各个传感器，汇合各个传感器反馈回来的光信号，采用波分复用的方式将其传输给F-P可调谐滤波器;F-P可调谐滤波器的作用是通过调整F-P腔的大小检测传感器输出光信号的波长;滤波控制器的原理是通过改变内部压电陶瓷锯齿波电压的幅值来改变F-P可调谐滤波器的F-P腔长，配合F-P可调谐滤波器工作;光电探测器的作用是将F-P可调谐滤波器处理后的光信号转换为电信号;数据采集卡的作用是采集电信号数据;PC机的作用是处理信号，输出传感器所在测点的当前温度和温升速率。

2.2 软件设计

采用Labview编写变压器测温系统的温度判断与显示软件。设计的软件系统根据扫描得到的光纤光栅的反射光谱图即可确定主光纤上复用的光波的个数。若复用个数不等于传感器探头个数，则表明某些传感器探头发生故障，此时根据传感器阵列的工作波长就能在很短时间内确定发生故障的传感器探头的编号和位置，软件界面会显示“XX号传感器故障”信号，提醒工作人员尽快采取相应的应对措施。反之，若复用个数等于传感器探头个数，则表明所有的传感器均工作正常。此时，根据光波长与温度的函数关系即可求得测点温度。

为了能及时发现变压器绕组温度异常问题，设计的基于光纤光栅传感器的变压器测温系统软件判断部分同时将测点温度和测点温升速率作为判据来判断变压器绕组温度是否正常。测点温度和测点温升速率之一超过设定门槛值，则启动报警设备，提醒工作人员采取应急措施。

软件界面上应显示传感器编号、传感器位置、测点温度以及测点温升速率等信息。同时，软件系统还具有事件记忆、数据存储、数据导出、其他变压器数据导入、历史数据查询等功能，方便工作人员详细了解变压器的温度情况。软件部分充分考虑了变压器运行时间对绕组温度的影响，设计了相同负荷条件下温度纵向比较功能，方便工作人员了解变压器温度变化情况。此外，如果将同型号其他变压器的数据导入到软件系统，还可以实现不同变压器之间温度横向比较，有助于全面了解变压器绕组温度情况。变压器测温系统主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

3 实验室环境下系统运行情况

在实验室测试时将6个温度传感器分布在10 kV油浸式单相实验用变压器绕组的不同位置，实验过程中在各个传感器附近安装美产高精度数字式温度计F51-II，将传感器的测量结果与F51-II高精度数字式传感器的测量结果进行比较，结果如表2所示。表2结果表明，光纤光栅传感器的测量结果与F51-II的测量结果的最大绝对误差为0.2℃，在±0.5℃范围内，能够满足现场测量要求。

表2 变压器油温实验结果 ℃

4 结语

针对常用变压器测温技术存在的缺陷，本文设计了基于光纤光栅传感器的变压器测温系统，它不仅克服了传统单点测温的不足，及时发现变压器绕组温度异常问题，同时还能将测点温度和测点温升速率作为判据来判断变压器绕组温度是否正常。实验测试结果表明，本文设计的测温系统精度高，稳定性良好。

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