基于光纖光柵傳感器的變壓器測溫系統設計

孫凱航，王飛龍，李燕青

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

變壓器絕緣老化是影響其壽命的因素之一，而變壓器內部溫度又直接影響了絕緣老化的速度。因此，對變壓器內部溫度進行實時監測，在變壓器內部出現高溫時采取合理的降溫措施是延長變壓器使用壽命的有效措施[1-3]。

變壓器繞組溫度在線監測常用的監測技術主要包括紅外測溫技術、熱電阻測溫技術以及熱電偶測溫技術等[4]。其中，紅外測溫只能對變壓器表面溫度進行測量，測量結果容易受到外界干擾。熱電阻測溫技術和熱電偶測溫技術容易受到電力系統強電磁環境的干擾，測量效果不佳，測量結果的精度很難得到保證[5-7]。

針對上述變壓器繞組溫度在線監測手段的不足，本文設計了一種基于光纖光柵傳感器的變壓器繞組溫度在線監測系統。

1 光纖光柵溫度傳感原理

Bragg光柵的中心波長滿足

式中:neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵條紋周期;λB為Bragg光柵的中心反射波長。

由式(1)可得知Bragg光柵的中心波長λB隨neff和Λ的變化而變化，而neff和Λ均為溫度的函數，式(1)等號左右兩端同時對溫度T求導可得

由式(2)可推導得

式中:KT為光纖光柵傳感器的溫度靈敏度系數，與其材料有關，與溫度無關。

由式(3)可知，光纖光柵的波長偏移量與溫度變化呈線性關系，因此只需測出Bragg光柵的波長偏移量即可求得溫度改變量[8-10]。根據此原理，本文設計了基于光纖光柵傳感器陣列的變壓器繞組測溫系統。

2 系統設計

2.1 硬件設計

基于光纖光柵傳感器的變壓器測溫系統的硬件部分主要由寬帶光源、隔離器、耦合器、FBG傳感器陣列、F-P可調諧濾波器、濾波控制器、光電探測器、數據采集卡以及PC機構成，硬件部分結構如圖1所示，硬件部分型號主要參數如表1所示。

圖1 硬件部分結構圖

表1 系統設備主要參數

圖1中寬帶光源的作用是產生一定波長范圍的光信號，啟動系統工作;隔離器的作用是對寬帶光源產生的光信號進行一定的濾波處理，提高光信號的抗干擾能力;耦合器的作用是對隔離器傳輸來的光信號進行分路處理，并將分路信號分別傳輸給各個傳感器，匯合各個傳感器反饋回來的光信號，采用波分復用的方式將其傳輸給F-P可調諧濾波器;F-P可調諧濾波器的作用是通過調整F-P腔的大小檢測傳感器輸出光信號的波長;濾波控制器的原理是通過改變內部壓電陶瓷鋸齒波電壓的幅值來改變F-P可調諧濾波器的F-P腔長，配合F-P可調諧濾波器工作;光電探測器的作用是將F-P可調諧濾波器處理后的光信號轉換為電信號;數據采集卡的作用是采集電信號數據;PC機的作用是處理信號，輸出傳感器所在測點的當前溫度和溫升速率。

2.2 軟件設計

采用Labview編寫變壓器測溫系統的溫度判斷與顯示軟件。設計的軟件系統根據掃描得到的光纖光柵的反射光譜圖即可確定主光纖上復用的光波的個數。若復用個數不等于傳感器探頭個數，則表明某些傳感器探頭發生故障，此時根據傳感器陣列的工作波長就能在很短時間內確定發生故障的傳感器探頭的編號和位置，軟件界面會顯示“XX號傳感器故障”信號，提醒工作人員盡快采取相應的應對措施。反之，若復用個數等于傳感器探頭個數，則表明所有的傳感器均工作正常。此時，根據光波長與溫度的函數關系即可求得測點溫度。

為了能及時發現變壓器繞組溫度異常問題，設計的基于光纖光柵傳感器的變壓器測溫系統軟件判斷部分同時將測點溫度和測點溫升速率作為判據來判斷變壓器繞組溫度是否正常。測點溫度和測點溫升速率之一超過設定門檻值，則啟動報警設備，提醒工作人員采取應急措施。

軟件界面上應顯示傳感器編號、傳感器位置、測點溫度以及測點溫升速率等信息。同時，軟件系統還具有事件記憶、數據存儲、數據導出、其他變壓器數據導入、歷史數據查詢等功能，方便工作人員詳細了解變壓器的溫度情況。軟件部分充分考慮了變壓器運行時間對繞組溫度的影響，設計了相同負荷條件下溫度縱向比較功能，方便工作人員了解變壓器溫度變化情況。此外，如果將同型號其他變壓器的數據導入到軟件系統，還可以實現不同變壓器之間溫度橫向比較，有助于全面了解變壓器繞組溫度情況。變壓器測溫系統主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3 實驗室環境下系統運行情況

在實驗室測試時將6個溫度傳感器分布在10 kV油浸式單相實驗用變壓器繞組的不同位置，實驗過程中在各個傳感器附近安裝美產高精度數字式溫度計F51-II，將傳感器的測量結果與F51-II高精度數字式傳感器的測量結果進行比較，結果如表2所示。表2結果表明，光纖光柵傳感器的測量結果與F51-II的測量結果的最大絕對誤差為0.2℃，在±0.5℃范圍內，能夠滿足現場測量要求。

表2 變壓器油溫實驗結果 ℃

4 結語

針對常用變壓器測溫技術存在的缺陷，本文設計了基于光纖光柵傳感器的變壓器測溫系統，它不僅克服了傳統單點測溫的不足，及時發現變壓器繞組溫度異常問題，同時還能將測點溫度和測點溫升速率作為判據來判斷變壓器繞組溫度是否正常。實驗測試結果表明，本文設計的測溫系統精度高，穩定性良好。

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