光纖Bragg光柵傳感器在變壓器油溫檢測中的應用

徐智超， 趙振剛， 李英娜， 段朝磊， 張　欣， 李　川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

應用技術

光纖Bragg光柵傳感器在變壓器油溫檢測中的應用

徐智超， 趙振剛， 李英娜， 段朝磊， 張欣， 李川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

摘要:油浸式變壓器中油溫的高低是決定電氣設備絕緣老化速度快慢的重要因素。分析油浸式變壓器內部的溫度場分布特性，對變壓器內部油溫傳感器的布設位置進行優化，根據光纖Bragg光柵(FBG)中心波長隨溫度變化而變化的特性實現對油浸式變壓器油溫的測量。以型號為S13—12500/35的油浸式變壓器為試驗對象，測得變壓器以1倍功率運行時，變壓器的上、中、下層油溫度分別為63，52，40 ℃，上、中、下層的油溫梯度差約為10 ℃。

關鍵詞：光纖Bragg 光柵； 變壓器內部溫度； 溫度場仿真

0引言

大型油浸變壓器是電力系統中價值最高且最為重要的一類主設備，其可靠性和運行壽命直接影響電網運行安全和資產績效[1,2]。變壓器油溫過高會使絕緣材料的絕緣性能降低并加快其老化，從而降低變壓器的使用壽命，對變壓器油溫的檢測能夠準確把握變壓器的工作狀況，對可能發生的故障提前預警[3～5]。西安理工大學的劉華等人，采用鉑電阻溫度傳感器設計了對變壓器油溫測量的檢測系統[6]，但由于要克服銅導線對變壓器內部漏磁和的影響，使得布設的難度較高，對測量精度也有一定影響。呂啟深等人提出了光纖測溫在變壓器內部的應用進行了理論上的分析和展望，但沒有設計可以應用在工程上的傳感系統。光纖本安特性良好，抗干擾，耐高溫，電絕緣，制成的傳感器特別適合在變壓器內部強電強磁環境下使用。

本文對變壓器油箱內部油流狀態和溫度場的分布的情況進行有限元分析后，對光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的布設位置進行優化，再以油浸式35 kV(型號為S13—12500/35型油浸式無勵磁調壓電力變壓器)變壓器為實驗對象，在一次變壓器溫升試驗中，使用FBG傳感器對變壓器內部上、中、下層油溫進行了監測。

1仿真分析

變壓器內部的熱量主要是由損耗引起的，要對變壓器內部溫度場進行有限元分析，首先要對變壓器內部損耗進行仿真分析。變壓器損耗主要是由兩部分組成，即空載損耗(鐵損)和負載損耗(銅損)。首先建立變壓器模型，如圖1所示，使用Maxwell電磁仿真軟件對變壓器內部組件的損耗進行仿真，通過得出的損耗計算出相應的熱量。

定義好變壓器部件參數，包括繞組和鐵芯的材料，密度

及相關損耗模型參數后，開始進行損耗仿真：將變壓器中通入50 Hz正弦交流電，運行周期為0.02 s，選取0.1 s約5個周期作為仿真時長，仿真步長選取0.000 1 s。仿真完成后，變壓器各組件的損耗值如圖2所示。

圖2仿真計算知，鐵芯損耗為7.7 kW，高壓繞組損耗為19.9 kW，低壓繞組損耗為20.6 kW，渦流損耗為0.09 kW。由于繞組中通有電流，其繞組損耗為通入電流有效值的平方與繞組電阻的乘積。

圖1　變壓器模型Fig 1　Model of transformer

圖2　變壓器各組件損耗值Fig 2　Loss value of each components of transformer

將其損耗數據轉換為發熱載荷輸入ANSYS CFX中對該變壓器進行溫度場和流場仿真。

設置相關的參數和邊界特性，其中,初始環境溫度設置為25 ℃；鐵芯的材料設置為硅鋼，直徑設置為44 cm，高度設置為72 cm；繞組中材料設置為紫銅，高壓繞組匝數設置為432，低壓繞組匝數設置為114；流體的設置為油，初始油溫設置為25 ℃。

然后,將Maxwell電磁仿真軟件中計算出的熱載荷定義為能量并以熱源的方式導入到ANSYS CFX中，分別得到30,60,120 min變壓器整體的溫度分布仿真圖3所示；30,120 min的油液流速仿真如圖4所示。

圖3　變壓器油箱溫度場仿真Fig 3　Temperature field simulation of transformer fuel tank

圖4　變壓器內部油流速仿真Fig 4　Simulation of oil flow rate inside transformer

對比變壓器工作30,60,120 min時變壓器整體的溫度分布云圖可以看出：隨著工作時間的增加，變壓器的內部各組件的溫度逐漸升高。油箱的溫度從30 min的298 K增加到120 min時的303 K。油液被繞組產生的熱量加熱后迅速上升帶走熱量,然后由頂部往兩邊擴散，以此形成了閉合的油循環系統。

變壓器兩相繞組之間是反映變壓器油溫變化最明顯的位置，同時，此處油的流速也最快，將傳感器布設在此位置，當變壓器出現故障時，傳感器能夠最先監測到油溫的變化，從而保證檢測效果。

2傳感器與系統設計

針對變壓器內部的特殊使用環境，對光纖油溫傳感器做如下設計：將光纖光柵嵌入到加工后的聚四氟乙烯薄片中，在引出端用膠固定，這種設計無金屬材料的出現，消除了漏磁和局部放電對檢測準確性的影響；同時，對于傳感器的安裝也提供了便利。具體結構如圖5所示。

圖5　傳感器結構圖Fig 5　Structure diagram of sensor

實際的傳感系統拓撲圖如圖6所示，FBG信號處理器內置超輻射寬帶光源,通過FBG信號解調儀將光源傳送至變壓器內部的FBG傳感器中,現場FBG傳感器所反射的各中心波長再次反射回FBG信號解調儀,光機模塊將反射信號送入波長檢測單元,在波長檢測單元中感知各傳感器反射的中心波長值,比較各傳感器中心波長的變化量推算出變壓器內部油溫，最終由FBG信號解調儀將被測物理量數值輸出并在上位機上顯示出來。本項目在型號為S13—12500/35型油浸式無勵磁調壓35 kV電力變壓器的油溫測量中進行了實際應用。根據仿真結果,將傳感器布設在兩相繞組中間位置，固定在上下之間的木制框架上。這樣一方面避免了直接接觸變壓器金屬部件造成測量結果不準確，另一方面又足夠接近變壓器兩相繞組之間的中軸，從而保證測量數據準確，監測實時性好。

圖6　系統拓撲圖Fig 6　Topology diagram of system

在一次完整的35 kV變壓器溫升試驗過程中，使用FBG油溫傳感器記錄了在這一過程中變壓器上、中、下層油溫的變化，結果如圖7所示。

圖7　變壓器溫升試驗時間—溫度曲線圖Fig 7　Time-temperature curve of transformertemperature rising test

根據檢測報告：自第一日16:00檢測開始，變壓器在不開風機狀態下保持1.3倍功率運行，至當日18:36，變壓器風機開始運行，期間油溫在當日18:30左右到達峰值，其中上、中、下層油的溫分別為68,57,48 ℃；次日1:30起變壓器開始以額定功率運行，期間變壓器的上、中、下層油溫分別為63,52,40 ℃。次日2:30開始斷電檢測高壓側直流電阻，次日2:45恢復供電，次日3:45左右斷電檢測變壓器低壓側直流電阻，此時刻后檢測結束，變壓器自然冷卻。期間,FBG油溫傳感器也記錄了變壓器內部油溫的變化趨勢，實現了對變壓器油溫的在線監測。

變壓器三種典型工作狀態下監測到的油溫數據如表1。

表1　變壓器三種工作狀態的油溫數據

綜上所述，FBG傳感器在高溫高壓油氣環境中實現了對變壓器內部溫度油溫數據的采集和在線監測。

3結論

本文利用光纖材料本身具有的各種優良特性，在復雜物理化學環境下，為變壓器油溫的檢測給出了具體的檢測方法和解決方案。實驗測得變壓器以1倍功率運行時，變壓器的上、中、下層油溫度分別為63，52，40 ℃，上、中、下層的油溫梯度差約為10 ℃，對變壓器內部油溫數據實現了在線監測，為保證變壓器穩定運行，對變壓器及其他復雜環境下部件溫度的檢測提供了新的思路。

參考文獻:

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[6]Soci C，Zhang A，Xiang B，et al．ZnO nanowire UV photodetectors with high internal gain[J]．Nano Letters，2007，7(4):1003-1009．

Application of FBG sensor in transformer oil temperature monitoring

XU Zhi-chao, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na,DUAN Chao-lei, ZHANG Xin,LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Abstract:In oil-filled transformer,oil temperature is an important factor in determining speed of insulation aging of electrical equipment.By analyzing the temperature field distribution of oil-filled transformer,layout position of optical fiber temperature sensor which inside the transformer is optimized.Center wavelength of fiber Bragg grating(FBG)changes with temperature change,and according to this feature,realize oil temperature measurement of oil-immersed transformer.S13—12500/35 oil-immersed transformers is used as test subject,when transformer is running at double power,oil temperatures of transformer in top,middle,and lower layers are 63,52,40 ℃,and oil temperature gradient difference is about 10 ℃.

Key words:optical fiber Bragg grating(FBG); transformer internal temperature; temperature field simulation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0151—03

收稿日期：2015—07—10

中圖分類號：TP 212.9

文獻標識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)04—0151—03

作者簡介:

徐智超(1991-)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為光纖傳感器技術。