基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監測試驗分析

張金鵬，劉鏢峰，花婷婷

（1.南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇省南京市 211106；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇省南京市 211106）

基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監測試驗分析

張金鵬1，劉鏢峰1，花婷婷2

（1.南京南瑞集團公司水利水電技術分公司，江蘇省南京市 211106；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇省南京市 211106）

本文介紹了基于光纖光柵的變壓器油溫油位鐵芯接地電流在線監測的基本原理，同時結合在國內某110kV變電站內進行的實測試驗數據進行分析，驗證了光纖光柵技術在變壓器在線監測方面的可行性，同時從側面反映了南瑞集團自主研發的“SJ9000變壓器在線監測系統”的準確性和可靠性，在相關領域具有廣闊的應用前景。

光纖光柵；變壓器；油溫油位；鐵芯接地電流；在線監測

0 引言

變壓器在平時的運行過程中，隨著負荷及周圍環境的變化，變壓器油溫也將發生改變，導致油的體積變化，影響油位[1]。同時，隨著變壓器使用時間的累積，有可能引起變壓器局部絕緣老化，甚至發生絕緣擊穿事故，而反映絕緣老化的一個重要指標就是鐵芯接地電流的增大[2]。由此可見，變壓器油溫油位以及鐵芯接地電流的變化直接反映了其運行狀態和工作性能，對其的監測將給變壓器維護及檢修提供明確的方向，保證其安全、可靠、穩定地運行。隨著科技的發展，傳統的變壓器檢測方法正被在線監測技術所沖擊。

1 光纖光柵技術

光纖光柵有著不受光路光強波動及電磁干擾影響、波長絕對編碼和易于實現分布式傳感等突出優點[3]，從出現至今發展迅速，并在光纖通信與光纖傳感領域獲得了廣泛應用。在光纖通信方面，光纖光柵本身的結構決定其便于實現波分、時分、空分復用，容易與光纖及其他光學器件連接，并可直接參與光譜分析、光學通信、光學編碼[4]。在光纖傳感方面，光纖光柵為光纖傳感技術開辟了一個新的應用領域。在光纖上用紫外光刻寫光柵，10mm的光纖光柵包含了10000個在纖芯中規則分布的微小的反射鏡面，由于溫度、應變等參量的變化與所導致的柵距變化呈線性，光柵反射波長也隨柵距變化而線性變化（見圖1），通過測量光柵反射波長，即可換算出被測體溫度、應變等參量[5]。同時，通過對不同波長光柵進行特定的封裝，可以實現在同一根光纖上溫度、應變等多參數的實時測量，文中對于油溫和油位的測量就是通過封裝在一根光纖上來實現的。

2 在線監測系統

在線監測系統主要由以下幾個部分組成：

（1）信號變送：由相應的傳感器從電氣設備上檢測出那些反映設備狀態的物理量，并將其轉換為合適的電信號，傳送到后續單元。

（2）信號處理：對傳感器變送來的信號進行預處理，對干擾信號進行抑制。

（3）數據采集：對經過處理的信號進行采集、A/D轉換和記錄。

（4）信號傳輸：將采集到的信號傳送到后續單元。

（5）數據處理：對所采集到的數據進行處理和分析。

（6）故障診斷：對歷史數據和當前數據分析、比較后診斷。

圖1 光纖光柵技術原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of fiber grating technology

現場試驗所使用的是南京南瑞集團自主研發的“SJ9000變壓器在線監測系統”，它基于B/S架構進行實時采集、分析、顯示及診斷，在海量數據庫平臺的基礎之上，對匯總的歷史數據進行抽取、統計、分析和挖掘，實現生產過程數據的圖形化分析展示，同時生成相關的分析報告和報表，以Web發布的方式提供給網絡終端用戶，實現分析成果及信息共享的最大化，為電廠預防性維護提供可靠的依據，從而及時消除故障隱患，減少破壞性事故的發生。

3 現場試驗分析

現場在變壓器儲油柜油位計下方安裝了光纖光柵油溫、油位傳感器（見圖2），油溫油位傳感器通過光纖連接到廠房機柜內的光纖光柵解調儀上，并由網線連接到工控機，經程序解析收到CDT協議報文，從而得出油溫油位的實時數據；變壓器接地銅線穿過鐵芯接地電流傳感器（見圖3）。

由傳感器輸出的4～20mA信號線依次連接到現地端子箱內的研華亞當模塊（ADAM-4117）和光電轉換器上，實現了電信號—RS485信號—光信號的轉換過程。并通過光纖連接到機柜內的光電轉換器上，經由串口接到工控機上，經程序解析收到標準Modbus協議報文，從而得到鐵芯接地電流的實時數據，其基本結構如圖4所示。

變壓器油溫油位以及鐵芯接地電流的實時數據反映在SJ9000系統平臺的主監視圖上，如圖5所示。

現場所選用的系統平臺數據庫為SQL Server 2005，所有解析得到的實時數據均完成入庫操作，通過系統平臺的歷史查詢功能，調用數據庫中24h的歷史數據生成對應曲線，如圖6所示。

同一時刻下，通過變壓器油溫油位表以及萬用表的實測，得到的數據見表1：

圖2 油溫、油位傳感器現場安裝圖Fig.2 Site installation drawing of oil temperature and oil level sensor

圖3 鐵芯接地電流傳感器現場安裝圖Fig.3 Site installation drawing of core grounding current sensor

圖4 變壓器在線監測系統基本結構圖Fig.4 Basic structure diagram of transformer monitoring system

圖5 變壓器油溫油位鐵芯接地電流主監視圖Fig.5 Main monitoring diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

圖6 變壓器油溫油位鐵芯接地電流24h歷史曲線圖Fig.6 Historical curve diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current in 24 hours

表1 變壓器油溫油位鐵芯接地電流實測值Tab.1 Measured value of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

將實測值與平臺數據列表中的實時數據分別進行對比，在一定精度下，兩者數據基本一致，均在可接受的誤差范圍內。

為了驗證24h內變壓器油溫油位鐵芯接地電流的變化趨勢是否正確，現場安排人員輪班，每隔半小時人工采集一次數據并記錄在excel表中，共記錄了48個時間點的數據。通過excel擬合曲線得到下列曲線，分別如圖7～圖9所示。

圖7 鐵芯接地電流24h測值擬合曲線圖Fig.7 Fitting curve diagram of core grounding current in 24 hours

圖8 油溫24h測值擬合曲線圖Fig.8 Fitting curve diagram of oil temperature in 24 hours

圖9 油位24h測值擬合曲線圖Fig.9 Fitting curve diagram of oil level in 24 hours

分析：

（1）現場實測的變壓器油溫油位及鐵芯接地電流值與同一時間點下系統平臺上所顯示的實時數據具有良好的一致性，這也從側面反映了光纖光柵傳輸具有高度的靈敏度和精確度。

（2）從圖6所示的24h歷史曲線圖中可以看出，變壓器油溫和油位的變化趨勢基本一致，符合實際變化規律，這也從側面反映了SJ9000變壓器在線監測系統離線分析的準確性。

（3）根據現場對油溫油位鐵芯接地電流24h實測值擬合的曲線，對照平臺的24h歷史曲線，可以看出，各被測量整體的變化趨勢基本一致，由此可見該系統的準確性以及與光纖光柵技術結合的可行性。

（4）結論：變壓器在線監測系統工作穩定，顯示的測點信號準確、可靠，變化趨勢與實際吻合，說明光纖光柵技術在變壓器在線監測方面具有良好的應用，與SJ9000系統實現了高度的融合性。

4 結束語

光纖光柵技術越來越多地被應用于變壓器油溫油位鐵芯接地電流等狀態量的監測當中，但與南京南瑞集團“SJ9000變壓器狀態監測分析系統”結合使用尚屬首次。目前該系統在實際工程中主要應用在水輪機組狀態監測方面，通過現場試驗證明了該系統測量的準確性和可靠性，以及與光纖光柵技術的融合性，在相關領域具有廣闊的應用前景。

江蘇溧陽抽水蓄能電站下水庫

[1] 張霽月，王維娟.主變壓器油溫油位關系命名的分析[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2015（1）：44-47.ZHANG Jiyue，WANG Weijuan.Analysis of Main Transformer Oil Temperature and Oil Level Naming Relationship[J].Journal of Anhui Electrical Engineering Professional Technique College，2015（1）：44-47.

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[5] 曾凡超，魏玉賓，鄺國安.光纖光柵測溫在變壓器油溫監測中的應用 [J].電工技術，2009（7）：12-13.ZENG Fanchao，WEI Yubin，KUANG Guoan.Applications of Fiber Grating Thermometry on Monitoring Transformer Oil Temperature[J].Electric Engineering，2009（7）：12-13.

2016-10-12

2017-05-09

張金鵬（1989—），男，助理調試工程師，主要研究方向：水電廠主設備狀態監測。E-mail：zhangjinpeng@sgepri.sgcc.com.cn

劉鏢峰（1984—），男，工程師，主要研究方向：水電廠主設備狀態監測。E-mail：liubiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

花婷婷（1991—），女，助理工程師，主要研究方向：電網電氣試驗：微水、局放、接地網、發電機轉子RSO試驗等。E-mail：huatingting@js.sgcc.com.cn

Test Analysis of Online Monitoring System of Transformer Oil Temperature and Level with Core Grounding Current Based on Fiber Grating

ZHANG Jinpeng1，LIU Biaofeng1，HUA Tingting2
（1.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China ；2.Fang Tian Electric Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

This paper introduces the basic principle of online monitoring of transformer oil temperature and oil level with core grounding current based on fiber grating，combining with analysis of measured test in some domestic 110kV substation，which has verified the feasibility of fiber grating technology in online monitoring on transformer.Besides，it reflects the accuracy and reliability of the SJ9000 transformer monitoring system created by NARI independently，which has broad application prospects in related fields.

Fiber grating；Transformer；Oil temperature and level；Core grounding current；Online monitoring

TM406

A學科代碼：470.4017

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.023