基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監測方法研究

龍 劍

（湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 421000）

0 引 言

智能電網中，電力變壓器已成為不可缺少的裝備。變壓器的運行直接影響人們的生產生活[1-2]。為更好地檢測變壓器的狀態，需對變壓器進行可控檢測。變壓器的壽命長短主要取決于絕緣能力。變壓器的實際運行中，變壓器的溫度影響其絕緣能力，因此通過檢測變壓器溫度推斷變壓器的壽命[3]。變壓器運行時，鐵心溫度可直接反應內部溫度，因此急需一種能夠準確檢測鐵心溫度的檢測方法[4-5]。

目前，檢測鐵心溫度的方法主要分為3種，熱模擬測量法、間接計算測量法及直接測量法。鮑俊花等人提出使用熱模擬測量法測量繞組溫度[6]。該方法因簡單而被廣泛使用，但模擬過程和溫升過程誤差較大，導致預測結果不能精準反應繞組溫度。Tajdinian等人提出間接計算法來測量繞組溫度[7]。該方法簡化了變壓器的熱特性分布，計算簡單且具有一定精度，但計算結果會受繞組熱點的影響。Gu等人提出使用直接測量法直接測量繞組溫度[8]。該方法能準確反應變壓器內部的溫度變化趨勢。直接測量法主要包括電信號傳感器測試法、紅外測溫測試法及光纖測溫測試法。

Miczulski等人提出使用電信號傳感器測量法直接測量變壓器內部溫度，但電信號傳感器壽命短，受電磁影響大，測試結果不能準確反應內部溫度[9-10]。Li等人提出了紅外測溫測試法[11]。該測試法使用紅外線測試，但易受電磁影響，且不能及時將測試結果傳回，無法實現實時監測功能。Jiang等人提出了一種光纖測溫測量法[12]。該方法由于測量精度高而得到廣泛應用。但該方法應用于變壓器測溫時，只能根據經驗來放置光纖傳感器，從而造成測溫點數量少和測溫點分布不均勻等問題。

針對目前直接測量法存在的測溫點數量少、測試點分布不均及不能實時傳輸測量結果等問題，本文提出一種基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監測方法。此方法可提高目前的變壓器內部溫度檢測水平，增加變壓器的使用壽命，減少變壓器故障率。

1 光柵傳感器原理

光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor）是一種波長調制型光纖傳感器，通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調制來獲取傳感信息。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性能好、體積小及傳輸損耗小等優點。

光纖光柵具有熱光效應和熱膨效應，將會直接影響光纖光柵的溫度特性。當光纖光柵發生熱光效應時，對應光柵的有效折射率將會產生改變。如果光柵的柵格周期發生變化，就表明光纖光柵發生了熱膨效應。如果溫度和布拉格波長發生變化，就表明熱光效應和熱膨效應均在光纖光柵上產生[13]。因此，光纖光柵的溫度效應可表示為：

其中，α表示光纖光柵的熱膨系數，取值為5.5×10-7；λ表示光纖光柵的熱光系數，取值為5.5×10-6。

光纖光柵不僅能測量溫度，還能測量應變。光纖光柵的應變特性主要受彈性效應和彈光效應影響[14]。彈性效應會對光纖光柵的柵格周期產生重要影響，而彈光效應會改變光纖光柵傳感器的有效折射率。因此，光纖光柵的彈性效應可表示為：

其中，Pe表示光纖光柵的有效彈性系數，取值為0.22。

因此，當測量變壓器內部溫度時，應減小應變特性對光纖光柵溫度特性的影響。

2 設計方法

基于光纖光柵傳感器的鐵心溫度監測系統主要分為傳感器嵌入變壓器、溫度檢測系統及傳感器傳輸系統。對本文提出光纖光柵卷鐵心溫度測量法（Fiber Grating Core Temperature Measurement，FGCTM）、電信號傳感器測量法（Electrical Signal Sensor Measurement，ESSM）、紅外測溫法（Infrared Temperature Measurement，ITM）及光纖測溫法（Fiber Optic Temperature Measurement，FOTM）進行對比分析，評估各方法的預測精度。本研究的具體流程如圖1所示。首先進行溫度檢測，然后傳輸溫度信號，并使用計算機顯示結果，最后對不同測試方法進行評估，選擇最優測量方法。

圖1 研究流程圖

2.1 溫度檢測系統

傳統溫度檢測具有測溫難、測溫點少及測試方法抗干擾能力弱等問題。因此，本研究提出了將光纖光柵傳感器嵌入變壓器鐵心的方法，通過光纖光柵傳感器采集溫度數據，并傳輸采集信號。由于光纖光柵傳感器尺寸小，抗干擾能力強，能在高溫高壓環境下正常工作，所以完全可嵌入到變壓器內部。首先采用光纖預拉伸工具對光纖光柵進行預拉伸，然后對操作后的光纖進行鍍金。由于光纖光柵傳感器具有溫度特性和應變特性，為提高光纖光柵傳感器的測量精度，需減小應變特性的影響，并改善熱膨系數來提升靈敏度。由于鋁合金的熱膨系數高，所以可以通過剛性焊接技術將光纖光柵傳感器和鐵心的鋁合金基底進行結合，從而提升光纖光柵傳感器的測量性能。使用工具對鐵心的背面進行開槽工作，槽的大小適中，不影響鐵心的正常運行。銅扁線包紙過程中，采用引導裝置將光纖引入銅扁線所開設的小槽中，同時預留光纖尾纖，用于引出傳感信號[15]。

2.2 傳感器傳輸系統

本研究采用波分復用技術（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和空分復用技術（Space Division Multiplexing，SDM）。波分復用技術是在一根光纖上讓兩種或者多種信號均通過不同信道進行傳輸，且互相不受影響。這種傳輸方式可使光纖傳輸更多信息。空分復用技術是將多根光纖進行合并，共同組成多個信道且每個信道相互獨立，信號在對應信道上進行傳輸。通過采用波分復用技術和空分復用技術，可使有限光纖最大化傳輸信息，能有效解決變壓器內部測溫點少的問題。首先通過光纖光柵傳感器采集檢測數據，然后傳輸到解調儀，解調儀將波長信號轉換為數字信號，計算機接受信號后并顯示實時檢測結果。具體流程如圖2所示。

圖2 檢測流程圖

3 仿真分析

為驗證本研究提出的FGCTM測試法的精準度，將與ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法進行對比仿真。仿真環境為Matlab 2016a simulink，通過改變溫度來比較不同測試法的精準度。本研究采用平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）來評估測試法[16]。其中，MAE反映了不同測試方法的準確度，RMSE反映了不同溫度下，預測值與真實值的偏離程度。MAE與RMSE的定義分別為：

其中，N是測試樣本大小，yi為真實值為預測值。

圖3為不同測試法的平均絕對誤差。由圖3可知，FGCTM測試法的測試性能明顯優于ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法。不同溫度下，FGCTM測試法的平均絕對誤差值最小，即FGCTM測試法的準確性最高。使用FGCTM測試法測試不同的溫度，平均絕對誤差值波動很小，表明FGCTM測試法穩定性很好。

圖3 不同測試法的平均絕對誤差

圖4為不同測試法的均方根誤差。由圖4可知，通過FGCTM測試法、ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法的對比，FGCTM測試法測得的數據更接近于真實值，誤差更小，測試更穩定。不同溫度下，FGCTM測試法波動很小，能得到最佳的測試效果。

圖4 不同測試法的均方根誤差

4 結 論

為解決變壓器測溫難和測溫點少的問題，本文提出了一種基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監測方法。將光纖光柵傳感器嵌入變壓器鐵心，采用空分復用和波分復用的方法將傳感器信息傳入解調儀，解調儀將波長信號轉換為數字信息并傳入計算機，實現實時監控的功能。仿真結果表明，與ESSM測量法、ITM測量法及FOTM測溫法相比，本文提出的FGCTM測量法能有效提高變壓器內部溫度的檢測精度。由于光纖光柵傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強及絕緣性好等優點，能持續完成高密封度、高壓設備的實時溫度監測，所以可應用于其他溫度檢測。