基于BOTDR 的變壓器繞組變形檢測試驗研究

楊名宇，范曉舟，徐永峰，晁智超，李 歡

（1.國網黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.華北電力大學電力工程系，河北 保定 071000）

0 引言

電力變壓器是輸變電系統中最重要的設備之一，一臺大型變壓器在運行時發生故障極可能導致電力系統癱瘓或崩潰，造成嚴重的經濟損失。相關變壓器事故統計數據顯示，110 kV 及以上電壓等級變壓器損壞事故中由于繞組絕緣損壞造成的事故占70%，由于短路強度不足造成的事故占40%［1-6］。及時了解變壓器的運行狀態并對可能發生的故障進行診斷及檢修，是減小變壓器運行故障、保證系統安全運行的重要措施。

基于光電子技術的進步，電力系統監測技術融合傳感器、計算機、信息處理等技術，已逐步由離線的定期監測向在線連續監測發展。在線連續監測能實時獲取變壓器的運行狀態，識別不正常運行情況，診斷其內部故障類型，預測故障發展趨勢。

脈沖光在光纖內傳遞產生散射信號，分布式光纖傳感技術利用該信號測量沿光纖軸向上的溫度和應變。相較于傳統的電類和機械類傳感器，光纖傳感器具有如下優點：①體積小，質量輕，方便應用于狹窄空間及航空、航天領域；②質軟可彎曲，可制造成各種外形、尺寸；③可靠性高，光纖傳感器利用光波在光纖內產生的散射信號傳輸信息，光纖電絕緣性能好、耐腐蝕、耐高溫，既不受強電磁、雷電干擾，也不對外界電磁場造成影響；④測量距離長、范圍大、信息量大，光纖既作為探測元件又作為傳輸元件，可以實現光纖沿線任意空間連續測量，適合應用于大型設備、建筑的安全隱患監測，相較于傳統點式方法能大幅度降低漏檢率。目前，分布式光纖傳感技術正逐漸應用于土木工程、石油、電力、航空航天等領域。

由于目前國內外關于變壓器繞組變形的檢測方法仍處于離線檢測范圍，對繞組變形的具體位置和變形形式無法準確掌握，同時電氣測量方法受現場試驗環境影響較大，帶電測量技術仍處于研究階段。變壓器內部結構復雜、工作電壓高、電流大、工作環境特殊，基于電信號的繞組變形檢測方法無法滿足在線監測的需要。開展基于布里淵散射的光纖應變檢測技術研究，將為變壓器的運行維護提供理論支持和技術手段，也能對繞組變形的定位、故障診斷等提供新的思路。

1 光纖布里淵散射原理

1.1 OTDR 技術原理

光時域反射技術（Optical Time Domain Reflection，OTDR）的基本原理是通過分析光纖后向散射光的特性測量因散射、吸收現象產生的光纖傳輸損耗以及各種缺陷引起的結構性損耗，當光纖某一點受到外力作用時，其散射特性將發生變化，因此通過損耗與光纖長度的對應關系進行空間定位，計算公式為

式中：τ 為回波信號到達發送端的時間；c 為真空中的光速；n 為光纖纖芯的有效折射率。

1.2 BOTDR 檢測原理

光時域反射計（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR）的本質是布里淵分布傳感技術，利用探測自發布里淵散射實現傳感。該技術基于對背向布里淵散射信號的探測與處理，為獲得中心頻率為vB的背向布里淵散射信號，需在光纖一端注入頻率為v0的脈沖，結合自發布里淵散射的頻移或強度處理獲得的背向布里淵散射信號，即實現對應變和溫度的分布式傳感［3-4］。BOTDR 系統原理如圖1所示。

圖1 BOTDR 系統原理

1.3 基于布里淵散射的光纖應變檢測

布里淵頻移受光纖材料中的聲速影響，而聲速與材料的熱光特性與彈光特性有關，因此布里淵頻移會隨光纖溫度和應變等條件改變而變化。

研究表明，布里淵頻移與光纖所受外力的作用近似成線性相關，布里淵頻移與溫度及應變的關系式可表達為［3］

式中：vB為分布式光纖在溫度T 和應變ε 下的布里淵頻移；vB0為分布式光纖在初始溫度T 和初始應變ε 下的布里淵頻移；CvT和Cvε為布里淵溫度系數與應變系數［3］。

由于布里淵頻移同時受周圍溫度和應變信息的雙重影響，為準確檢測變壓器繞組的變形故障，利用兩根不同的分布式光纖共同敷設，對光纖背向的布里淵散射信息進行溫度補償。

為保證兩根光纖處于相同的溫度和應力變化環境，將兩根不同護套材料的緊套光纖貼附于繞組表面，利用溫度和應變標定試驗同時測量兩根光纖的布里淵頻移的變化，具體表達式為

考慮到兩根分布式光纖的溫度系數和應變系數不相同，只要能夠保證CvT1Cvε1≠CvT2Cvε2，通過求解此方程組便可以獲得光纖的應變信息［7-8］。

本文中未考慮繞組溫度變化帶來的影響而保持繞組恒溫，所以只使用一根光纖來實現對繞組單純的應變檢測。

2 變壓器繞組變形檢測關鍵技術

2.1 試驗材料和設備

選擇G.657A1 型抗拉伸、耐彎曲單模光纖作為傳感光纖，其允許彎曲半徑為10 mm，護套材料采用ETFE。BOTDR 選用分布式光纖應變監測系統，光纖規格和儀器參數設置見表1［3］。

表1 BOTDR 及光纖參數設置

2.2 光纖復合式變壓器繞組的設計及工程實現

試驗采用在繞組最外側導線外徑側表面貼附光纖的方式進行溫度傳感，如圖2 所示。采用滑輪引導裝置，為避免光纖直接接觸導線，在繞組扁銅線包裹絕緣紙的過程中，先在導體外表面包繞兩層絕緣紙，再包繞兩層絕緣紙用于光纖固定。這種布置方式既避免光纖對繞組自身結構造成影響，也最大程度上削弱了絕緣油流動、震動和繞組匝間擠壓力對光纖的影響；同時，當遭受短路沖擊時，光纖也將隨繞組的局部形變發生同步變形，通過檢測光纖應變量即可獲得繞組狀態［9-10］。

圖2 光纖復合式導線結構

選取一臺電壓等級為110 kV，容量為31.5 MVA的變壓器低壓繞組尺寸繞制螺旋式繞組模型，為方便設置變形，采用8 根導線并繞，將最外圈導線換成圖2 所示的光纖復合式導線。最終制成外徑700 mm，共40 餅，總長約90 m 的繞組模型，模型實物如圖3 所示。

圖3 粘貼式光纖繞組模型

3 變壓器繞組變形檢測試驗

分別對預埋分布式光纖的繞組第21—25 餅、6—8 餅、12—16 餅以及32—34 餅依次設置4 處微小局部變形，具體變形方向及變形量大小見表2，表中變形程度指繞組外凸中心點相對于原繞組突出的距離，亦即撓度。由于通常繞組受到短路電動力作用發生變形時表現為某一餅或幾餅的整體變形，因此以整餅為單位對繞組模型設置局部變形，如圖4 所示。測量期間繞組置于實驗大廳內，可以認為其溫度保持恒定且各部分溫度分布均勻，在這種情況下，根據式（2）可知，當ΔT=0 時，布里淵頻移vB只與應變量有關。分別測量不同部位發生局部變形前后的光纖應變曲線，將測量結果與正常繞組的應變分布進行比較，如圖5 所示。

表2 位置對比

圖4 繞組模型局部變形

圖5 變形繞組與正常繞組應變對比曲線

從圖5（a）—圖5（d）中可以看出，繞組不同位置發生的變形均可以在傳感光纖應變曲線的變化中表現出來，隨著變形部位的增加，光纖應變曲線的變化也呈現累計效應。圖5（e）為繞組模型發生4 次變形后的應變曲線相對原始曲線的變化情況，設置的4 次變形量為10～20 mm，可以看出4 次變形均對光纖應變曲線產生超過100 με的變化，同時根據曲線變化的位置可以對變形位置進行推斷定位精度可達±1 餅以內。此外從圖中還可以看出對于外凸應變，應變量呈現下降。

應用最高頻率為3 MHz 的繞組變形測試儀分別對局部變形的繞組進行了測量，并將正常繞組的頻響曲線與局部變形的頻響曲線進行了對比，結果如圖6（a）—圖6（d）所示。

從波形比較可以看出，在1 MHz 的范圍內，繞組變形前后的幅頻曲線沒有出現明顯的偏移。通過分析計算幅頻曲線的相關系數，并依據標準DL／T 911—2016《電力變壓器繞組變形的頻率響應分析法》判斷繞組為正常繞組。通過對分布式光纖與繞組變形測試儀的檢測結果進行對比，確定該檢測方法比頻率響應分析法具有更高的靈敏度，可有效監測到繞組的微小局部變形。

圖6 繞組幅頻曲線

3 結語

針對傳統的變壓器繞組變形檢測方法的不足，提出一種基于BOTDR 的繞組變形檢測方法，并進行了相關的測試試驗，根據實際繞組尺寸及材料，并結合光纖的布置方法，繞制完成了光纖復合式繞組模型。通過對光纖復合式繞組施加不同位置和程度的變形，采用基于布里淵散射的分布式光纖傳感方法檢測繞組變形情況。結果表明，分布式光纖傳感技術對繞組微小變形（撓度在1～2 cm）的測量有較高的靈敏度，同時可以實現繞組變形的定位，定位精度能達到±1 餅。