基于雙路邊沿濾波的變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃瀝 馬文倩 胡志勇 張言 黨隨虎

摘?要：為避免大型變壓器因繞組短路、線路老化、沖擊電流等引發(fā)變壓器事故，對(duì)大型變壓器設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與提前預(yù)警成為變壓器設(shè)備安全與穩(wěn)定的重要前提。該文提出雙路邊沿濾波的解調(diào)方法，利用FBG光柵反射光強(qiáng)與溫度的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油浸變壓器繞組60～140?℃范圍的溫度監(jiān)測(cè)。通過FBG光柵楔形懸空封裝設(shè)計(jì)，保障測(cè)溫系統(tǒng)在振動(dòng)、油浸、強(qiáng)電磁環(huán)境中對(duì)繞組熱點(diǎn)位置的溫度長時(shí)間穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明由FBG光柵楔形封裝傳感器和雙路邊沿濾波解調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器繞組多個(gè)熱點(diǎn)位置溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，測(cè)溫精度在±1?℃。

關(guān)鍵詞：變壓器繞組測(cè)溫?雙路邊沿濾波解調(diào)?FBG光柵?實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP277??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Design?of?the?Transformer?Winding?Temperature?Monitoring?System?Based?on?Dual?Edge?Filtering

HUANG?Li??MA?Wenqian*??HU?Zhiyong?ZHANG?Yan?DANG?Suihu

（School?of?Electronic?and?Information?Engineering，?Yangtze?Normal?University，?Chongqing，?408000?China）

Abstract：In?order?to?avoid?transformer?accidents?of?large?transformers??caused?by?winding?short?circuit，?wiring?aging?and?impact?current，?the?online?monitoring?and?early?warning?of?large?transformer?equipment?have?become?the?important?prerequisite?for?the?security?and?stability?of?transformer?equipment.This?paper?proposes?the?demodulation?method?of?dual?edge?filtering，?uses?the?linear?relationship?between?the?reflected?light?intensity?and?the?temperature?of?FBG?grating?to?realize?the?monitoring?of?the?temperature?of?oil-immersed?transformer?winding?in?the?range?of?60℃～140℃，?and?ensures?the?long-term?stable?monitoring?of?the?temperature?of?the?winding?hot?spot?in?the?vibration，?oil?immersion，?strong?electromagnetic?environment?by?the?wedge-shape?dangling?package?design?of?FBG?grating.?Experiments?show?that?the?real-time?monitoring?of?the?temperature?of?multiple?hot?spot?positions?of?transformer?winding?is?realized?through?the?wedge-shape?encapsulated?sensor?and?dual?edge?filtering?demodulation?method?of?FBG?grating，?the?system?is?reliable?and?stable，?and?that?the?temperature?measurement?accuracy?is?±1?℃.

Key?Words：?Transformer?winding?temperature?measurement;?Dual?edge?filtering?demodulation;?FBG?grating；Real-time?monitoring

在當(dāng)今電力系統(tǒng)盛行的時(shí)代，電力系統(tǒng)幾乎支撐了整個(gè)社會(huì)體系的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定至關(guān)重要。變壓器故障具有多樣性，但變壓器繞組關(guān)鍵部位的故障最為常見，例如：2020年11月，在山東省青島市北區(qū)利群海琴廣場(chǎng)東北角一變壓器突然發(fā)生爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)調(diào)查，其因變壓器繞組故障導(dǎo)致溫度過高而引起的爆炸。當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重過載、短路、絕緣損壞等故障時(shí)，絕緣油受到高溫或電弧作用，受熱分解產(chǎn)生大量烴類混合氣體，使變壓器內(nèi)部的壓力急劇上升從而引發(fā)嚴(yán)重的爆炸事故。因此對(duì)變壓器繞組的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提前預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于變壓器處于強(qiáng)電磁場(chǎng)中，傳統(tǒng)的電子溫度傳感器易受電磁干擾，無法實(shí)現(xiàn)線精密測(cè)量[1]，而紅外輻射測(cè)溫[2]由于不具備掃描功能和儀器本身測(cè)溫距離的限制，存在很大的局限性，無法解決變壓器內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題。

針對(duì)變壓器繞組所處強(qiáng)電磁場(chǎng)、油浸、震動(dòng)的工作環(huán)境，該文設(shè)計(jì)了FBG[3]溫度傳感器楔形懸空封裝結(jié)構(gòu)提高溫度傳感器的穩(wěn)定性，采用雙路邊沿濾波解調(diào)方法擴(kuò)展測(cè)溫范圍、提高測(cè)溫精度，結(jié)合光開關(guān)實(shí)現(xiàn)變壓器繞組多個(gè)熱點(diǎn)位置溫度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)溫、解調(diào)及預(yù)警這3個(gè)部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)，根據(jù)溫度變化趨勢(shì)提前做出預(yù)警。

1?變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1?光柵楔形封裝

為了避免變壓器內(nèi)部強(qiáng)電磁場(chǎng)影響，系統(tǒng)選用FBG光纖光柵傳感器作為測(cè)溫器件。如圖?1所示，F(xiàn)BG光纖光柵傳感器[4]的結(jié)構(gòu)包括光纖光柵本體和基座，其中，光纖光柵本體包括光纖光柵部分和野戰(zhàn)光纜部分；基座設(shè)計(jì)為楔形，基座的采用一體成型，內(nèi)部有沿基座長度方向衍生的安裝腔，腔內(nèi)能夠安裝光纖光柵本體。光纖光柵本體通過固定部固定于基座安裝腔內(nèi)，使光纖光柵部分懸空且密封于基座的安裝腔內(nèi)，且光纖光柵傳感器本體的野戰(zhàn)光纜部分位于基座的安裝腔外部。光纖光柵傳感器采用聚酰亞胺和硅橡膠分別作為傳感器基座材料和粘合劑，這兩種材料對(duì)傳感器既起到保護(hù)作用，又滿足了絕緣性、對(duì)溫度的敏感性和導(dǎo)熱性的要求。楔子型的外觀設(shè)計(jì)，解決了傳感器在繞組線圈不同間隙處固定問題。采用傳感器懸空的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效避免了溫度、應(yīng)變的交叉敏感，不會(huì)受到被測(cè)對(duì)象的熱膨脹和應(yīng)力場(chǎng)影響。

1.2?雙路邊沿濾波解調(diào)

1.2.1?解調(diào)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能感知系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，分別為溫度采集解碼模塊、光電轉(zhuǎn)化解調(diào)模塊以及故障預(yù)警模塊。

第一，溫度采集解碼模塊。FBG反射光柵將帶有繞組溫度信息的光信號(hào)返回，分高低溫波段分別進(jìn)行解碼。采用光開關(guān)[5]實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)。第二，光電轉(zhuǎn)化解調(diào)模塊。通過光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，再進(jìn)入電信號(hào)處理。將電流通過IV放大電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓并放大，隨后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化將電壓的模擬量轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能處理的數(shù)字量，單片機(jī)提取電壓值進(jìn)行解析為對(duì)應(yīng)溫度，利用單片機(jī)對(duì)光開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)多路光柵掃描，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)量多個(gè)定點(diǎn)位置的溫度。第三，故障預(yù)警模塊。在研究出現(xiàn)故障時(shí)溫度數(shù)據(jù)異常變化特征基礎(chǔ)上[6]，構(gòu)建變壓器運(yùn)行異常態(tài)勢(shì)溫度變化進(jìn)行感知預(yù)警。該系統(tǒng)有效地解決了變壓器繞組多個(gè)熱點(diǎn)位置溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

1.2.2?溫度采集和解碼

光信號(hào)解調(diào)通路，具體如圖3所示。將寬帶光源（-20?dB光強(qiáng)）與光源入口相接，寬帶光源經(jīng)過三端口環(huán)形器，光源進(jìn)入FBG光柵，光源經(jīng)過FBG光柵的反射將溫度編碼的反射光信號(hào)再次進(jìn)入三端口環(huán)形器，F(xiàn)BG光柵反射光經(jīng)另一個(gè)端口輸入一分二環(huán)形器，將反射光信號(hào)分成兩路分別進(jìn)入高通濾波和低通濾波，兩段波長用兩個(gè)不同濾波器進(jìn)行精確濾波，最后將處理后的光信號(hào)輸出進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。

1.2.3?雙路邊沿濾波方法

本系統(tǒng)選用光功率為-20?dB處35?nm左右?guī)挼膶拵Ч庠矗?0?℃下Bragg光柵傳感器的起始中心波長在1?548.82?nm附近，溫度靈敏度[7]在0.011?nm/℃左右，測(cè)量200?℃的范圍需要2.2?nm左右的帶寬。光學(xué)濾波器為高斯濾波器，其最佳線性變化范圍較窄，所以采用兩個(gè)濾波器的并聯(lián)方式來增加測(cè)溫的范圍；兩個(gè)濾波器作為邊緣濾波器[8]，為整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)提供出了濾波邊帶，它將光纖光柵傳感器反射譜的波長的偏移量轉(zhuǎn)換成了對(duì)應(yīng)的光功率變化量。低溫濾波器的變化斜率對(duì)應(yīng)的起止波長范圍為1?549.01～1?551.253?nm，可見邊緣濾波器之間參數(shù)相互銜接，高溫段濾波器的線性斜率的起止波長范圍為1?549.59～1?552.15?nm，選用合適中心波長光纖光柵來對(duì)變化斜率[9]加以利用。光學(xué)濾波器帶隙如圖4所示。

1.2.4?光電轉(zhuǎn)化和解調(diào)

PIN光電二極管[10]的輸出電流信號(hào)很弱，所以采用IV前端放大模塊來對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大。光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化之后直接進(jìn)入IV放大電路將電流進(jìn)行放大以電壓的形式輸出，單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集。電流進(jìn)入第一個(gè)T型放大器轉(zhuǎn)化為電壓后按照T型放大計(jì)算公式（1）進(jìn)行120倍電壓信號(hào)放大。

其中電阻100?k可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)100倍增益調(diào)節(jié)，其電路設(shè)計(jì)和實(shí)物圖，如圖5、圖6所示。信號(hào)進(jìn)入最后一級(jí)偏置，通過減法器將交流信號(hào)與直流偏置疊加，并保證R7=R11，?R15=R16?，將處理后的信號(hào)直接輸入單片機(jī)進(jìn)行電壓采集，進(jìn)行電信號(hào)處理。在實(shí)際使用中可通過增大T型反饋網(wǎng)絡(luò)中的R2、R3阻值來提高IV前端的增益，并調(diào)整其中間級(jí)的增益和減法器的參數(shù)，使輸出電壓在單片機(jī)的可采集電壓范圍內(nèi)。

3?系統(tǒng)測(cè)試

在集成了光纖光柵傳感器和溫度解調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上[11]，制作了變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)樣機(jī)，樣機(jī)顯示界面和內(nèi)部實(shí)際布置如圖7，圖8所示。

將光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電流通過IV放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓，將FBG光柵與熱電偶測(cè)溫器放置在變壓油中，緩慢加熱變壓油觀察電壓與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合得出溫度電壓擬合曲線，具體情況如圖9所示。

如圖9所示，測(cè)試得出電壓-溫度變化曲線，通過擬合得到高溫和低溫段溫度隨電壓的變化滿足的函數(shù)關(guān)系及光強(qiáng)與電流關(guān)系，具體如公式（2）～公式（4）所示。整個(gè)系統(tǒng)通過并聯(lián)帶通波段相鄰的兩個(gè)光學(xué)濾波器將測(cè)溫范圍擴(kuò)展到60～140?℃，測(cè)溫精度達(dá)到±1?℃。

4?結(jié)語

該文采用雙路邊沿濾波解調(diào)方法使得光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫范圍達(dá)到60～140?℃，滿足了大型油浸式變壓器繞組測(cè)溫需求。光纖光柵溫度傳感器采用了楔形懸空封裝結(jié)構(gòu)有效避免了溫度、應(yīng)變的交叉敏感，提高測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)樣機(jī)在集成光開關(guān)和報(bào)警模塊后，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并能夠?qū)囟犬惓ｎA(yù)警。

參考文獻(xiàn)[1] 宗占強(qiáng).基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的油浸式變壓器故障診斷[D].淮南：安徽理工???大學(xué)2021.