環(huán)氧樹脂膠封的光纖傳感器功能優(yōu)化與變壓器溫度測量技術(shù)

張 琦

(國網(wǎng)鹽城供電公司,江蘇 鹽城 224000)

近年來,隨著我國電力技術(shù)的不斷提升,電能為人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等帶來了極大的便利。電能傳輸?shù)闹匾O(shè)備為電力變壓器,其是否能夠正常運行對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。電能長時間運行和使用量的暴增,使得傳統(tǒng)的變壓器容量和安全性能無法滿足當(dāng)前范圍不斷壯大的電網(wǎng)規(guī)模。針對電力系統(tǒng)中變壓器,已有大量學(xué)者和專家進行了深入探究。姚明亮等為實現(xiàn)電力系統(tǒng)中變壓器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測,提出了以雙環(huán)光電振蕩器作為基礎(chǔ)傳感器,設(shè)計并實現(xiàn)了1個光纖光柵傳感系統(tǒng)[1]。通過此系統(tǒng)實現(xiàn)了變壓器監(jiān)測信號的頻分復(fù)用和分析;周舟等提出了基于多模干涉原理,對當(dāng)前市場上現(xiàn)有的新型光纖傳感器特性進行了深入分析和研究[2];羅龍等針對變壓器溫度監(jiān)測及故障預(yù)測問題,提出了將霧計算和隨機森林算法相結(jié)合,通過融合算法實現(xiàn)變壓器數(shù)據(jù)采集和特征提取,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類[3]。由以上分析可知,若該位置溫度過高會導(dǎo)致變壓器繞組間絕緣層材料性質(zhì)發(fā)生破壞,且受到復(fù)雜的變壓器工作環(huán)境干擾。基于此,提出一種基于光纖光柵傳感器的變壓器溫度測量方法,并且在光纖光柵傳感器的構(gòu)建過程中,采用環(huán)氧樹脂對傳感器進行封裝,以此提高光柵傳感器的質(zhì)量。

1 試驗方案

為實現(xiàn)電力系統(tǒng)中變壓器繞組熱點溫度的準(zhǔn)確監(jiān)測,提出以光纖光柵傳感器作為信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備,搭建一個變壓器溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由光路單元、解調(diào)單元和上位機顯示單元3個部分組成[4];系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

由圖1可知,光路單元由寬帶光源、光環(huán)形器和光纖光柵傳感器組成。寬帶光源發(fā)出入射光后,即可通過光環(huán)形器將入射光傳輸至光纖光柵傳感器中進行發(fā)射光數(shù)據(jù)采集;然后將采集的反射光傳輸至解調(diào)系統(tǒng)中[5]。解調(diào)系統(tǒng)中的解調(diào)單元即為FBGA解調(diào)模塊,該模塊主要負(fù)責(zé)對接收的入射光進行光—電信號轉(zhuǎn)換,即進行濾波處理與信號放大,A/D信號采集和電信號的處理,并將解調(diào)系統(tǒng)與計算機中的上位機顯示單元進行串口通信連接。最后即可通過上位機顯示單元進行監(jiān)測信息顯示,以實現(xiàn)用戶對變壓器溫度的實時準(zhǔn)確監(jiān)測。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 光路單元設(shè)計

2.1.1光纖光柵結(jié)構(gòu)

基于光纖的纖芯,加入一個折射率變化,該變化具備周期性改變特性。由此可得到與光纖相同的分光效果,即光纖光柵。基于變壓器繞組熱點溫度監(jiān)測的實際需求,提出選用中心波長為1 550 mm,耗損為0.019 dB/m的光纖布拉格光柵[6];光纖布拉格光柵實物如圖2所示。

圖2 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵(FBG)是光纖光柵中應(yīng)用最多的類型,由于其具備的周期恒定和調(diào)制幅度不變的優(yōu)點,可將其應(yīng)用到變壓器溫度監(jiān)測領(lǐng)域中作為傳感器進行溫度和應(yīng)力測量[7]。FBG的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由涂覆層、包層和纖芯3個部分組成。當(dāng)FBG接收到入射光后,即可基于耦合理論對入射光進行反射和投射。

2.1.2光學(xué)器件

光路單元中,光學(xué)器件的選擇對光纖光柵傳感器的監(jiān)測效果起著關(guān)鍵性作用。其中,帶寬光源主要基于光譜帶寬、輸出功率和平展性進行光源選擇。基于以上3個特性,選用在C波段表現(xiàn)較好的ASE光源作為帶寬光源。

2.1.3基于C型彈簧管光纖光柵油位計設(shè)計

光纖光柵壓力傳感器主要分為膜片反射式和鋸齒板周期稍微彎曲損耗式2種光強調(diào)制結(jié)構(gòu)[8];這2種調(diào)制結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致監(jiān)測靈敏度降低和監(jiān)測范圍縮短的問題。基于此,提出將C型彈簧管作為彈性元件,即將光纖光柵封裝在C型彈簧管上,從而設(shè)計一種基于C型彈簧管的光纖光柵油位計,通過該傳感器進行變壓器油位變化監(jiān)測。光纖光柵油位計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光纖光柵油位計結(jié)構(gòu)

由圖3可知,在該部分中,考慮到光纖光柵的封裝問題,在比較常用的粘結(jié)劑中采用環(huán)氧樹脂進行封裝。環(huán)氧樹脂是一種由固化劑、環(huán)氧樹脂基料、稀釋劑等構(gòu)成的用于工程的粘結(jié)劑。本研究利用環(huán)氧樹脂置于圖5的A處。在涂抹一定的環(huán)氧樹脂后,會在光纖光柵層與彈簧管形成一層較為緊密的膠狀結(jié)合體,從而提高了光纖光柵油位傳感器的質(zhì)量。

油位傳感器的原理為:在變壓器儲油柜中,由于油位變化極大,不同油位會對儲油柜產(chǎn)生相對應(yīng)的壓強,從而生成壓強信號。將壓強壓力施加到C型彈簧管上即可使得C型彈簧管產(chǎn)生應(yīng)變。將壓力信號轉(zhuǎn)換為壓強信號,即可獲得變壓器油位變化信息[9];最后將此信息轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的光纖光柵中心波長漂移變化,實現(xiàn)變壓器油位實時監(jiān)測。

2.2 FBGA調(diào)解單元設(shè)計

FBGA調(diào)解模塊是一種測量光譜的器件,也可稱之為FBG分析儀。FBGA模塊具備體積小、攜帶方便、能耗低和可靠性高的優(yōu)點,在光纖光柵測溫系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。該模塊可采用USB或RS232串口進行數(shù)據(jù)傳輸,作用是采用其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)直透鏡、聚光透鏡和光探測陣列等將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后采用電處理單元對轉(zhuǎn)換后的電信號進行處理[10]。FBGA調(diào)解模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FBGA調(diào)解模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

FBGA調(diào)解模塊主要采用50針連接器與主機進行連接。

2.3 上位機單元設(shè)計

為實現(xiàn)光纖光柵傳感器的變壓器光譜圖和溫度顯示,提出采用Labview軟件編程進行上位機軟件設(shè)計和開發(fā)。該開發(fā)環(huán)境中,主要采用具備便捷性和高效性的虛擬儀器技術(shù)進行變壓器溫度測量;具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 虛擬儀器組成結(jié)構(gòu)

由圖5可知,虛擬儀器系統(tǒng)由2個部分組成,分別為硬件部分和軟件部分。其中,2個部分的主要作用分別為捕獲、傳輸信號和基于用戶需求設(shè)計出相應(yīng)的測試儀器[11]。上位機程序中進行數(shù)據(jù)采集前,需進行模塊初始化操作,即打開設(shè)備后,獲取設(shè)備序列號、設(shè)備像素、設(shè)備固件版本和DLL版本。然后對DLL進行調(diào)用并配置參數(shù),以得到光譜波長和光功率信息;之后即可采用上位機程序?qū)Ψ逯挡ㄩL進行檢測[12]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 溫度測量誤差分析

為驗證本系統(tǒng)對變壓器的溫度測量效果,實驗將對該系統(tǒng)進行測溫實驗誤差分析。其中,實驗從20 ℃開始不斷地增加15 ℃。分別進行4次溫度值測量,由此得到本系統(tǒng)測量值與實際測量值的平均誤差曲線,結(jié)果如圖6所示。

圖6 誤差曲線圖

由圖6可知,在溫度為35 ℃時,系統(tǒng)測溫最低誤差為0.19 ℃;在溫度為80 ℃時,系統(tǒng)測溫最大誤差為0.42 ℃,且多次測量后的誤差均控制在0.5 ℃以下。由此說明,采用本系統(tǒng)可實現(xiàn)變壓器溫度準(zhǔn)確測量,采用光纖光柵傳感器可取得較高的溫度測量精度。進一步證明系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果具備準(zhǔn)確性和可行性。

3.2 油位測定結(jié)果

3.2.1光纖光柵油位計傳感實驗設(shè)置

為驗證設(shè)計的光纖光柵油位計傳感效果,實驗將選擇承受壓力設(shè)置在0～0.1 MPa的C型彈簧管作為光纖光柵封裝基底。光纖光柵應(yīng)變傳感實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 光纖光柵應(yīng)變傳感實驗

由圖7可知,光纖光柵應(yīng)變傳感實驗主要由充氣泵、壓力表校驗器、引壓導(dǎo)管、光纖光柵油位計、光纖光柵解調(diào)儀和計算機組成。油位計的傳感元件選用中心波長為1 535.97 nm和光柵長度為10 mm的光纖光柵傳感器。該傳感實驗通過光纖光柵調(diào)解儀進行光纖光柵波長變化采集,采用計算機接收傳感器數(shù)據(jù)。

3.2.2光纖光柵油位計傳感實驗數(shù)據(jù)分析

為驗證油位計的傳感效果,實驗將環(huán)境溫度設(shè)置為24 ℃,在C型彈簧管上進行加壓。分別從0 MPa開始,至0.1 MPa停止施壓,每增加0.05 MPa 做一次實驗記錄,重復(fù)加壓實驗3次;然后從0.1 MPa開始,至壓力表讀數(shù)為0 MPa停止放壓,每減少0.05 MPa做一次測量并記錄,分別進行3次加壓和減壓試驗。由此得到壓強擬合數(shù)據(jù)和中心波長漂移量擬合數(shù)據(jù),結(jié)果如表1、表2所示。

表2 光纖光柵油位計油位實驗擬合數(shù)據(jù)Tab.2 Fitting data of fiber bragg grating oil level gauge oil level experiment

由表1可知,該油位計3次加壓和3次減壓的擬合度線性擬合度均值分別為0.965 4和0.978 5,均接近于1。3次加壓和減壓的靈敏度均值分別為5.13、5.06 nm/ MPa。由此說明,該油位計加壓和減壓的誤差控制在合理范圍內(nèi)。

由表2可知,油位計3次油位升高和降低的線性擬合均值分別為0.982 5和0.961 7,均接近于1。油位上升和下降的靈敏度均值分別為5.18、5.52 nm/ MPa。綜合分析可知,油位計油位升高和下降的線性擬合值控制在誤差允許范圍內(nèi),靈敏度較高,滿足變壓器溫度測量需求。

4 結(jié)語

基于光纖傳感器的變壓器溫度測量系統(tǒng)具備可行性和有效性,可通過光纖光柵傳感器進行變壓器溫度準(zhǔn)確測量,提升了變壓器溫度測量精度,降低了電力安全事故的發(fā)生率。其中,將光纖光柵測溫系統(tǒng)硬件部分與軟件部分進行連接后,可實現(xiàn)變壓器測溫系統(tǒng)整體搭建,進行標(biāo)定試驗后可知,傳感器監(jiān)測溫度與波長二者間具備正相關(guān)關(guān)系,通過波長變化可實現(xiàn)溫度分析。進行油位計傳感實驗分析可知,變壓器溫度計的線性擬合度和靈敏度均控制在合理范圍內(nèi),線性擬合度十分接近于1。綜合分析表明,該溫度和油位計可實現(xiàn)變壓器的準(zhǔn)確測量。