专利名称：变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光电检测和大型结构健康检测领域。涉及一种光电传感方法和 系统，尤其涉及一种对大型变压器绕组进行直接、在线监测的分布式光纤温度、应变测量系 统。
背景技术：
由于大型电力变压器设计、制造、材料质量和运行等诸多方面的原因，设备的恶性 事故和故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行(全国每年大约发生几十起大型电 力变压器事故)。大型变压器的突发性故障往往引发大面积停电事故，由此导致的直接经 济损失和社会影响是十分惊人的。通过在线监测，建立设备的故障预警机制，及时、准确地 预报设备内部已存在的故障性质、类型、部位、严重程度并预测故障的发展趋势，从而避免 和减少电网突发性事故的发生。变压器正常运转时，由于电流、电压效应会产生均勻分布 的热量，变压器发生故障时的缺陷部位通常会异常发热、形变。变压器在危险温度下运行， 会导致绝缘击穿烧损；形变则会破坏绝缘结构、可能引起短路。目前，大部分变电站使用的 高压大负载的变压器都只有整体的温度测量手段，只能反应变压器内部均勻分布的温度高 低，一旦局部出现危险温度和形变隐患，通常不易被发现，因此不能有效监测变压器缺陷部 位的异常发热和形变。本实用新型针对上述问题，在国内外首次提出将国际上最先进的分 布式光纤应变和温度传感技术用于大型变压器中可能出现的局部异常发热和形变的在线 监测。变压器是电力系统的核心设备，而绕组是变压器的最关键部件。由于变压器绕组 所处位置的特殊性、运行情况的复杂性和技术手段的缺乏，长期以来绕组运行状态还无法 直接监测。至今绕组热点温度只能通过顶层油温间接反映，因此对变压器的负载能力通过 负载电流和顶层油温进行了过度的限制，或在短期过载时又处于失控状态，而实时监测绕 组热点温度可以充分发挥变压器的负载能力，又可以防止出现危及变压器绝缘的故障风 险，同时可以通过积累热点温度数据计算变压器绝缘使用寿命。另一方面，短路损坏是变压器损坏事故的首要形态，而绕组在短路电动力作用下 的变形目前还缺乏直接有效的监测手段。变压器遭受短路冲击后，需要进行绕组变形的频 响法、电抗法、色谱分析及绕组直流电阻、变比等试验综合分析判断绕组的变形是否造成绝 缘损伤，防止恢复运行后因匝间短路造成变压器严重损坏。但绕组变形的频响法、电抗法测 试是间接测试方法且对测试人员的经验依赖较高，而通过敷设光纤对变压器绕组各部位的 应力和变形情况直接进行监测，可以对绕组在短路冲击后的变形是否造成绝缘损坏、或多 次短路冲击后的累积变形进行直接测量和判断，就可以避免人为责任的设备事故，并建立 变压器的故障预警机制。
发明内容本实用新型的目的在于，针对大型变压器绕阻温度和变形状况无法直接、局部测量的状况提供一种光纤传感测量方法，将分布式光纤应变和温度传感技术用于大型变压器 中可能出现的局部异常发热和形变的在线监测。本实用新型的技术方案的如下一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括，至少一组缠绕在 变压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一分布式反馈半导体激光器和第二分布式 反馈半导体激光器，由第一分布式反馈半导体激光器产生的单模激光经由50:50光耦合器 分为两束，一束光经过第一光纤放大器放大后的泵浦光通过单边带电光调制器进行频率扫 描，使其频移量为10. 8GHz到11. 1GHz，再经过第二光纤放大器放大后，通过第一起偏控制 器形成χ方向偏振光，再依次经过第二起偏器和保偏隔离器之后注入被选通的待测光纤组 的一端；另一束光通过电光调制器EOM调制成脉宽为0. 5ns的短脉冲探测光后，经过第三光 纤放大器放大后，再通过第二偏振控制器形成χ方向偏振光，由第一保偏环形器的第1端口 入射和其第2端口出射后经过偏振分波/合波器的透射后注入与所述的待测光纤组的另一 端；从第一保偏环形器的第3端口输出的连续泵浦光，依次经过第一可调谐光衰减器和第 一光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机中；所述的第二分布式反馈半 导体激光器受注入电流控制器的控制，其发射的单模激光经过第二偏振控制器形成的y方 向偏振光由第二保偏环形器第1端口入射，第2端口输出后，经由所述的偏振分波/合波器 反射进入所述的待测光纤组，生成的后向衍射光经过所述的偏振分波/合波器反射后由所 述的第二保偏环形器第2端口输入和第3端口输出，再通过可调谐带通滤波器滤除泄漏的χ 方向偏振的泵浦光和探测光，而后依次经过第二可调谐光衰减器和第二光电二极管后获得 的电信号，经放大处理后被送入计算机；所有连接光纤和待测光纤组均为熊猫型保偏光纤。作为优选实施方式，各个光纤放大器为掺铒光纤放大器。本实用新型将分布式光纤应力和温度传感技术用于大型变压器绕组变形和热点 温度的在线监测，具备以下优点1.光纤传感器以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、耐高温高 压、绝缘性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等性能明显优于传统传感器，特别是对于大 型变压器的测量，由于变压器绕阻本身是带电体，直接测量对于绝缘性的要求很高。2.分布式光纤传感器相比于传统的点式光纤传感器而言，其最显著的优点就是可 以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，实现对 监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。3.基于BOTDA的分布式光纤传感器与传统拉曼光纤传感器和布里渊光时域分析 仪(BOTDR)相比，其优势就在于它采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射信号，强度 大，信噪比高从而可以实现大的动态范围和高分辨率。4.本实用新型可以通过在内阻、外阻等不同位置铺设好几段独立的光纤以实现选 择性的分别测量，使监控更灵活和智能化。5.本实用新型通过利用脉宽< 5ns的短脉冲和熊猫型保偏光纤的双折射效应，同 时获得高空间分辨率及温度、应力分辨率，通过一根光纤，精确分离温度和应力信息。

图1.大型变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统结构图。[0016]图2.熊猫型保偏光纤横截面图。图3.受激布里渊线宽与脉冲光脉宽关系谱。
具体实施方式
与传统用于测温的利用比瑞利散射强度弱20_30dB的微弱反斯托克斯光信号的 拉曼光时域反射(ROTDR)和可以同时测温测应力只有非常微弱的一部分光(约为10_3)参 与自发布里渊散射作用的BOTDR相比，BOTDA采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射 信号，强度大，信噪比高从而可以实现大的动态范围和高分辨率。BOTDA中利用的受激布里 渊散射是一种三阶非线性光学效应，起源于入射光(泵浦)与介质中声学声子(声波)的 相互作用，当一个泵浦光子被湮灭的同时产生一个声学声子和一个散射的斯托克斯光。当 泵浦光频率V1与探测光频率V2之差为光纤声波谐振频率(布里渊频移)vB时，发生SBS过 程，产生一个速度为vA的声波；产生的声波使光纤芯纵向拉伸或者压缩，形成周期性变化的 折射率，因此形成了一个向前传播的布拉格光栅；这种运动的声学光栅使一部分能量的泵 浦光向后衍射，衍射的Mokes波在经历了一个多普勒频移vB，频率变为V1-Vb，对探测光进 行了放大。SBS发生的阈值功率远低于受激拉曼散射(SRS)所要求的功率，可以很容易的在 光纤中实现。布里渊频移vB的表达式为Vb=1^(1)
义ρneff为泵浦波长上的有效折射率；vA为介质中声波的速度；λ ρ为泵浦波长。其中 \ 和 均与温度呈线性关系，因此布里渊频移改变量ΔνΒ亦可表示成轴向应变Δ ε以及 温度变化ΔT的关系式Avb=Cv Αεζ+CyrAT(2)C。和C々分别为布里渊频移应变系数和温度系数，均为常量，对于常温常压下，光 波长工作在λ = 1320nm的保偏光纤有C。^ 0.05ΠMHz / μεz f,T…9QMHzl。C。BOTDA系统可以分为通过采用脉冲光作为泵浦光，接收端获得连续的布里渊增益 谱和采用连续光作为泵浦光，接收端获得连续的布里渊损耗谱两种方式。本实用新型采用 探测布里渊损耗谱的方式，通过采用连续光作为泵浦光，产生布里渊增益，布里渊增益谱的 中心频率由V1下移到斯托克斯光频率V1-Vb,而脉冲光频率V2正好为斯托克斯光频率时，脉 冲光强将会通过与连续泵浦光的布里渊作用得到放大，接收端通过对连续光的探测获得一 个连续的布里渊损耗谱。通过采用测量连续光的布里渊损耗谱的方法可以避免长距离传输 或者大多数光纤处于同一温度时，脉冲光能的损耗无法忽略所导致的较大误差和微弱信号 引起的信噪比降低。同时，这种方法也允许在本实用新型中使用脉宽小于5ns的短脉冲来 提高系统的空间分辨率。本实用新型通过采用脉冲光来产生一定的空间分辨率，利用脉冲光的OTDR机制 进行空间定位，当将探测到的连续光谱以脉冲光发出后的时间为横坐标轴做一个曲线时， 就可以通过对应时间点上连续光光强的变化测量出光纤中布里渊频移正好等于此时两激 光器频率差的位置距离光纤首端(脉冲光入射端)的距离，从而进行空间定位。OTDR测试是 通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的 路径延时返回到OTDR中。OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用下式就可计 算出上述事件点与OTDR的距离
权利要求1.一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括，至少一组缠绕在变 压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一分布式反馈半导体激光器和第二分布式反 馈半导体激光器，其特征在于，由第一分布式反馈半导体激光器产生的单模激光经由50:50 光耦合器分为两束，一束光经过第一光纤放大器放大后的泵浦光通过单边带电光调制器进 行频率扫描，使其频移量为10. 8GHz到11. 1GHz，再经过第二光纤放大器放大后，通过第一 起偏控制器形成χ方向偏振光，再依次经过第二起偏器和保偏隔离器之后注入被选通的待 测光纤组的一端；另一束光通过电光调制器EOM调制成脉宽为0. 5ns的短脉冲探测光后，经 过第三光纤放大器放大后，再通过第二偏振控制器形成χ方向偏振光，由第一保偏环形器 的第1端口入射和其第2端口出射后经过偏振分波/合波器的透射后注入与所述的待测光 纤组的另一端；从第一保偏环形器的第3端口输出的连续泵浦光，依次经过第一可调谐光 衰减器和第一光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机中；所述的第二分 布式反馈半导体激光器受注入电流控制器的控制，其发射的单模激光经过第二偏振控制器 形成的y方向偏振光由第二保偏环形器第1端口入射，第2端口输出后，经由所述的偏振分 波/合波器反射进入所述的待测光纤组，生成的后向衍射光经过所述的偏振分波/合波器 反射后由所述的第二保偏环形器第2端口输入和第3端口输出，再通过可调谐带通滤波器 滤除泄漏的χ方向偏振的泵浦光和探测光，而后依次经过第二可调谐光衰减器和第二光电 二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机；所有连接光纤和待测光纤组均为熊 猫型保偏光纤。
2.根据权利要求1所述的变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，其特征 在于，各个光纤放大器为掺铒光纤放大器。
专利摘要本实用新型属于光电检测和大型结构健康检测领域，涉及一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括至少一组缠绕在变压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一和第二分布式反馈半导体激光器，由第一激光器产生的单模激光分为两束，一束光经放大和频率扫描后，形成x方向偏振光，注入被选通的待测光纤组的一端；另一束光被调制成短脉冲探测光后，经过放大和形成x方向偏振光后注入与所述的待测光纤组的另一端；连续泵浦光转换成电信号后被送入计算机中；第二激光器发射的单模激光在形成y方向偏振光后进入待测光纤组，生成的后向衍射光经滤波后转换成电信号被送入计算机。本实用新型能够对大型变压器绕组进行直接、在线监测。
文档编号G01K11/32GK201852564SQ201020043239
公开日2011年6月1日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者刘 文, 李婧涓, 王纬 申请人:华中科技大学, 武汉烽火富华电气有限责任公司