专利名称：一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤光栅传感领域和变压器状态监控领域，具体涉及一种基于光 纤光栅的变压器内部温度检测系统。
背景技术：
电力变压器作为现代电力系统中的重要设备，其绕组温度的高低直接关系到电力 变压器的使用寿命以及输变电系统的运行安全，因此每个变电所都需要对变压器进行温度 监测。变压器的绝缘性与老化率与绕组热点温度有关，超过温度的允许限值不但会降低变 压器的运行寿命，还会对变压器的安全运行造成威胁。若绕组热点的温度过低，则变压器的 能力就没有得到充分利用，降低了经济效益。变压器的温升限值以变压器的使用寿命(主 要是绝缘材料的寿命)为基础。在相关的国家标准中对变压器在不同的负载运行情况下的 温升限值或热点温度做了相应的规定。电力变压器国家标GB1094. 2-1996《电力变压器第 2部分温升》规定的电力变压器温升限值是根据不同的负载情况而定的。因此基于光纤光 栅的变压器内部温度检测方法在电力系统智能电网改造中显得尤为关键，利用该系统准确 地测量和在线监测绕组的热点温度具有重要的现实意义。目前国内外，对变压器绕组热点温度的测量方法主要有(1)电信号传感器测量。目前大部分电厂和变电站还是采用基于电信号传感器的 测温系统，如电阻温度计、热电偶，但这类电信号的传感器易受电磁干扰，测量效果不很理
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；ο(2)光纤测温仪测量。在绕组靠近导线部分埋设光纤传感器来测温，常见的是荧光 光纤测温仪。这种方法维护技术复杂，绝缘处理比较困难，价格也十分昂贵，而且光纤测温 系统的扫描时间比较长。(3)红外温度传感器测量。该方法测温灵敏度和准确度很高，但红外测温为非接触 测量，易受环境及周围的电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量。(4)分布式光纤温度传感器。通常是将光纤沿温度场分布，借助于光在传输时光时 域后向散射技术，根据散射光所携带的温度信息来测量温度。由目前的研究成果来看，分 布式光纤测温系统的测温误差一般为几个摄氏度，定位误差为一米左右，对于变压器内部 温度的监测其定位误差显然较大。相比以上几种方法，光纤光栅测温对于光纤光栅传感系统，其具有以下明显的优 点①抗干扰能力强。②传感探头结构简单，尺寸小。③测量结果具有良好的重复性。④便 于构成各种形式的光纤传感网络。⑤可用于对外界参量的绝对测量。⑥光栅的写入工艺已 较成熟，便于形成规模生产。
发明内容本实用新型的目的是利用一种可以对油浸式变压器、电抗器内部温度进行直接 测量的光纤光栅传感技术，对变压器的内部绕组温度监测，得到变压器各种运行方式下的内部温度分布，并对变压器内应力、局部放电等重要参量进行测量监控。本实用新型所采用的技术方案是一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系 统，其特征在于，包括光源，采用输出功率较大、带宽较大的光源；光纤光栅传感器，设置 在变压器的绕组和撑条及变压器内部其它位置的各个探测点上，用于变压器温度、应力、局 部放电参数的传感测定；光栅信号解调系统，接收光纤光栅传感器的测定数据，并准确解调 出温度、应力、局部放电等参数相应的光信号；及信号处理显示仪表。由此带来的技术效果 至少是本实用新型通过光电传感器实现变压器内部多点温度的实时测量，作为变压器设 计的验证参照手段和运行中变压器工况的一种状态检测系统，能提高变压器本体的智能化 水平，对变压器经济运行提供良好的基础。如上所述的基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，其特征在于，信号处理显 示仪表中包括有可调F-P滤波器、光电转换模块、信号接受及校正模块、软件编程处理模块 和显示模块、在线监测和全寿命评估模块，该部分安装与变压器现场或主控室内，实现远程 变压器状态实时监控。本实用新型的有益效果是可以准确测量出变压器绕组各探测点温度，并对数据 进行处理远程传输显示，并依据此还原变压器温度场；在测量温度参量的同时，还可以对应 力变化、局部放电、油色谱等变压器内性能参数进行传感测量分析；最终实现带有高精度、 可靠、实时在线的光纤光栅温度检测系统的所有电压等级的油浸式变压器、电抗器样机工 程化应用。

图1是本实用新型实施例的基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统的原理框 图。图2是本实用新型实施例的光纤光栅阵列设计原理示意图。
具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。本实用新型系统工作原理如图1所示。利用的原理如下所述，宽带光源经布拉格 光栅反射为窄带光，其反射波长决定于光栅周期，当外界温度变化或应变作用于光栅上时， 光纤光栅周期和有效折射率发生变化，进而反射波长发生改变，解调仪将波长编码的传感 信号转换为数字信号送入计算机进行运算处理。变压器工作一段时间以后，变压器绕组温 度会升高，从而使贴在绕组上的光纤光栅的反射波长变化，与此同时，单片机提供给压电陶 瓷锯齿波电压，改变F-P腔长，使通过F-P腔的波长发生变化，当F-P腔的透射波长与光纤 光栅的反射波长相同，光电探测器输出最大值，这时记录下给压电陶瓷的扫描电压值，这个 时刻的扫描电压和光纤光栅反射波长构成了一个数据对。根据波长与温度的关系，测出了 波长变化量就能得到相应的温度变化量，这样也就能达到测温的目的。如图1所示，本实用新型提供一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，该 系统包括光源，采用输出功率较大、带宽较大的光源；光纤光栅传感器，设置在变压器的 绕组和撑条及变压器内部其它位置的各个探测点上，用于变压器温度、应力、局部放电参数 的传感测定；光栅信号解调系统，接收光纤光栅传感器的测定数据，并准确解调出温度、应力、局部放电等参数相应的光信号；信号处理显示仪表，对测得的信号进行温度补偿、应力 去敏等校正处理，并将实时数据显示在仪表盘上，实现实时在线监测；及数据分析软件，对 处理后数据进行编程软件分析，得到实时变压器内部温度场及温度变化，以及在此基础上 的变压器内部温度监测及全寿命评估。本实用新型系统中，光源是光纤光栅温度传感系统中的关键器件，其功能是把电 信号转换为光信号，为温度的测量提供载体。由于光纤传感工作环境的特殊性，本系统对光 源的出纤功率有严格要求，因为出纤功率直接影响到光电转换后接收到的信号的强度，如 果信号强度太弱，将对后续的信号处理带来很大难度。而光源的带宽直接决定了测量范围 和可以布置的传感器点的数量。本实用新型系统传感模块中，传感器在变压器的布置包括电磁线，撑条和铁芯三 种封装方法。电磁线布置传感器的方法描述为通过理论计算出需要测量的绕组温度变 化点的具体位置，在电磁线表面开槽埋入光纤及其传感器制作成特制电磁线，包纸后应用 于变压器中。在变压器的每一相的高压，中压和低压线圈中分别引入多根带有传感器的光 纤以满足测量位置和点数的要求，在光纤两端出线部位焊接跳线并对光纤焊点进行涂敷保 护。该方法可测得数据温度数据为变压器绕组的真实温度数据，且无电势跨度满足了电器 特性要求，并通过特殊的封装技术以达到机械特性的要求。撑条中布置传感器的方法同样 在撑条表面开槽把光纤及其传感器埋入槽中胶粘封装，再将特制撑条安装于变压器各相的 线圈之间。该方法避免了光纤及传感器可能受到的横向剪切力和各种应力变化的影响，机 械强度和测量精度得到了有力的保证。铁芯封装采用表面式封装将光纤及其传感器贴于铁 芯表面。以上三种测量方案保证了绕组温度场的空间分布要求和测量点数及其精度，对绕 组各点的温度均可进行实时在线监控。本实用新型系统中，数据采集和处理模块主要是完成信号的采集和处理，这一部 分主要由F-P腔、光电探测器、A/D、D/A和单片机组成。将光电探测器接收到的信号和对应 的压电晶体的电压值全部存储，然后再将这些数据进行分析是这一模块的主要任务。该模 块要求A/D、D/A的转换位数足以满足信号的要求。本实用新型系统集成了光栅信号解调仪与现场监控模块，该系统适用与油浸式变 压器和电抗器，并可作为配套变压器安装使用的仪表与控制系统。其中，软件处理部分包括 信号的采集、分析、处理、校正与显示，还包括了变压器实时在线监测与状态控制、全寿命评 估等功能。本实用新型的技术方法是，采用光纤光栅传感技术进行温度传感，传感信号采用 调谐F-P滤波器法进行解调，绕组温度探测应用多种传感器布置方案。光纤光栅传感技术 原理如下所述光纤光栅的中心波长λ与有效折射率η和光栅周期Λ满足如下的关系λ = 2ηΛ式(1)式(1)经过求导微分后得到光纤光栅传感公式
权利要求1.一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，其特征在于，包括 光源，采用输出功率较大、带宽较大的光源；光纤光栅传感器，设置在变压器的绕组和撑条及变压器内部其它位置的各个探测点 上，用于变压器温度、应力、局部放电参数的传感测定；光栅信号解调系统，接收光纤光栅传感器的测定数据，并准确解调出温度、应力、局部 放电等参数相应的光信号；及 信号处理显示仪表。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，其特征在于，信 号处理显示仪表中包括有可调F-P滤波器、光电转换模块、信号接受及校正模块、软件编程 处理模块和显示模块、在线监测和全寿命评估模块，该部分安装与变压器现场或主控室内， 实现远程变压器状态实时监控。
专利摘要本实用新型提供一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统，包括光源；光纤光栅传感器，设置在变压器的绕组和撑条及变压器内部其它位置的各个探测点上，用于变压器温度、应力、局部放电参数的传感测定；光栅信号解调系统，接收光纤光栅传感器的测定数据，并准确解调出温度、应力、局部放电等参数相应的光信号；信号处理显示仪表，对测得的信号进行温度补偿、应力去敏等校正处理，并将实时数据显示在仪表盘上；及数据分析软件，对处理后数据进行编程软件分析，得到实时变压器内部温度场及温度变化，以及在此基础上的变压器内部温度监测及全寿命评估。本实用新型通过光电传感器实现变压器内部多点温度的实时测量，对变压器经济运行提供良好的基础。
文档编号G01K11/32GK201892586SQ20102051844
公开日2011年7月6日 申请日期2010年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者关庆华, 程林, 聂德鑫 申请人:国网电力科学研究院, 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司