基于光纖光柵傳感的變壓器繞組溫度檢測系統

　　摘要：傳統溫度傳感器受到周圍環境因素的影響很大，系統采用抗*力強并且對溫度極其靈敏的光纖光柵傳感器。利用光信號的測量和傳輸，再解調成溫度信號。分析了光纖光柵傳感器的原理和系統構成，介紹了軟件和硬件的實現。zui后的實驗結果證明了系統具有較高的測量精度，可滿足變壓器繞組高精度溫度測量要求。
　　
　　關鍵詞：變壓器；光纖光柵；溫度監測；繞組測溫
　　
　　引言
　　
　　在電力系統中，溫度過高是導致火災產生的重要原因。電力變壓器作為現代電力系統中的重要設備，其繞組溫度的高低直接影響變壓器的絕緣性和老化率，進而影響電力系統的運行安全。正常情況下，熱點溫度的常用基準值為98℃，老化率與溫度之間的關系是在基準溫度上，每上升6℃老化率增加一倍，每下降6℃壽命可延長一倍。熱點溫度如果超過允許值，不僅會影響變壓器的使用壽命，還會影響變壓器的運行安全。因此，對變壓器繞組溫度進行實時監測，通過監測溫度進行預警并采取有效措施，則可以減少相應的事故發生。
　　
　　目前，傳統的變壓器繞組溫度的監測方法是電信號測量和紅外測量?；陔娦盘柕臏y溫系統如熱電偶、電阻溫度計等，這類電信號的傳感器容易受到電磁場的干擾，測量效果不好。紅外測溫實際上屬于非接觸測溫，雖然此方法靈敏度和準確度都很高，但是卻很容易受到周圍環境和電磁場的干擾，而且需要人工操作，無法實現無人在線監測。另外，紅外測溫儀無法安裝到變壓器內部，只能測量變壓器表面的溫度，誤差較大。光纖測溫系統是zui近幾年應用在電力系統中的令人滿意的測溫方法，由于光纖傳感器本身防爆、絕緣、抗電磁干擾、質量輕、體積小，具有良好的可操作性和埋人性；時域變換性好，易于多點分布測量，并可單線多路復用，構成傳感網絡和陣列，便于波分時分復用及分布式傳感。
　　
　　1、光纖光柵傳感器的工作原理
　　
　　光纖光柵是在光纖纖芯內折射率呈周期性調制的一種無源器件。其反射或透射峰的波長與光柵的折射率調制周期以及纖芯折射率有關。而外界溫度或應變的變化會影響光纖光柵的折射率和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化。光纖布拉格光柵是一種zui簡單、zui普通的光纖光柵，其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數。當入射光譜經過FBG時，滿足Bragg條件的波長λB的單色光被反射回入射端，其余光透射。原理圖如圖1所示。　　
　　由耦合模理論分析可知，FBG反射光中心波長λB可表示為：
　　
　　λB=2neffΛ（1）
　　
　　式中：Λ為光柵的周期；neff為有效折射率。由式（1）可以看出，光纖Bragg光柵的中心波長λB由光柵的周期Λ和有效折射率neft決定，而Λ和neff又受溫度和應變的影響，因此，溫度和應變的變化可以通過Bragg波長λB間接地反映出來。將式（1）微分可得Bragg中心波長的位移量：　　
　　式中KT為溫度靈敏度。由式（3）可知光纖光柵的波長的偏移量與溫度變化呈線性關系，因此只要測出布拉格光柵波長的偏移量就可以測得溫度的改變量。
　　
　　2、光纖光柵測溫系統的建立
　　
　　光纖光柵調制解調器系統原理圖如圖2所示。使用ASE光源（AmplificationofSpontaneousEmission），經過FFP（FiberFabry-Perot）可調諧光濾波器后，成為窄帶掃描光，經光纖光柵傳感器反射后，由光電管PD（PhotoDetector）探測出一系列光功率信號，通過軟件處理和與標準波長的比較，解調出不同光柵傳感器的中心波長，從而實現相應物理量的測量。本解調器有8個光學信道（OpticChannels），ASE光源將光功率平均分給8個信道，每個信道可以接入一串不重復波長的光纖光柵傳感串；信道與信道之間波長可以重復，測量時傳感器不會相互影響。　　
　　光纖測溫系統可分為三個部分，即傳感器部分、調制解調部分、數據的處理部分。
　　
　　2．1傳感器部分
　　
　　該模塊主要將光纖光柵溫度傳感器粘貼在繞組上來測量變壓器繞組的溫度。一般變壓器的繞組溫度的zui高點位于繞組中上部，但在這個位置進行測量很不方便，因此一般采用繞組的上表面溫度作為變壓器繞組溫度的zui高點。由于變壓器的繞組靜止，在其上表面，局部有較大的測量平面，可以將光纖光柵溫度傳感器粘貼于繞組表面進行測量，傳感器通過光導纖維導出，這樣既可以避免損壞變壓器，還可以直接感知變壓器繞組的溫度變化，提高測量的精度。
　　
　　2．2調制解調部分
　　
　　該部分主要由BaySpec解調模塊+增值擴展模塊、ASE光源+環形器、MEMS光開關等部分組成，全光譜的光照和處理反射回來的光信號，將數據分析校準轉化是這部分的主要任務。系統解調模塊采用北京摩爾朗通科技有限公司代理美國BaySpec公司的WaveCapture型FBG波長解調模塊。BaySpec低速模塊具有光譜和峰值兩種數據模式。BaySpecFBGA增值擴展模塊通過并口擴展訪問BaySpec低速波長解調模塊得到DPRAM
　　
　　中的數據，通過簡單的RS232或RS485接口將數據送入用戶PC。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　系統軟件開發環境為VS2010，軟件系統主要功能如圖3所示。
　　　　PC機接收到下位機傳上來的實時數據后，首先要根據溫度與波長的對應公式計算出實時的溫度值，并將此數值存入數據庫，以便于歷史數據的查詢。軟件系統繪制了實時的溫度曲線，方便觀察者直觀的觀看溫度的變化趨勢，另外，在高溫報警模塊利用差分方程對歷史數據進行了趨勢擬合，能夠得出預警值，有效的預防溫度過高引起的相關事故。
　　
　　4、實驗結果與分析
　　
　　測試中采用恒溫液體槽和二等水銀溫度計來進行對比，其中二等水銀溫度計每年通過國家測量儀器中心校正一次，恒溫液體槽槽內為標準變壓器油，精度可達到±0．02℃，恒溫槽可進行各溫度段的調節，其實驗裝置如圖4所示。　　
　　根據標定的系數，模擬現場的溫度，zui高溫度升至130℃，得到實驗結果如表1所示。　　
　　由表1可以看出，光纖光柵測溫系統所測得的溫度更加準確，更加接近物體的真實溫，可見光纖光柵測溫系統在溫度的度上*符合變壓器繞組測溫的要求。
　　
　　5、結語
　　
　　基于光纖光柵傳感器的溫度在線監測系統是為測量變壓器繞組溫度而設計的。由于變壓器的運行環境和使用溫度不同，所以對變壓器冷卻系統溫度值的確定要在考慮安全運行的同時，盡量做好節能降耗。實時監測變壓器的油溫非常重要。系統采用光纖光柵傳感器作為溫度的測量單元，絕緣、耐溫，靈敏度高，系統工作穩定、功耗低，對變壓器繞組測溫具有良好的應用前景。