CN102033041B - 基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障气体监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在线监测系统技术领域中的一种基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障气体监测系统。该系统包括气体传感器阵列、光纤布拉格光栅解调设备和变压器故障监测中心等组成部分。该系统采用光纤布拉格光栅传感器，其抗电磁干扰强，利于长期应用于电磁环境极其恶劣的环境中；测量灵敏度高、分辨率高可对变压器各个部位同时进行在线监测，大大降低了系统维护成本；解决了传统故障监测方法中气体间的交叉敏感、油气分离平衡慢、透气膜寿命短等一系列问题。

Description

基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障气体监测系统

技术领域

本发明属于一种在线监测系统技术领域，尤其是涉及一种基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障气体监测系统。

背景技术

电力变压器作为电网运行中的关键设备，其可靠性在电网运行中尤为重要。

监测并分析溶解于油中的气体，就能尽早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展变化情况。但是传统的监测方法每次监测都需通过采样、油气分离、组分监测、数据处理这样的步骤，在油气分离过程中受人为影响比较大，监测结果不准确。这项监测技术属于一种离线监测方法，整个监测过程繁琐复杂，实验时间长，运行人员难以及时掌握变压器的运行状况。考虑到离线监测技术的缺点，陆续出现了一系列的油色谱在线监测系统。

目前现有的监测系统只能监测油中小分子气体氢气及少量一氧化碳、乙炔、微量乙烯等气体的综合体积分数及其时、日变化趋势，不能分析变压器具体的故障形式，只能用于早期预警；对于采用半导体或是热导监测方法的监测系统，其对气体的选择性和监测灵敏度不高；而利用色谱分离方法的监测系统，由于色谱柱的稳定性不高，监测的同时要消耗载气、色谱柱等易耗物品，在运行中色谱柱需要投入较高的维护费用，使得采用色谱分离方法进行监测的维护费用增加。据研究发现，目前在航空领域中已有采用基于布拉格光纤布拉格光栅监测氢气浓度的传感器，但是其最低监测灵敏度不能满足变压器中的故障气体浓度要求。

更为重要的是，现有系统还具有下列共有缺点：(1)现有在线监测方法都需要通过油气分离单元将故障气体分离出来，然后再进行监测。油气分离单元主要可以分为真空抽气法和渗透膜法。其中真空抽气法的脱气量不高，气室的气体浓度和变压器中气体浓度相差较大；而利用渗透膜法，膜的老化问题使得系统的维修成本提高并且增加了系统运行的不安全性，一般膜的寿命大概为1～2年左右；(2)现有系统中的测量设备和解调设备都为电气测量，在输电线路的强电磁场区域内极易受到电磁干扰的影响。

发明内容

针对上述技术背景中现有在线监测系统只能用于早期预警、气体选择性和监测灵敏度不高、需要载气或色谱柱易耗物品等缺点，本发明提出了一种基于光纤布拉格光栅传感器变压器故障气体监测系统。

本发明的技术方案是，基于光纤布拉格光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述系统包括气体传感器阵列、光纤布拉格光栅解调器和变压器故障监测中心；气体传感器阵列与光纤布拉格光栅解调器连接，光纤布拉格光栅解调器和变压器故障监测中心连接；所述气体传感器阵列由多根用于吸收气体的光纤布拉格光栅组成；所述光纤布拉格光栅涂覆了第一金属(1)，且在第一金属(1)上涂覆了第二金属(2)。

所述第一金属(1)为金。

所述第二金属(2)为吸收气体后体积发生膨胀的金属。

所述第二金属(2)为五镍化镧。

所述光纤布拉格光栅吸收的气体包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、乙烯、乙炔、甲烷或乙烷。

所述气体传感器阵列应置于变压器油、变压器瓦斯继电器或油气分离的气室中。

所述光纤布拉格光栅解调器用以实时监测光纤布拉格光栅中心光的波长，包括宽带光源、滤波器、探测器。

所述变压器故障监测中心包括装有专家系统的监控电脑，当发现气体浓度超出设定值时，监控电脑发出警报并按照设定规则诊断出变压器故障类型。

采取上述技术方案，所开发的光纤布拉格光栅变压器故障气体监测系统有以下优点：(1)能够直接置于油中、置于变压器上方的瓦斯继电器中或是油气分离的气室中三个部位进行测量，抗电磁干扰，利于长期监测；(2)测量得到的应变通过波长编码实现，光纤布拉格光栅气体监测系统不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响；(3)测量灵敏度好、分辨率高；(4)采用多方位测量技术，可以使用一套解调系统对变压器各个部位的产气情况同时进行监测，大大降低了系统成本。(5)由于光纤布拉格光栅传感器是按照分别对每种特征气体敏感进行制作的，解决了气体间的交叉敏感问题，气体的选择性高；(6)由于传感器可以直接置于变压器中进行监测，不用进行油气分离，则解决了油气分离平衡慢、透气膜寿命短的一系列问题。

附图说明

图1是光纤布拉格光栅气体传感器。

图2是变压器故障气体监测系统。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

1.光纤布拉格光栅表面金属镀膜

图1中，由于能够附着在光纤布拉格光栅表面的金属种类有限，因此先在光纤布拉格光栅表面镀上一层非常薄的能够附着在上面的金属，利用金属将栅区段包裹起来，本实例采用金属金。图2中FBG是光纤布拉格光栅(FiberBragg Grating)；λ为返回的中心波长光谱图。

2.传感器金属沉积

在被第一金属金包裹后的栅区段沉积一层具有一定厚度的，对特种气体敏感的第二金属如五镍化镧(LaNi5)，五镍化镧吸收的气体为氢气。

3.传感器的安装

由于目前对变压器故障时产生气体的发展过程尚不明确，应将传感器安装于变压器中，分别在变压器油和瓦斯继电器中同时安装传感器进行监测。

4.安装光纤解调设备

传感器经传输光纤接到光纤布拉格光栅解调仪上，解调仪通过变电站内220V电源供电，使用网线将解调仪与安装有专家系统的监测用计算机相连。

5.实时监测变压器中故障气体

系统正常运行，将监测到的气体浓度变化情况通过专家系统诊断变压器是否运行正常，当气体浓度超出一定值时，光纤布拉格光栅上的金属五镍化镧吸收氢气后发生形变，使得光纤布拉格光栅中光的波长发生变化，光纤解调仪收到波长变化信号后，将信息传入故障监测中心，当故障监测中心发现气体浓度超出设定值时，监控电脑发出警报并按照设定规则诊断出变压器的故障类型。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于光纤光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述系统包括气体传感器阵列、光纤光栅解调器和变压器故障监测中心；气体传感器阵列与光纤光栅解调器连接，光纤光栅解调器和变压器故障监测中心连接；

所述气体传感器阵列由多根用于吸收气体的光纤光栅组成；

所述光纤光栅涂覆了第一金属(1)，且在第一金属(1)上涂覆了第二金属(2)：

所述第二金属(2)为吸收气体后体积发生膨胀的五镍化镧。

2.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述第一金属(1)为金。

3.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述光纤光栅吸收的气体为氢气。

4.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述气体传感器阵列应置于变压器油、变压器瓦斯继电器或油气分离的气室中。

5.根据权利要求1所述基于光纤光栅传感器的变压器故障气体监测系统，其特征是所述变压器故障监测中心包括装有专家系统的监控电脑，当发现气体浓度超出设定值时，监控电脑发出警报并按照设定规则诊断出变压器故障类型。

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