CN103487164A - 一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法 - Google Patents

一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法 Download PDF

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闫思安
刘江
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赵振刚
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本发明涉及一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括聚四氟乙烯套管、陶瓷套管、光纤、光纤Bragg光栅；其中光纤的一端穿过聚四氟乙烯套管并通过环氧树脂将聚四氟乙烯套管封装在陶瓷套管内，光纤另一端的引出部分与传感网络分析仪相连接；负责传感测温的光纤Bragg光栅一端与光纤相连，而另一端自由悬空；将光纤Bragg光栅温度传感器通过变压器铁芯上的预留线槽插入到铁芯中柱的上轭中；再根据光纤Bragg光栅温度传感器波长的移位与温度的变化关系，计算出变压器铁芯中柱的上轭处的温度。本发明结构简单，便于操作；可以实时检测变压器铁芯中柱上轭处温度。

Description

一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
由于变压器容量的不断提高，变压器铁芯过热问题也越来越显著，其造成的后果是加速了变压器内部绝缘物质的老化，从而威胁了变压器的安全运行和缩短了变压器的寿命。长期研究表明，大型变压器的运行可靠性在很大程度上取决于其绝缘状态。大部分变压器的寿命终结是因为其丧失了应有的绝缘能力，而影响绝缘能力的主要因素之一就是变压器运行时的铁芯温度。根据变压器国家标准GB1094.2—1996《变压器 第2部分温升》规定，对于采用A级绝缘材料的变压器，铁心与油的接触表面对周围环境温度的温升不应该超过80 K，我国变压器的温升标准均以环境温度40℃为准，而铁心最高温度是铁芯中柱的上轭部分。监测变压器铁芯中柱上轭处的温度，可以了解变压器的运行情况，对实现电力系统的安全运行，进而对经济发展、社会稳定都有重要的现实意义。
发明内容
本发明提供了一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器及其使用方法，以用于解决变压器铁芯温度的实时在线监测的问题。
本发明的技术方案是：一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯套管1、陶瓷套管2、光纤3、光纤Bragg光栅4；其中光纤3的一端穿过聚四氟乙烯套管1并通过环氧树脂将聚四氟乙烯套管1封装在陶瓷套管2内，光纤3另一端的引出部分与传感网络分析仪相连接；负责传感测温的光纤Bragg光栅4一端与光纤3相连，而另一端自由悬空。
所述与光纤Bragg光栅4连接的光纤3封装在陶瓷套管2内后不从陶瓷套管2内引出或从陶瓷套管2内引出并通过聚四氟乙烯套管1进行封装，与陶瓷套管2连接处使用环氧树脂进行封装。
所述光纤Bragg光栅4不进行封装或使用聚四氟乙烯薄板11进行封装。
一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其所述用于监测变压器铁芯温度方法的具体步骤如下：
A、把一支和传感网络分析仪8连接的光纤Bragg光栅温度传感器10，通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7的上轭中；
B、根据传感网络分析仪8分析光纤Bragg光栅4反射的波长值的变化，再通过光纤Bragg光栅温度传感器10波长的移位与温度的变化关系                                               
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE002
，计算出变压器铁芯中柱7的上轭处的温度；其中：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE004
为光纤Bragg光栅的反射峰值波长，
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE006
为波长的移位，S T 为传感器的温度系数；
C把所测量的温度和变压器的温升标准进行比较，用于判断变压器是否处于正常工作状态：
当△T≥120℃时，判断该变压器处于非正常工作状态；
当△T＜120℃时，判断该变压器处于正常工作状态。
所述光纤Bragg光栅温度传感器10通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7上轭的深度为20mm。
本发明的工作原理是：所述测温位置的选择：电磁场在铁芯中的分布是不均匀的，铁芯中间区域以及高压线圈处的磁流密度相对较大，铁芯中温度最高的地方在铁芯中柱的铁轭处，这是因为铁芯中柱磁流密度相对较大，导致高频情况下的损耗大。
所以通过监测变压器铁芯中柱上轭处的温度，可以更加全面地掌握变压器的运行状况，避免了因铁芯过热引发的故障，而最终导致电缆火灾、局部电网瘫痪。
光纤Bragg光栅温度传感器10通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7的上轭中，插入到变压器的铁芯上处，确保传感器能检测变压器的铁芯温度的最高点；当变压器因接点接触不良、磁路故障、导体故障等原因产生大量的热量，会导致光纤Bragg光栅反射波长的移位，最终达到对变压器铁芯的温度进行实时监测的目的。
本发明的数学模型分析如下：
变压器铁心中柱7上轭处的温度变化会引起光纤Bragg光栅温度的改变，由于光纤的热膨胀效应和光纤热光效应，引起反射峰值波长的变化。
反射回来的峰值波长满足：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE008
                                                       （1）
式中：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE010
是光栅周期；
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE012
是有效折射率。
对（1）式进行温度T求导可得：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE014
                                          （2）
式中：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE016
是光纤本身在应力作用下的弹性形变；
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE018
是光纤的弹光效应。
对（2）式两边除以（1）式，可以得到：
                                        （3）
式中：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE022
为光纤光栅的热光系数，表达式为
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE026
为光纤光栅的热膨胀系数，表达式为
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE028
；S T 为传感器的温度系数；
Figure 360313DEST_PATH_IMAGE006
为波长的变化；△T为温度的变化。
所以光纤光栅温度传感器Bragg波长的移位与温度的变化成线性关系，则变压器铁芯中柱（7）上轭处温度的变化：
Figure 2013104204022100002DEST_PATH_IMAGE030
                                                      （4）
式中：
Figure 120458DEST_PATH_IMAGE004
为光纤Bragg光栅的反射峰值波长；为波长的移位；S T 为传感器的温度系数。
所述的油浸式变压器国家标准GB1094.2—1996《变压器 第2部分温升》规定：对于采用A级绝缘材料的变压器，铁心与油的接触表面对周围环境温度的温升不应该超过80K，我国变压器的温升标准均以环境温度40℃为准，而铁心最高温升是铁芯中柱的上轭部分。根据这个规定，如果铁心中柱上轭处的温度为120℃以上，可以判断该变压器处于非正常工作状态。
本发明的有益效果是：
1、采用光纤Bragg光栅手段测量，体积小、带宽宽、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀外，波长编码具有绝对测量、准确度高；
2、光纤Bragg光栅传感器可以长期安装在变压器铁芯中柱的上轭中，可以实时检测变压器铁芯中柱上轭处温度；
3、本发明结构简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中将光纤Bragg光栅温度传感器安装在变压器铁芯的示意图；
图中各标号：1为聚四氟乙烯套管、2为陶瓷套管、3为光纤、4为光纤Bragg光栅、5为线槽、6为铁芯片、7为铁心中柱、8为传感网络分析仪、9为铁芯、10为光纤Bragg光栅传感器、11为聚四氟乙烯薄板。
具体实施方式
实施例1：如图1-2所示，一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯套管1、陶瓷套管2、光纤3、光纤Bragg光栅4；其中光纤3的一端穿过聚四氟乙烯套管1并通过环氧树脂将聚四氟乙烯套管1封装在陶瓷套管2内，光纤3另一端的引出部分与传感网络分析仪相连接；负责传感测温的光纤Bragg光栅4一端与光纤3相连，而另一端自由悬空（在光纤3外层用聚四氟乙烯套管1进行封装，与变压器连接端用陶瓷套管2保护，可以保护光纤3）。
所述与光纤Bragg光栅4连接的光纤3封装在陶瓷套管2内后不从陶瓷套管2内引出（如图1所示，封装在陶瓷套管2内的光纤3不从陶瓷套管2内引出）。
所述光纤Bragg光栅4不进行封装（如图1所示，不使用聚四氟乙烯薄板11进行封装）。
一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其所述用于监测变压器铁芯温度方法的具体步骤如下：
A、把一支和传感网络分析仪8连接的光纤Bragg光栅温度传感器10，通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7的上轭中；
B、根据传感网络分析仪8分析光纤Bragg光栅4反射的波长值的变化，再通过光纤Bragg光栅温度传感器10波长的移位与温度的变化关系，计算出变压器铁芯中柱7的上轭处的温度；其中：
Figure 691489DEST_PATH_IMAGE004
为光纤Bragg光栅的反射峰值波长，
Figure 622536DEST_PATH_IMAGE006
为波长的移位，S T 为传感器的温度系数；
C把所测量的温度和变压器的温升标准进行比较，用于判断变压器是否处于正常工作状态：
当△T≥120℃时，判断该变压器处于非正常工作状态；
当△T＜120℃时，判断该变压器处于正常工作状态。
所述光纤Bragg光栅温度传感器10通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7上轭的深度为20mm。 
实施例2：如图1-2所示，一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，包括聚四氟乙烯套管1、陶瓷套管2、光纤3、光纤Bragg光栅4；其中光纤3的一端穿过聚四氟乙烯套管1并通过环氧树脂将聚四氟乙烯套管1封装在陶瓷套管2内，光纤3另一端的引出部分与传感网络分析仪相连接；负责传感测温的光纤Bragg光栅4一端与光纤3相连，而另一端自由悬空（在光纤3外层用聚四氟乙烯套管1进行封装，与变压器连接端用陶瓷套管2保护，可以保护光纤3）。
所述与光纤Bragg光栅4连接的光纤3封装在陶瓷套管2内后从陶瓷套管2内引出并通过聚四氟乙烯套管1进行封装，与陶瓷套管2连接处使用环氧树脂进行封装（如图2所示，装在陶瓷套管2内的光纤3从中引出并通过聚四氟乙烯套管1封装）。
所述光纤Bragg光栅4使用聚四氟乙烯薄板11进行封装（如图2所示，光纤Bragg光栅4可以使用聚四氟乙烯薄板11保护）。
一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其所述用于监测变压器铁芯温度方法的具体步骤如下：
A、把一支和传感网络分析仪8连接的光纤Bragg光栅温度传感器10，通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7的上轭中；
B、根据传感网络分析仪8分析光纤Bragg光栅4反射的波长值的变化，再通过光纤Bragg光栅温度传感器10波长的移位与温度的变化关系
Figure 376865DEST_PATH_IMAGE002
，计算出变压器铁芯中柱7的上轭处的温度；其中：为光纤Bragg光栅的反射峰值波长，
Figure 574945DEST_PATH_IMAGE006
为波长的移位，S T 为传感器的温度系数；
C把所测量的温度和变压器的温升标准进行比较，用于判断变压器是否处于正常工作状态：
当△T≥120℃时，判断该变压器处于非正常工作状态；
当△T＜120℃时，判断该变压器处于正常工作状态。
所述光纤Bragg光栅温度传感器10通过变压器铁芯9上的预留线槽5插入到铁芯中柱7上轭的深度为20mm。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：包括聚四氟乙烯套管（1）、陶瓷套管（2）、光纤（3）、光纤Bragg光栅（4）；其中光纤（3）的一端穿过聚四氟乙烯套管（1）并通过环氧树脂将聚四氟乙烯套管（1）封装在陶瓷套管（2）内，光纤（3）另一端的引出部分与传感网络分析仪相连接；负责传感测温的光纤Bragg光栅（4）一端与光纤（3）相连，而另一端自由悬空。
2.根据权利要求1所述的用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：所述与光纤Bragg光栅（4）连接的光纤（3）封装在陶瓷套管（2）内后不从陶瓷套管（2）内引出或从陶瓷套管（2）内引出并通过聚四氟乙烯套管（1）进行封装，与陶瓷套管（2）连接处使用环氧树脂进行封装。
3.根据权利要求1或2所述的用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器，其特征在于：所述光纤Bragg光栅（4）不进行封装或使用聚四氟乙烯薄板（11）进行封装。
4.一种用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其特征在于：所述用于监测变压器铁芯温度方法的具体步骤如下：
A、把一支和传感网络分析仪（8）连接的光纤Bragg光栅温度传感器（10），通过变压器铁芯（9）上的预留线槽（5）插入到铁芯中柱（7）的上轭中；
B、根据传感网络分析仪（8）分析光纤Bragg光栅（4）反射的波长值的变化，再通过光纤Bragg光栅温度传感器（10）波长的移位与温度的变化关系                                                
Figure 405113DEST_PATH_IMAGE001
，计算出变压器铁芯中柱（7）的上轭处的温度；其中：为光纤Bragg光栅的反射峰值波长，为波长的移位，S T 为传感器的温度系数；
C把所测量的温度和变压器的温升标准进行比较，用于判断变压器是否处于正常工作状态：
当△T≥120℃时，判断该变压器处于非正常工作状态；
当△T＜120℃时，判断该变压器处于正常工作状态。
5.根据权利要求4所述的用于监测变压器铁芯温度的光纤Bragg光栅温度传感器的使用方法，其特征在于：所述光纤Bragg光栅温度传感器（10）通过变压器铁芯（9）上的预留线槽（5）插入到铁芯中柱（7）上轭的深度为20mm。
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