CN106483328B - 一种变压器油流速在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括光照系统、光纤传感器、光电转换器、信号处理单元和计算机，变压器的上对流口或下对流口处均设置一光纤传感器；光照系统用于照射光纤传感器；每一光纤传感器均包括一支架，每一支架用于与上对流口入口或下对流口入口进行固定，每一支架内垂向固定设置一弹性钢片，每一弹性钢片的内侧固定设置一光纤光栅，每一光纤光栅的出射光均通过一光纤发送到光电转换器，光电转换器将接收的信号经信号处理单元处理后发送到计算机，计算机根据光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速。本发明可以广泛应用在油浸式变压器的流速监测中。

Description

一种变压器油流速在线监测系统

技术领域

本发明是关于一种基于光纤传感器的变压器油流速在线监测系统，涉及变压器在线监测技术领域。

背景技术

工业生产过程中自动化流体流量和调节的确测，是确保生产过程安全和经济运行、降低物质消耗、提高产品质量和经济效益以及科学管理的基础。随着科学技术的发展，流量测量精度也越来越高，越来越多的流体物种需要检测。由于在变压器行业测量的流体成分和物理化学性质的复杂性及各种流量状态，加上变压器内部的温度特别高，因此需要新方式来测量和监测变压器内部绝缘油的流速和流量问题，保证变压器可靠安全运行。在油浸式电力变压器中，绝缘油的主要作用为绝缘和散热的功能，而变压器油的油流速度与温度有关，在油浸式电力变压器中，温度越高，绝缘油的对流速度越快，但是对于油浸式电力变压器，油流速度有一个正常的流速，一般正常的流速0.5m/s<ν<1.2m/s，变压器绝缘油的流速不宜过快，油速快了容易使变压器油产生气体影响变压器自身的安全。因此对变压器的绝缘油流速的在线监测成为了解变压器安全的必要，对优化变压器的散热功能起了很大的作用，同时能够监测到变压器是否发生堵塞的情况，意义重大。

现有技术变压器是通过电磁方法测量变压器的油流速。首先，这种方法测量变压器绝缘油的流速精度不高，而且由于采用机械方法进行测试，容易造成变压器的堵塞，对变压器造成不利的影响；其次，这种传统的测量变压器的方法只能在变压器安装的位置去读数，对于运检人员来说，这种方法既不安全，也不方便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够保证流速测量精度的基于光纤传感器的变压器油流速在线监测系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种变压器油流速在线监测系统，包括光照系统、光纤传感器、光电转换器、信号处理单元和计算机，所述变压器的上对流口或下对流口处均设置一所述光纤传感器；所述光照系统用于照射所述光纤传感器；每一所述光纤传感器均包括一支架，每一所述支架用于与所述上对流口入口或下对流口入口进行固定，每一所述支架内垂向固定设置一弹性钢片，每一所述弹性钢片的内侧固定设置一光纤光栅，每一所述光纤光栅的出射光均通过一光纤发送到所述光电转换器，所述光电转换器将接收的信号经所述信号处理单元处理后发送到所述计算机，所述计算机根据所述光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速。

进一步地，所述光照系统包括可调谐激光和光纤耦合器，所述可调谐激光发出的激光依次通过所述光纤耦合器和光纤发送到所述光纤光栅，当所述光纤光栅发生应变时，经所述光纤光栅出射的激光中心波长发生偏移，发生偏移的激光按原路返回经依次经所述光纤和光纤耦合器发射到所述光电转换器。

为实现上述目的，本发明采取另一种技术方案：一种变压器油流速在线监测系统，包括光照系统、光纤传感器、光电转换器、M-Z干涉仪、分波器、信号处理单元和计算机，所述变压器的上对流口或下对流口均设置一所述光纤传感器；所述光照系统用于照射所述光纤传感器，每一所述光纤传感器均包括一支架，每一所述支架用于与上对流口入口或下对流口入口进行固定，每一所述支架内垂向固定设置一弹性钢片，每一所述弹性钢片的内侧固定设置一光纤光栅，所有所述光纤光栅的出光口通过一光纤依次进行串联，所有的所述光纤光栅的出射光经所述光纤发送到所述M-Z干涉仪，所述M-Z干涉仪将每个所述光纤光栅中心波长的偏移转换为相应的光强信号发送到所述分波器进行分光，所述分波器将分光后的若干不同中心波长的光依次发送到相应所述光电转换器，每一所述光电转换器将接收的信号经所述信号处理单元发送到所述计算机，所述计算机根据所述光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速。

进一步地，所述光照系统包括宽带光源和光纤耦合器，所述宽带光源发出的宽带光依次经所述光纤耦合器和光纤依次发送到每一所述光纤光栅，当所述光纤光栅发生应变时，经所述光纤光栅出射的宽带光的中心波长发生偏移，发生偏移的光按原路返回依次经所述光纤和光纤耦合器发射到所述M-Z干涉仪。

进一步地，所述光纤光栅采用光纤布拉格光栅，所有所述光纤布拉格光栅的中心波长均不相同，且需要保证第一光纤布拉格光栅的波长偏移量不能超过第二光纤布拉格光栅的中心波长，依次类推。

进一步地，所述光纤耦合器采用光环形器。

进一步地，所述支架包括一环形支撑板，所述环形支撑板的内侧延伸设置一圆筒状插件，所述圆筒状插件的外径与上对流口或下对流口的管径大小匹配，保证所述光纤传感器能够刚好插入上对流口或下对流口中，所述圆筒状插件的内臂垂向固定设置所述弹性钢片，位于所述光纤光栅顶部上方的圆筒状插件和环形支撑板上均设置有用于穿设所述光纤的通孔。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在变压器的上对流口或下对流口处均设置一光纤传感器，根据光纤传感器的光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速，因此本发明通过光纤传感器实现变压器内部对绝缘油流速的在线监测系统，由于光纤传感器具有损耗低、频带宽、可挠性好、线径细、重量轻、无感应等特点，因此本发明具有准确、快速、抗燃抗暴的特点。2、对于油浸式变压器，内部环境要求较高，因此本发明通过光纤传感器来测量变压器绝缘油对流的速度，简单地将变压器内部绝缘油对流的信息转化成光信号快速发送到计算机实现对变压器内部绝缘油流速的实时监测，对于运检人员来说，此种测量方式安全且方便。综上所述，本发明可以广泛应用在油浸式变压器的流速监测中。

附图说明

图1是现有变压器其中一相两侧的对流示意图；

图2是本发明实施例1的在线监测系统结构示意图；

图3是本发明变压器的一个上对流口对应安装光纤传感器结构示意图；

图4(a)是本发明实施例1的光纤传感器结构示意图；

图4(b)是图4(a)的左视示意图；

图5是本发明的光强信号和波长信号成线性关系示意图，横坐标为波长，纵坐标为相对光强；

图6是本发明的光纤耦合器的传光示意图；

图7是本发明实施例2的变压器六个上流口对应安装光纤传感器的示意图；

图8是本发明实施例2的在线监测系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，在油浸式电力变压器中，变压器运行时产生的热量主要靠变压器油上下对流，变压器的绝缘油从上对流口流出变压器，经过散热片进行散热，从下对流口流回变压器内部。变压器三相绕组中，每一相的每一侧都有对流，因此三相油浸式变压器两侧总共有6个上对流口流出变压器油，6个下对流口流入变压器绝缘油。考虑到变压器绝缘油对流的时候，从上对流口流进去，从下对流口流出来，所以上对流口绝缘油流速等于下对流口绝缘油的流速，所以测量变压器的绝缘油对流速度只要测量6个上对流口或6个下对流口的流速即可，本发明的实施例均以6个上对流口进行说明。

实施例1：

如图2～4所示，本实施例的变压器油流速在线监测系统，包括光照系统1、光纤传感器2、光电转换器3、信号处理单元4和计算机5，变压器的三相六个上对流口均设置一光纤传感器2，光照系统1用于照射光纤传感器2。

本实施例的每一光纤传感器均包括支架21、光纤22、弹性钢片23和光纤光栅24，支架21用于与上对流口入口进行固定，包括一环形支撑板211，环形支撑板211的内侧延伸设置一圆筒状插件212，圆筒状插件212的外径与上对流口的管径大小匹配，保证光纤传感器2能够刚好插入上对流口中，圆筒状插件212的内臂垂向固定设置弹性钢片23，弹性钢片23的内侧固定设置光纤光栅24，位于光纤光栅24的顶部上方的圆筒状插件212的内壁和环形支撑板211上均相应设置有用于穿设光纤22的通孔213。光纤光栅24的出射光通过光纤23发送到光电转换器3，光电转换器3将接收的信号发送到信号处理单元4进行处理，并将处理结果发送到计算机5进行解调，根据光纤光栅14中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系完成绝缘油流速的测量。

优选地，光照系统1包括有可调谐激光11和光纤耦合器12，可调谐激光11发出的激光通过光纤耦合器12经光纤22发送到光纤光栅24，当光纤光栅24发生应变时，经光纤光栅24出射的激光中心波长发生偏移，发生偏移的激光按原路返回经光纤22进入光纤耦合器12，经光纤耦合器12出射的激光发射到光电转换器3。

优选地，光纤光栅24可以采用光纤布拉格光栅(FBG)，属于均匀光纤光栅，其工作原理为光照系统1发出的激光发射到FBG中，经FBG出射的光发送到光电转换器3中，经FBG出射的光在一定范围内漂移，从而导致经光电转换后的电信号也随之变化。如图5所示，光源发出的光为一定波长的激光束，由FBG出射光的光谱可知在一定波长范围内，在此范围内由于波长和光强变化的关系为线性关系，解调该范围内的波长信号为光强信号，实现高速解调。另外，光纤光栅的周期可以自己按照实际需要进行刻，没有具体的参数要求，本实施例选择的六个光纤布拉格光栅的中心波长均不相同。例如，本实施例采用的可调谐激光的波长为1550nm，对于六个光纤布拉格光栅，可以刻周期使中心波长为第一光纤布拉格光栅为1555nm、第二光纤布拉格光栅为1560nm、第三光纤布拉格光纤光栅为1565nm、第四光纤布拉格光纤光栅为1570nm、第五光纤布拉格光栅为1575nm、第六光纤布拉格光栅为1580nm。这样，第一光纤布拉格光栅中心波长偏移不能超过第二光纤布拉格光栅的中心波长1560nm，依次类推。

如图6所示，光纤耦合器12可以采用光环形器，光环形器是用于对光功率进行分配的一种三端无源光学元件，只允许某端口的入射光从确定端口输入而反射光只能从另一端口输出的不可互易性器件，当光信号从端口a进入光环形器，经过端口b到达光纤传感器2，光纤光栅24由于受到绝缘油冲击的作用发生应变，发生应变后导致从端口a进去的光的中心偏移发生变化后从端口c输出。

优选地，信号处理单元4包括放大器和数据采集器，放大器用于对光电转换器3发送的信号进行放大，并将放大后的信号经数据采集器发送到计算机5。

优选地，计算机5根据光纤光栅中心波长的偏移计算得出绝缘油的流速，实现光信号的解调，具体原理为：流体流动形成的力作用到弹性钢片23上，使得粘贴在弹性钢片23的光纤布拉格光栅24发生形变，从而使光纤布拉格光栅24的反射光中心波长发生改变，对着流体方向的光纤布拉格光栅24的中心波长向增大方向漂移，通过检测光纤拉格光栅反射光中心波长的漂移量的大小即可计算流体流速的大小，并进而可以测得流量的大小。

光纤布拉格光栅会受到温度和应力的改变而使得中心波长会发生偏移：

Δλ_B/λ_B＝(1-P_e)Δε+(ξ+α)ΔT

式中，Δε为光纤布拉格光栅轴向应变的改变量；ΔT为外界温度的改变量；Δλ_B为反射波中心波长的漂移量；ξ、α分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数，均为常量；P_e为有效弹光系数。

本发明是建立流体流速和布拉格光纤光栅应力的关系，由于光纤布拉格光栅的中心波长偏移量与光纤布拉格光栅的应力和温度均有关，对于温度引起的光纤布拉格光栅中心波长的偏移，实际使用中可以放置一个固定的光纤布拉格光栅，不受应力的作用，那么这个光纤布拉格光栅只受到温度的作用，那么将本实施例的六个光纤布拉格光栅中心波长偏移量减去这个固定光纤光栅受温度引起的中心波长偏移量就是只受到应力产生的。

当流体冲击到弹性钢片23时，光纤布拉格光栅所受力为：

Ft＝mv(1)

式中，F是弹性弹片上的力，t是作用的单位时间，m是单位时间内通过传感区的流体的质量，v是流速。假设流体在t时间内由速度v均匀减小至0时，可得：

m＝ρV

V＝1/2Svt

S＝cL_b(2)

式中，ρ是体流的密度，V是单位时间内流体流过的体积，S是作用面积，L_b是弹性钢片的长度，c是弹性钢片的宽度。

由式(1)和式(2)可知：

F＝ρcL_bv²/2 (3)

假设为均匀力，则弹簧弹片粘贴的末端有最大的应变，且

式中，E为杨氏模量，d是弹性钢片厚度。当流体流过，由于光纤传感器的自由端光纤都随弹性钢片一起弯曲，同时引起光纤布拉格光栅长度的变化。

ΔL＝εL (5)

式中，L是光纤布拉格光栅的长度。

由式(1)～(5)可知：

由上式可知，应变与流速的平方成线性关系。

假设弹性钢片和光纤布拉格光栅的形变相同，再根据光纤布拉格光栅中心波长与应力的公式Δλ_B＝λ_B(1-P_e)Δε就可以算出光纤布拉格光栅的屮心波长漂移量与流速的关系：

由上述内容可知，只要准确地测量出光纤布拉格光栅的中心波长改变量，就可以准确地测算出流体流速。

实施例2：

如图7、图8所示，本实施例的变压器油流速在线监测系统与实施例1的结构相同的是均包括有光照系统1、光纤传感器2、光电转换器3、信号处理单元4和计算机5，且本实施例的光纤传感器2结构与实施例1的结构也基本相同，不同之处在于本实施例的六个光纤光栅24的出光口通过一光纤22依次进行串联。另外，本实施例还包括M-Z干涉仪6和分波器7(波分复用)，M-Z干涉仪6用于将每个光纤光栅的中心波长的偏移转换为相应的光强信号，并通过分波器7进行分光，分波器7将分光后的六个不同中心波长的光依次发送到相应的光电转换器，每一光电转换器3将接收的信号经信号处理单元4发送到计算机5。

优选地，光照系统1包括宽带光源和光纤耦合器，宽带光源发出的宽带光经光纤耦合器并通过光纤依次发送到六个光纤光栅，当光纤光栅发生应变时，宽带光在光纤光栅中心波长发生偏移，发生偏移的光按原路返回经光纤进入光纤耦合器，经光纤耦合器出射的光发射到M-Z干涉仪6。

优选地，M-Z干涉仪6包括第二光纤耦合器61、测量臂光路62、参考臂光路63和第三光纤耦合器64，经光纤耦合器出射的光又经第二光纤耦合器61分成两束光，两束光分别进入测量臂光路62和参考臂光路63，测量臂光路62和参考臂光路63发生干涉，将各个中心波长偏移量转换为相位变化量，干涉光通过第三光纤耦合器64出射发送到分波器7，分波器7将六个不同中心波长的光进行分离，并依次发送到光电转换器3，光电转换器3将探测光信号经信号处理单元4处理后发送到计算机5进行信号解调。

下面根据实施例1的变压器油流速在线监测系统对变压器绝缘油的油速监测过程进行详细说明：

当变压器的绝缘油流过光纤传感器2的圆筒状插件212时会冲击弹性钢片23，使得弹性钢片23发生形变，由于弹性钢片23发生形变的同时使得粘贴在弹性钢片23的光纤光栅24发生应变，由于光纤光栅24的应变与变压器绝缘油的流速存在关系，变压器绝缘油流速越快则光纤光栅24的应变越大。当光纤光栅24发生应变时，入射到光纤光栅24的中心波长会发生偏移，通过中心波长的偏移与变压器绝缘油的流速之间的对应关系，通过计算机5的数据处理系统对光信号的解调完成绝缘油流速的测量。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括光照系统、光纤传感器、光电转换器、信号处理单元和计算机，所述变压器的上对流口或下对流口处均设置一所述光纤传感器；

所述光照系统用于照射所述光纤传感器；每一所述光纤传感器均包括一支架，每一所述支架用于与所述上对流口入口或下对流口入口进行固定，每一所述支架内垂向固定设置一弹性钢片，每一所述弹性钢片的内侧固定设置一光纤光栅，每一所述光纤光栅的出射光均通过一光纤发送到所述光电转换器，所述光电转换器将接收的信号经所述信号处理单元处理后发送到所述计算机，所述计算机根据所述光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速。

2.如权利要求1所述的一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，所述光照系统包括可调谐激光和光纤耦合器，所述可调谐激光发出的激光依次通过所述光纤耦合器和光纤发送到所述光纤光栅，当所述光纤光栅发生应变时，经所述光纤光栅出射的激光中心波长发生偏移，发生偏移的激光按原路返回依次经所述光纤和光纤耦合器发射到所述光电转换器。

3.一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，该监测系统包括光照系统、光纤传感器、光电转换器、M-Z干涉仪、分波器、信号处理单元和计算机，所述变压器的上对流口或下对流口均设置一所述光纤传感器；

所述光照系统用于照射所述光纤传感器，每一所述光纤传感器均包括一支架，每一所述支架用于与上对流口入口或下对流口入口进行固定，每一所述支架内垂向固定设置一弹性钢片，每一所述弹性钢片的内侧固定设置一光纤光栅，所有所述光纤光栅的出光口通过一光纤依次进行串联，所有的所述光纤光栅的出射光经所述光纤发送到所述M-Z干涉仪，所述M-Z干涉仪将每个所述光纤光栅中心波长的偏移转换为相应的光强信号发送到所述分波器进行分光，所述分波器将分光后的若干不同中心波长的光依次发送到相应所述光电转换器，每一所述光电转换器将接收的信号经所述信号处理单元发送到所述计算机，所述计算机根据所述光纤光栅中心波长偏移与绝缘油对流速度的关系得到绝缘油流速。

4.如权利要求3所述的一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，所述光照系统包括宽带光源和光纤耦合器，所述宽带光源发出的宽带光依次经所述光纤耦合器和光纤依次发送到每一所述光纤光栅，当所述光纤光栅发生应变时，经所述光纤光栅出射的宽带光的中心波长发生偏移，发生偏移的光按原路返回依次经所述光纤和光纤耦合器发射到所述M-Z干涉仪。

5.如权利要求2或4所述的一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，所述光纤耦合器采用光环形器。

6.如权利要求1或3所述的一种变压器油流速在线监测系统，其特征在于，所述支架包括一环形支撑板，所述环形支撑板的内侧延伸设置一圆筒状插件，所述圆筒状插件的外径与上对流口或下对流口的管径大小匹配，保证所述光纤传感器能够刚好插入上对流口或下对流口中，所述圆筒状插件的内臂垂向固定设置所述弹性钢片，位于所述光纤光栅顶部上方的圆筒状插件和环形支撑板上均设置有用于穿设所述光纤的通孔。

Images