CN106646097B - 采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于电力变压器安全监测技术领域的一种采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统。该变压器绕组变形在线监测系统的宽带光源分别连接耦合器和M‑Z干涉仪，耦合器后面串联1‑n个光纤光栅应变传感器；在M‑Z干涉仪后面依次串联分波器、光电探测器、信号处理单元和工控机；该系统将光栅反射后的光信号经M‑Z干涉仪干涉后，进行相位调制，经过分波器将干涉后的光按波长分离并分别进入光电探测器转变为电信号，再经过信号处理单元处理后传输至工控机。本发明的光纤光栅应变传感器能够实时在线监测线圈之间的轴向形变状况，实现实时监测变压器绕组整体轴向形变。

Description

采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统
技术领域
本发明属于电力变压器安全监测技术领域，特别涉及一种采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统。
技术背景
电力变压器是发、输、配电系统中的重要设备，其性能和质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益，绕组又是变压器的重要组成部分。
变压器绕组载流后会在其所处空间及其周围空间建立起轴向和辐向的漏磁场；处于该磁场中的绕组本身又要受到“洛伦兹力”或者称之为电磁力的作用，电磁力在变压器绕组材料中产生机械应力，并部分地传到变压器其它元件上。在正常运行时，电磁力并不大，但是发生短路时，绕组受到的短路电磁力将剧增，达到正常值的几十倍，甚至几百倍，足以引起变压器绕组产生变形；即电力变压器在运行过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击，一旦短路故障发生在变压器出口附近，如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等变形现象，严重时会导致突发性损坏事故。因此，开展变压器绕组应力、变形测试研究势在必行，对防止变压器事故的发生有重要的作用。
目前电力系统中常用的监测变压器绕组变形的方法是短路阻抗法、频率响应法、振动监测法等。
短路阻抗法、频率响应法都需要安排设备停电进行试验，无法做到在线监测。振动监测法虽然可以在线监测，但该方法是通过监测油箱壁上振动来反映绕组振动继而反映绕组变形情况，无法做到直接监测，易受变压器的运行方式、制造工艺、环境和温度变化的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统，其特征在于，该变压器绕组变形在线监测系统包括：宽带光源、M-Z干涉仪、耦合器、光纤光栅应变传感器、分波器、光电探测器、信号处理单元、和工控机；其中，宽带光源1分别连接耦合器2和M-Z干涉仪4，耦合器2后面串联1-n个光纤光栅应变传感器3；在M-Z干涉仪4后面依次串联分波器5、光电探测器6、信号处理单元7和工控机8；所述M-Z干涉仪为马赫曾德干涉仪；
所述宽带光源为该系统主要光源，可稳定发出特定波长范围内的光的光源。
所述M-Z干涉仪包括输入、输出两个耦合器，两个耦合器之间并联测量臂和参考臂，测量臂和参考臂为光程不同的两臂，用于对光进行相位干涉。
所述分波器具有波分复用功能，将不同波长的光按波长进行分离。
所述光电探测器用于将反射光转换为电信号。
所述信号处理单元将收到的电信号处理后传输至工控机。
所述工控机为终端平台，用于呈现变压器绕组变形位置压力信号，实现变压器绕组变形的在线监测。
所述光纤光栅应变传感器采用耐油橡胶—丁腈橡胶作为封装物，丁腈橡胶将光纤光栅应变传感器封装成薄片，然后“嵌入每相绕组底部压靴处对称开的3个槽”中，在线监测变压器绕组的形变状况，将得到变压器绕组变形位置的压力信号通过耦合器传输至M-Z干涉仪，实现实时监测变压器绕组整体轴向形变。
所述丁腈橡胶封装的光纤光栅应变传感器适应变压器绕组特殊的油环境，满足传感器的寿命要求。
所述在每相绕组的接近顶部的、中间位置、接近底部的三个位置对称3个线饼中钉入传感器，这些传感器外形与垫块相似，以替代垫块。这些传感器可实时监测线圈之间的轴向形变。“将光栅封入片状的丁腈橡胶，并在内绕组撑条上开槽，将其嵌入撑条上的上中下3个位置”，这些传感器可实时监测绕组整体幅向形变。
所述变压器绕组变形在线监测系统将光栅反射后的光信号经M-Z干涉仪干涉后，进行相位调制，经过分波器将干涉后的光按波长分离并分别进入光电探测器转变为电信号，再经过信号处理单元处理后传输至工控机。
本发明有益效果是所构建的在线监测系统可以直接在线监测绕组压力变化情况，了解绕组变形情况，保障变压器正常安全运行。不同于传统方法的停电检查和间接在线测量，本发明将成熟的光纤传感技术应用于变压器状态监测领域内，测量结果直接明了准确，减少误差，更是减少延时，做到真正的实时监测。
附图说明
图1为变压器绕组变形在线监测系统结构示意图。
图2为变压器绕组模型图，其中a为变压器绕组单相的结构；b为绕组的局部 AA放大示意图。
图3为应用丁腈橡胶封装光栅应变传感器结构示意图
具体实施方式
本发明提供一种采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统，该变压器绕组变形在线监测系统包括：宽带光源、M-Z干涉仪、耦合器、光纤光栅应变传感器、分波器、光电探测器、信号处理单元、和工控机；下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述。
图1所示为变压器绕组变形在线监测系统结构示意图。图中，宽带光源1分别连接耦合器2和M-Z干涉仪4，耦合器2后面串联1-n个光纤光栅应变传感器 3；在M-Z干涉仪4后面依次串联分波器5、光电探测器6、信号处理单元7和工控机8；所述M-Z干涉仪为马赫曾德干涉仪。
实施例1
由于绕组所处于变压器油中，目前一般的光纤光栅应变传感器无法适应变压器油环境，无法满足至少10年的寿命要求，本发明采用一种耐油性极好的橡胶—丁腈橡胶对光纤光栅进行封装，以期满足其寿命要求，封装结构如图3所示，可根据具体位置将丁腈橡胶加工成不同形状大小，使其满足空间要求，装入变压器绕组压靴和线饼中。
实施例2
图2是变压器绕组单相的结构图，图中a为变压器绕组单相的结构，压靴10 位于绕组底部，隔离绕组使其不直接接地；撑条9位于绕组与绕组之间和内绕组与铁芯之间，是隔离内外绕组、内绕组与铁芯的，作为绕组的层间支撑和绝缘，并形成散热油道或风道；垫块11是单个绕组中线圈与线圈之间的绝缘物，作为支撑和绝缘用(如图中b为绕组的局部AA放大示意图所示)；在内绕组与铁芯间中的撑条9上纵向开条槽，这条槽在变压器效果图上来说是由上至下的，在分别对应上中下绕组位置的安装传感器。每相绕组上有3个撑条，即每相9个传感器，总共27个；经常在变压器绕组变形时发生短路，即变压器绕组经受短路电动力发生变行。短路电动力是由漏磁场和短路电流相互作用产生的，短路电动力被分为辐向电动力和轴向电动力。轴向电动力在变压器绕组端部最大，辐向电动力在变压器绕组中部最大，因此变压器绕组中两个端部和中部三个位置是监测重点。
为了有效测量整体变压器绕组轴向形变，将裸光栅封装入丁腈橡胶中，并将橡胶制成薄片状(如图3所示)，并在压靴10上开槽，每相绕组的两个端部和中部三个位置对称嵌入3个应变传感器。
为了有效测量线圈之间轴向形变，将丁腈橡胶加工成垫块大小，并向其中封入裸光栅，每相每绕组分别选取上中下3个位置，每个位置对称打入3个传感器 (此时不需打入垫块)。
为了有效测量绕组辐向形变，将丁腈橡胶加工成片状，并在内绕组撑条上开槽，将其嵌入在撑条中对应上中下3个位置。
实施例3
对于绕组在线监测系统，实施如下：
本发明所使用绕组在线监测系统如图1所示，包括：M-Z干涉仪、耦合器、分波器、光电探测器、信号处理单元、工控机。
所述宽带光源发出具有稳定带宽的光波，射入光纤中，在准分布式光纤光栅传感器周围应变发生变化，使反射光波的波长发生变化。
所述耦合器将不同波长的反射波耦合在一起传入M-Z干涉仪；M-Z干涉仪通过将光分为两束经过不同光程的两臂后完成干涉，得到干涉光。
所述分波器将完成干涉后的光按波长分为不同光分别传入光电探测器，光电探测器将反射的光信号转换为电信号。
所述信号处理单元对电信号进行算法处理，得到光波长，继而得知每个传感器的压力值，并传入工控机。工控机通过软件汇编呈现结果。

Claims (2)

1.一种采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统，其特征在于，该变压器绕组变形在线监测系统包括：宽带光源、M-Z干涉仪、耦合器、光纤光栅应变传感器、分波器、光电探测器、信号处理单元、和工控机；其中，宽带光源(1)分别连接耦合器(2)和M-Z干涉仪(4)，耦合器(2)后面串联1-n个光纤光栅应变传感器(3)；在M-Z干涉仪(4)后面依次串联分波器(5)、光电探测器(6)、信号处理单元(7)和工控机(8)；所述M-Z干涉仪为马赫曾德干涉仪；
所述光纤光栅应变传感器采用耐油橡胶—丁腈橡胶作为封装物，丁腈橡胶将光纤光栅应变传感器封装成薄片；在每相绕组的接近顶部的、中间位置、接近底部的三个位置对称3个线饼中钉入光纤光栅应变传感器，然后“嵌入每相绕组底部压靴处对称开的3个槽”中；这些光纤光栅应变传感器外形与垫块相似，以替代垫块；这些光纤光栅应变传感器实时在线监测线圈之间的轴向形变状况，将得到变压器绕组变形位置的压力信号通过耦合器传输至M-Z干涉仪，实现实时监测变压器绕组整体轴向形变；
所述M-Z干涉仪包括输入、输出两个耦合器，两个耦合器之间并联测量臂和参考臂，测量臂和参考臂为光程不同的两臂，用于对光进行相位干涉。
2.根据权利要求1所述采用光纤光栅应变传感器的变压器绕组变形在线监测系统，其特征在于，变压器绕组变形在线监测系统将光栅反射后的光信号经M-Z干涉仪干涉后，进行相位调制，经过分波器将干涉后的光按波长分离并分别进入光电探测器转变为电信号，再经过信号处理单元处理后传输至工控机。
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