一种基于分布式光纤传感的变压器绕组检测系统
技术领域
本发明涉及电力设备检测技术领域,尤其是一种基于分布式光纤传感的变压器绕组检测系统。
背景技术
电力变压器在电力系统中具有重要地位,其安全运行直接影响着供电的可靠性与安全性。统计显示,绝缘损坏是变压器故障最主要的原因,绕组是故障率最高的部位。绕组的温度和变形检测的精确度和实时性对变压器的安全运行具有重要意义。
目前对变压器的温度检测方法有顶层油温法、荧光光纤测温法和光纤光栅测温法等。顶层油温法测量准确度较低,测量范围较小;荧光光纤测温精度较高,但是属于点式测温,对不同部位的测量需要增加传感器数量,测量范围有限;光纤光栅测温虽可以进行准分布式测量,本质仍是点式测温。一根光纤上的光栅数量有限,难以进行长距离的测量,无法反映绕组温度真实分布。
目前,绕组变形离线诊断的主要方法有短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应分析法。但离线检测难以满足电气设备在线监测与状态评估的发展趋势,并且存在灵敏性较差,难以识别绕组变形方式等缺陷。而变压器绕组带电检测方法还处于研究阶段,且抗干扰能力弱,重复性差,受现场电磁环境因素影响较大。
分布式光纤传感技术凭借分布式测量方式、测量距离长、具有抗电磁干扰和高绝缘强度的优势被广泛应用于建筑、桥梁、边坡等大型基体的状态监测。在电气领域中也应用于海底电缆、架空输电线路等电气设备的温度、应变的测量,具有非常广阔的应用前景。目前基于分布式光纤传感技术的变压器绕组温度、应变的检测鲜有报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于分布式光纤传感的变压器绕组检测系统,能够解决现有技术的不足,实现绕组温度、应变的同时测量,得到绕组温度和应变分布曲线,对局部热点和变形位置进行定位,为变压器状态监测技术提供新的研究思路。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案如下。
一种基于分布式光纤传感的变压器绕组检测系统,包括,
计算机,用于对检测数据进行运算;
两套并联设置的BOTDR系统,两套BOTDR系统分别与单模光纤和多模光纤连接;
单模光纤和多模光纤绕制在光纤复合式绕组上,光纤复合式绕组表面缠绕有加热电阻丝。
作为优选,所述BOTDR系统包括控制模块、脉冲光信号产生模块、连续光信号产生模块、探测模块、测试光纤模块和波分复用器;脉冲光信号产生模块与测试光纤模块连接,连续光信号产生模块与测试光纤模块连接;脉冲光信号产生模块与连续光信号产生模块连接,脉冲光信号产生模块还通过波分复用器与探测模块连接;控制模块分别与脉冲光信号产生模块、连续光信号产生模块和探测模块连接,并控制脉冲光信号产生模块、连续光信号产生模块和探测模块之间的光信号传输;
脉冲光信号产生模块包括第一激光器、第一耦合器、第一调制器、第一光纤放大器、第一滤波器、偏振控制器和三端口环形器;第一激光器与第一耦合器的输入端连接,第一耦合器的第一输出端与第一调制器的输入端连接,第一调制器的输出端与第一光纤放大器的输入端连接,第一光纤放大器的输出端与第一滤波器的输入端连接,第一滤波器的输出端与偏振控制器的输入端连接,偏振控制器的输出端与三端口环形器的第一端口连接,三端口环形器的第二端口与测试光纤的第一端口连接;
探测模块包括第一光开关、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集器、第二耦合器和低通滤波器;第一光开关的第一输出端与第二耦合器的第一输入端连接,第一光电探测器的输出端与数据采集器的第一输入端连接,第一光开关的第二输出端与第二光电探测器的输入端连接,第二光电探测器的输出端与数据采集器的第二输入端连接,第二耦合器的第一输出端和第二输出端分别与第三光电探测器的第一输入端和第二输入端连接,第三光电探测器的输出端与低通滤波器的输入端连接,低通滤波器47的输出端与数据采集器的第三输入端连接;
连续光信号产生模块包括第二调制器、第二光纤放大器、第二滤波器和第二光开关;第二调制器的输入端与第一耦合器的第二输出端连接,第二调制器的输出端与第二滤波器的输入端连接,第二光开关的第一输出端与测试光纤的第二端口连接,第二光开关的第二输出端与第二耦合器的第二输入端连接;
控制模块包括控制单元,控制单元分别与第一调制器的控制输入端、第一光纤放大器的控制输入端、偏振控制器的控制输入端、第一光开关的控制输入端、第二调制器的控制输入端、第二光纤放大器的控制输入端和第二光开关的控制输入端连接,并控制控制输入端的导通;
还包括波分复用器,波分复用器内置滤光片;脉冲光信号产生模块还与探测模块连接具体为:波分复用器的输入端与三端口环形器的第三端口连接,波分复用器的第一输出端与第一光开关的输入端连接,波分复用器的第二输出端和第三输出端分别与第一光电探测器的第一输入端和第二输入端连接;
还包括光信号分析器,光信号分析器与数据采集器的输出端连接,对数据采集器输出的光信号进行分析,并得到测试光纤的温度和应变信息。
作为优选,所述单模光纤和多模光纤外侧包裹有扁铜线,扁铜线与模光纤和多模光纤接触的位置涂刷有绝缘漆层,扁铜线的外表面包裹有绝缘纸。
作为优选,所述扁铜线上开设有安装槽,单模光纤和多模光纤位于安装槽内,安装槽的截面积小于扁铜线截面积的2%。
作为优选,所述单模光纤作为应变传感光纤,多模光纤作为温度传感光纤。
作为优选,所述单模光纤和多模光纤表面有聚酰亚胺涂覆层。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于:本发明设计研制的光纤复合式导线,可实现绕组温度、应变的同时测量,得到绕组温度和应变分布曲线,对局部热点和变形位置进行定位,为变压器状态监测技术提供新的研究思路。其凭借分布式测量方式、测量距离长、具有抗电磁干扰和高绝缘强度的优势被广泛应用于建筑、桥梁、边坡等大型基体的状态监测。在电气领域中也应用于海底电缆、架空输电线路等电气设备的温度、应变的测量,具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中BOTDR系统的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中光纤的结构图。
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买,异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制,各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段,在此不再详述。
参照图1-3,本发明一个具体实施方式包括,
计算机1,用于对检测数据进行运算;
两套并联设置的BOTDR系统2,两套BOTDR系统2分别与单模光纤3和多模光纤4连接;
单模光纤3和多模光纤4绕制在光纤复合式绕组5上,光纤复合式绕组5表面缠绕有加热电阻丝6。
所述BOTDR系统2包括控制模块10、脉冲光信号产生模块20、连续光信号产生模块30、探测模块40、测试光纤模块50和波分复用器60;脉冲光信号产生模块20与测试光纤模块50连接,连续光信号产生模块30与测试光纤模块50连接;脉冲光信号产生模块20与连续光信号产生模块30连接,脉冲光信号产生模块20还通过波分复用器60与探测模块40连接;控制模块10分别与脉冲光信号产生模块20、连续光信号产生模块30和探测模块40连接,并控制脉冲光信号产生模块20、连续光信号产生模块30和探测模块40之间的光信号传输;
脉冲光信号产生模块20包括第一激光器21、第一耦合器22、第一调制器23、第一光纤放大器24、第一滤波器25、偏振控制器26和三端口环形器27;第一激光器21与第一耦合器22的输入端连接,第一耦合器22的第一输出端与第一调制器23的输入端连接,第一调制器23的输出端与第一光纤放大器24的输入端连接,第一光纤放大器24的输出端与第一滤波器25的输入端连接,第一滤波器25的输出端与偏振控制器26的输入端连接,偏振控制器26的输出端与三端口环形器27的第一端口连接,三端口环形器27的第二端口与测试光纤51的第一端口连接;
探测模块40包括第一光开关41、第一光电探测器42、第二光电探测器43、第三光电探测器44、数据采集器45、第二耦合器46和低通滤波器47;第一光开关41的第一输出端与第二耦合器46的第一输入端连接,第一光电探测器42的输出端与数据采集器45的第一输入端连接,第一光开关41的第二输出端与第二光电探测器43的输入端连接,第二光电探测器43的输出端与数据采集器45的第二输入端连接,第二耦合器46的第一输出端和第二输出端分别与第三光电探测器44的第一输入端和第二输入端连接,第三光电探测器44的输出端与低通滤波器47的输入端连接,低通滤波器47的输出端与数据采集器45的第三输入端连接;
连续光信号产生模块30包括第二调制器31、第二光纤放大器32、第二滤波器33和第二光开关34;第二调制器31的输入端与第一耦合器22的第二输出端连接,第二调制器31的输出端与第二滤波器33的输入端连接,第二光开关34的第一输出端与测试光纤51的第二端口连接,第二光开关34的第二输出端与第二耦合器46的第二输入端连接;
控制模块10包括控制单元11,控制单元11分别与第一调制器23的控制输入端、第一光纤放大器24的控制输入端、偏振控制器26的控制输入端、第一光开关41的控制输入端、第二调制器31的控制输入端、第二光纤放大器32的控制输入端和第二光开关34的控制输入端连接,并控制控制输入端的导通;
还包括波分复用器60,波分复用器60内置滤光片;脉冲光信号产生模块20还与探测模块40连接具体为:波分复用器60的输入端与三端口环形器27的第三端口连接,波分复用器60的第一输出端与第一光开关41的输入端连接,波分复用器60的第二输出端和第三输出端分别与第一光电探测器42的第一输入端和第二输入端连接;
还包括光信号分析器70,光信号分析器70与数据采集器45的输出端连接,对数据采集器45输出的光信号进行分析,并得到测试光纤51的温度和应变信息。
单模光纤21和多模光纤22外侧包裹有扁铜线23,扁铜线23的内表面涂刷有绝缘漆层24,扁铜线23的外表面包裹有绝缘纸25。
扁铜线23上开设有安装槽,单模光纤21和多模光纤22位于安装槽内,安装槽的截面积小于扁铜线23截面积的2%。
单模光纤21作为应变传感光纤,多模光纤22作为温度传感光纤。
单模光纤21和多模光纤22表面有聚酰亚胺涂覆层。
本发明的测量原理为:
入射脉冲光在光纤中传播时,会发生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中,拉曼散射光只对温度敏感,且拉曼散射又分成斯托克斯和反斯托克斯散射光,反斯托克斯散射光对温度敏感,而斯托克斯散射光受温度影响较小,而且这两种散射光的光强度与温度变化成比例:
式中:Ias为反斯托克斯光强度;Is为斯托克斯光强度;α为温度相关系数;c为真空中的光速;h为普朗克系数;T为温度值;k波尔兹曼常数;v为拉曼偏移量。
对式(2)进一步推导得到式(3),从而实现了基于拉曼散射的温度测量,即通过测量及计算分析斯托克斯和反斯托克斯光的强度之比可以得到测温点的温度:
布里渊散射频移与光纤材料中的声速有关,声速会受到光纤材料的热光效应和弹光效应的影响,而热光效应和弹光效应与光纤材料的折射率、杨氏模量、泊松比和密度有关,因此光纤中温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的变化。其结果表现为光纤的轴向应变和温度与布里渊频移具有很好的线性关系,即
vB(T,ε)=vB0(T0,ε0)+CvTΔT+CvεΔε (3)
式中:υB(T,ε)为光纤在温度T和应变ε下的布里渊频移;υB0(T0,ε0)为光纤在初始温度T0和初始应变ε0下的布里渊频移;CυT、Cυε为布里渊频移的温度和应变响应系数;ΔΤ、Δε为相对于初始温度和初始应变的变化量。
因此,在利用布里渊散射进行光纤的温度和应变测量时,应对温度和应变传感信息进行有效区分。本发明采用布里渊-拉曼联合测量法,将应变传感光纤与温度传感光纤等长铺设在同一温度环境中,联合式(2)和式(3)求解得到准确的温度ΔΤ和应变Δε:
通过本发明对于光纤安装方式的设计,使得导线的载流能力和机械强度基本没有影响。变压器内部除了绕组还有铁芯、铁轭、夹件等机械部件,还有变压器油流、器身振动等干扰因素。传统的电气测量方法往往受以上因素的影响,测量精度较低。但光纤测量的检测频率一般在10GHz以上,基本不受器身振动信号的影响;同时应变检测光纤与导线一体化,与导线同步变形,测量得到的应变曲线仅与导线本身的变形情况有关。为保证光纤在变压器高温环境下稳定工作,采用聚酰亚胺涂覆层的耐高温光纤,其可稳定工作于200℃以上的环境中。
由于绕组变形大多出现在低压绕组上,为分析分布式光纤对绕组匝间电场的影响,以一台容量为31.5MVA的某三相110kV变压器低压绕组所用导线进行建模,建立二维开槽导线模型。导线宽2mm,高6mm,凹槽宽和深均为0.3mm,导线表面为0.45mm厚度的绝缘纸。为避免开槽处出现极不均匀电场,同时避开导线边角处的场强畸变区域,设置凹槽到边角的距离为导线宽面长度的25%,与导线表面交汇处设置半径为0.1mm的圆角。光纤为双层结构,纤芯直径为0.125mm,涂覆层直径为0.25mm。对于10kV低压绕组来说,相邻匝间电位差约为40V。各个材料的相对介电常数如表1所示。可以看出,导线开槽后电场最大值位于凹槽圆角处,达到65.1V/mm,相比于导线圆角处场强提高了13%,远不足以影响油纸的绝缘性能,凹槽内部电场强度远小于匝间电场强度。
为检验实际导线开槽对绝缘的影响,对开槽前后的导线进行匝间工频电压击穿试验,在导线间加入3层绝缘纸。对导线开槽前后进行匝间工频击穿电压测试,取10次测试结果的平均值。测试发现导线开槽前工频击穿电压平均为6.82kV,开槽后的工频击穿电压为6.75kV,并且击穿位置均在导线边缘,没有出现在凹槽处击穿的情况,可以认为在导线宽面开槽对绕组的绝缘性能没有影响。
变压器在承受短路电动力的冲击时由于高低压绕组中电流方向相反,使得两个绕组之间辐向短路力的作用方向相互排斥[。低压绕组在整个圆周上均受到向内压缩应力。由于绕组通常绕在撑条上,因此相邻两撑条间的导线在辐向短路力的作用下还将产生弯曲应力。当光纤与导线发生同步形变时,光纤也将受到压缩应力和弯曲应力的共同作用。
当与端部距离超过0.0125m时,传感光纤应变传递系数为1。根据材料力学理论,由于变压器绕组的直径远大于导线宽度和厚度,可将导线作为小曲率梁按照直线梁计算弯曲正应力。
下面进行弯曲应变传递系数计算,首先作以下假设:
1)光纤、胶层和基体的各交界面在弯矩的作用过程中始终紧密连接;
2)各层材料均为各向同性,且为线弹性体。
3)光纤形心与胶层形心重合。
4)导线和凹槽的均无圆角。
当导线受辐向短路力作用时,选取模型截面对称轴与中性层的交点为坐标原点。为化简计算,将导线截面分为6个区域,y1,y2,y3,y4,y5和y6分别为各部分形心到导线底部的距离,由此可知,y2=y3=y4=y5=y6。
根据材料力学中的物理关系可知:
其中:σi(i=1,2,...,6)分别为对应序号区域的应力;Ei(i=1,2,...,6)分别为对应区域的弹性模量,显然E1=E2=E6;ρ为光纤复合式导线的曲率半径;y为任意层与中性层在y轴上的距离。
结合静矩的定义,可得光纤复合式导线中性层到底部的距离yc为:
根据材料力学可得模型任意层的应变为:
式中Ii(i=1,2,...,6)分别为各区域对x轴的惯性矩,其中:
结合式(6)和式(7)可得光纤中心处应变和导线表面应变为:
导线表面应变为:
其中:ym为导线表面到底层的距离。
根据公式可以看出,光纤的应变与光纤形心到中性层的距离有关,光纤越接近导线表面则应变越大,对导线变形检测灵敏度越高。由于BOTDR具有一定的空间分辨率,在空间分辨率的长度内测量的应变量为标距内的平均应变,因此取应变在感知长度内的平均值。
其中:2l为测量空间分辨率的长度。
光纤应变传递率为:
当导线受轴向力发生弯曲变形时,光纤中心应变计算方法与上文相同。
本发明按一台31.5MVA的110kV变压器低压绕组尺寸绕制出螺旋式绕组模型,为方便设置变形采用8根导线并绕,将最外圈导线换成上文所述方法研制的光纤复合式导线。最终制成外径700mm,共40饼,总长约为90m的绕组模型。为引出传感信号,消除首端盲区和尾端反射对测量结果造成的误差,在模型首尾端分别连接20m光纤尾纤。为模拟真实变压器中绕组温度分布不均和局部过热,在第10-12饼和第30-32饼最外侧导线并绕粘贴一根电阻丝进行加热,总长约20m。采用热电偶测量导线表面温度进行对比测量。
BOTDR技术利用单模光纤作为传感元件,由于光纤材料和制作工艺的差异,不同厂家、型号和护套材料的单模紧套光纤性能参数有一定的差异。因此,实验前需对传感光纤进行温度标定和应变标定试验。本发明对使用的单模光纤进行了多次标定试验,得到其温度系数为1.32MHz/℃,应变系数为0.0528MHz/με。
在制作线圈的过程中,导线和光纤将承受换位,拉拽等制作工艺的影响。为确保光纤在绕制过程中不被损坏,采用BOTDR全程监测光纤应变曲线,利用ROTDR测温系统测量绕组导线上的温度曲线,根据式(4)进行温度补偿。光纤贴附线圈绕制过程中受到拉伸力,应变变化量小于1400με,远小于光纤应变测量范围,表明分布式光纤传感器保持了良好的应变监测性能。光纤温度在20℃左右,精确度达到±1℃,符合测量要求。
利用调压器分别对第10-12饼和第30-32饼导线上的电阻丝加压使绕组升温至40℃和60℃,并用热电偶测量对应导线上的温度作为参考值。
为了更直观的分析测量结果,基于上述绕组模型参数,将绕组升温实际和实测位置、分布式光纤对升温部分绕组测量的平均温度和标准热电偶测量的平均温度进行比较,如表1所示。
表1结果对比
Tab.2Result comparison
可以看出,温度变化的测量位置比实际位置略有增加,这是由于ROTDR系统测量的空间分辨率为2m,测量得数据实际上是空间分辨率内的平均温度,因此在温度突变的位置有约2m的温度响应过渡距离。基于分布式光纤传感的绕组温升部位的测量温度与标准热电偶的测量结果误差<±2℃,说明了基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统具有较高的测量精度,未缠绕电阻丝的导线温度保持在20℃左右,系统能够准确的对绕组温度变化位置进行定位。同时系统的响应时间约为5s-10s,对绕组的温度变化具有较高的响应速度,能够实时反映绕组的温度分布。
温度补偿前BOTDR系统测量的频移曲线具有较大的变化,对光纤的温度变化具有较高的测量灵敏度。在经过拉曼测温系统的温度补偿后,绕组的应变曲线与原始应变保持一致,相关系数达到0.999,应变误差<50με,表现出联合测量系统对温度和应变区分测量具有较高的精度。
变压器在发生短路故障时受到短路电动力的作用发生绕组变形的同时导线由于短路电流的热效应而发生温度突变。因此对第30-32饼导线上的电阻丝加压使导线温度增加至40℃,同时将第30-34饼相邻两撑条间导线设置辐向鼓包变形。
BOTDR系统测量的频移曲线受到温度和应变的综合影响,在ROTDR系统测量得到温度曲线后,解算出真实应变曲线。从表2中可以看出,BOTDR系统测量得到的绕组变形范围比温升范围大,这与实际的试验设置一致。但由于BOTDR系统的空间分辨率设置为5m,导致测量的应变突变范围较实际设置范围大,并且由于光纤测量的应变为空间分辨率内的平均应变,因此光纤测量的应变较导线实际应变低的多。
表2结果对比
Tab.3Result comparison
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。