CN111238681A - 用于电力变压器的分布式测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于电力变压器的分布式测温系统及方法，该系统包括脉冲激光器、波分复用器、分布式光纤、光电转换器、数据采集卡与工控机，其中，波分复用器包括光纤耦合器与分光器，脉冲激光器的输出端与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的第一输出端与分布式光纤连接；光纤耦合器的第二输出端与分光器的输入端连接，分光器的多个输出端分别与光电转换器的输入端连接；光电转换器的输出端与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端与工控机的输入端连接。本申请充分利用了分布式光纤和拉曼散射的特点，根据拉曼散射光强随介质分子所处的温度变化而相应变化的结论测量光纤不同位置处的温度，提高了光纤测温的效率。

Description

用于电力变压器的分布式测温系统及方法

技术领域

本申请涉及电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种用于电力变压器的分布式测温系统及方法。

背景技术

变压器内部局部过热会影响电网的稳定性和可靠性，也会对电网公司造成一定的损失。变压器发生过热性故障时，其油纸绝缘性能将减弱，当油纸绝缘效果减弱到一定程度时，会影响变压器的寿命，严重时将直接导致变压器故障。

目前，常规的变压器温度测量主要依靠两种方法：一种是电信号测量法，如热电阻、热电偶等，该类传感器是目前应用最多最广泛的一种，但极易受到变压器内部高电压、强磁场的影响且使用寿命有限，测量精度不高。另一种是红外测温法，该方法为非接触式测温，便于人工操作，但易受到背景噪声和电磁环境的干扰且测量误差较大。

但是，电信号测量变压器温度或红外测量变压器温度时只能单点测量，导致变压器温度测量效率较低。

发明内容

本申请提供了一种用于电力变压器的分布式测温系统及方法，以解决目前变压器温度测量只能单点测量，导致测量效率较低问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种用于电力变压器的分布式测温系统，包括脉冲激光器、波分复用器、分布式光纤、光电转换器、数据采集卡与工控机，其中，

所述波分复用器包括光纤耦合器与分光器，所述脉冲激光器的输出端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的第一输出端与所述分布式光纤连接；

所述光纤耦合器的第二输出端与所述分光器的输入端连接，所述分光器的多个输出端分别与所述光电转换器的输入端连接；所述光电转换器的输出端与所述数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端与所述工控机的输入端连接。

可选的，所述分布式光纤包括测温组件及与所述测温组件连接的信号传输组件，其中，

所述信号传输组件与所述光纤耦合器连接，所述信号传输组件包括石英光纤与套设在所述石英光纤外部的光纤保护器件；

所述测温组件包括石英玻璃管及位于所述石英玻璃管内的测温件，所述石英玻璃管朝向信号传输组件的一侧设有开口，所述石英光纤通过所述开口插入所述石英玻璃管内；所述测温件设置于所述石英光纤上。

可选的，所述石英光纤螺旋缠绕在变压器绕组上。

可选的，所述光电转换器的输入端与所述分光器的输出端一一对应。

可选的，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，频率为50kHz。

可选的，所述光电转换器的光谱响应范围为900-1700nm。

可选的，所述石英光纤为耦合效率高的62.5/125μm多模光纤。

第二方面，本申请实施例还提供了一种用于电力变压器的分布式测温方法，应用于第一方面所述的用于电力变压器的分布式测温系统，所述方法包括：

脉冲激光器射出的光脉冲进入光纤；

接收所述光脉冲在所述光纤内部发生的拉曼散射光信号；

将接收的光信号进行分离，并将分离后的光信号转换为电信号；

将所述电信号转化为数字信号后传输给工控机进行信号处理，解调得到变压器待测温度。

可选的，将接收的光信号进行分离，并将分离后的光信号转换为电信号，包括：

通过分光器将接收的拉曼散射光信号分离为斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号；

通过双路光电转换器将所述斯托克斯光信号与所述反斯托克斯光信号分别转换为电信号。

可选的，将所述电信号转化为数字信号后传输给工控机进行信号处理，解调得到变压器待测温度，包括：

所述工控机根据所述数字信号分别计算得到斯托克斯光强与反斯托克斯光强；

计算所述斯托克斯光强与所述反斯托克斯光强的光强比；

根据所述光强比解调得到所述变压器待测温度。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：本申请提供的用于电力变压器的分布式测温系统包括脉冲激光器、波分复用器、分布式光纤、光电转换器、数据采集卡与工控机，其中，波分复用器包括光纤耦合器与分光器，脉冲激光器的输出端与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的第一输出端与分布式光纤连接，即脉冲激光器发射的光脉冲通过光纤耦合器进入分布式光纤，光脉冲在分布式光纤的光线内发生拉曼散射光；光纤耦合器的第二输出端与分光器的输入端连接，分光器的多个输出端分别与光电转换器的输入端连接，光电转换器的输出端与数据采集卡的输入端连接，数据采集卡的输出端与工控机的输入端连接，即通过采集和分析在光纤内产生的拉曼散射光强度和传输时间得到光纤不同位置处的温度情况。本申请充分利用分布式光纤和拉曼散射的特点，根据拉曼散射光强随介质分子所处的温度变化而相应变化的结论测量光纤不同位置处的温度变化，从而测量出变压器不同位置的温度，不需要在变压器密集的多点位置上都采用单点光纤测温，能够极大提高光纤测温的效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种用于电力变压器的分布式测温系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的用于电力变压器的分布式测温系统中分布式光纤的结构图；

图3为本申请实施例提供的一种用于电力变压器的分布式测温方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种用于电力变压器的分布式测温系统的结构图。

如图1所示，本申请实施例提供的用于电力变压器分布式测温系统包括脉冲激光器100、波分复用器200、分布式光纤300、光电转换器400、数据采集卡500与工控机600，其中，

波分复用器200包括光纤耦合器201与分光器202，脉冲激光器100的输出端与光纤耦合器201的输入端连接，光纤耦合器201的第一输出端与分布式光纤300连接。也就是说，脉冲激光器100发射光脉冲，射出的光脉冲通过光纤耦合器201从分布式光纤300的一端进入，光脉冲在光纤300内部发生拉曼散射。拉曼散射指光与被穿越的透明介质发生一种相互作用，并散射出一低频率、弱光强的光波，拉曼散射技术可以提供快速、简单、可重复、无损伤的物质性定量分析。本示例中，波分复用器200每通道的插入损耗在1dB以内，隔离度大于25dB。

脉冲激光器100发射的光脉冲通过光纤耦合器201进入分布式光纤300后，经过τ/2(τ为激光脉宽)的时间到达脉冲后沿，光脉冲和脉冲后沿发生的散射光一起返回光纤始端，可以知道这一散射发生的位置在

处，其中，c为光在真空中传播的速度，单位为m/s，n为光纤折射率。

脉冲激光器100频率的选定需要保证激光能够到达光纤的尾部并返回，以此完成以此完整的测温过程，激光频率与测温距离之间的关系式为：

式(1)中，f为激光中心频率，c为光速，n为光纤折射率，L为测温距离。为了保证测温距离足够长，需要控制激光的频率在一定范围内，为了达到一定的空间分辨率，激光的脉宽也需要控制在较小的值。本示例中，脉冲激光器100的中心波长为1550nm，频率为50kHz，脉宽为9ns。

如图2所示，分布式光纤300包括测温组件302及与测温组件302连接的信号传输组件301，信号传输组件301与光纤耦合器201连接，测温组件302测得的信号通过信号传输组件301传输至光纤耦合器201，即光脉冲在光纤内部发生的拉曼散射光信号在光纤始端被接收，之后传输至光纤耦合器201进行信号传输、处理。本示例中，石英光纤选用了耦合效率高的62.5/125μm多模光纤。

信号传输组件301包括石英光纤3011与套设在石英光纤3011外部的光纤保护器件3012，利用该光纤保护器件3012将石英光纤3011定性，避免拉伸引起的光纤损坏。

测温组件302包括石英玻璃管3021及位于石英玻璃管3021内的测温件3022，石英玻璃管3021朝向信号传输组件301的一侧设有开口，石英光纤3011通过开口插入石英玻璃管3021内；测温件3022设置在石英光纤3011上。使用时，将石英光纤缠绕在变压器绕组上，测温组件302位于变压器绕组上，通过信号传输组件301将拉曼散射光信号传输至安装在变压器油箱上的波分复用器200，即通过光纤耦合器201接收光纤内的拉曼散射光信号。

光纤耦合器201的第二输出端与分光器202的输入端连接，分光器202的多个输出端分别与光电转换器400的输入端连接；光电转换器400的输出端与数据采集卡500的输入端连接，数据采集卡500的输出端与工控机600的输入端连接。本示例中，光电转换器400的光谱响应范围为900-1700nm，响应度为8.5A/W，信号光电流响应度为100mV/nA，参考光电流响应度为50mV/nA，电路上升沿为5ns，电路带宽为150MHz。数据采集卡500采样率为100MHz，采样精度为0.1％。

本示例中，光纤耦合器201接收的拉曼散射光信号包括斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号，且斯托克斯光强不随温度变化而变化，反斯托克斯光强随温度变化而变化，因此可通过反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度的比值来解调变压器的温度信息。基于上述原理，需要将光纤耦合器201接收到的拉曼散射光信号进行分离，通过分光器202将斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号分离开，之后再分别对斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号进行处理。

分光器202将分离后的斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号分别输出至光电转换器400中，本申请的光电转换器400为双路光电转换器，双路光电转换器具有两个输入端，与分光器202的两个输出端一一对应，从而分别将分光器202输出的斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号转换为电信号。

光电转换器400将斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号分别转换为电信号后，将电信号输出至数据采集卡500，数据采集卡500将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至工控机600，工控机600根据数字信号进行解调，得到变压器不同位置处的温度变化。

具体地，以反斯托克斯光本身作为参考信号进行解调，已知温度T₀时光纤中反斯托克斯光的光强为：

计算得到温度变化时的光强与已知温度T₀下的光强之比为：

根据式(3)求解任意温度T与已知温度T₀下反斯托克斯光的光强比可解调处待测温度信息为：

以斯托克斯光作为参考信号进行解调，斯托克斯光的光强表达式为：

式(5)中，λ_s为斯托克斯光的波长。

根据是(2)与式(5)计算得到反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比为：

分别测出温度T及已知温度T₀下的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比，然后将温度T与温度T₀下的光强比相除，得到：

根据式(7)求解可解调处待测温度T为：

本申请实施例提供的用于电力变压器的分布式测温系统充分利用了分布式光纤和拉曼散射的特点，光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、反应灵敏等优点，可以用于复杂多变的环境中，根据拉曼散射光强随介质分子所处的温度变化而相应变化的结论测量光纤不同位置的温度变化，从而得到变压器绕组不同位置处的温度，采用分布式光纤代替了多个单点式光纤，不需在密集的变压器多点位置上采用单点光纤测温，达到了只需一根分布式光纤就能够连续测量的目的，提高了光纤测温的效率。

基于上述实施例所述的用于电力变压器的分布式测温系统，本申请实施例还提供了一种用于电力变压器的分布式测温方法。

如图3所示，本申请实施例提供的用于电力变压器的分布式测温方法包括：

S100：脉冲激光器射出的光脉冲进入光纤。

S200：接收光脉冲在光纤内部发生的拉曼散射光信号。

S300：将接收的光信号进行分离，并将分离后的光信号转换为电信号。

S400：将电信号转换为数字信号后传输给工控机进行信号处理，解调得到变压器待测温度。

本申请利用分布式光纤进行测温，分布式光纤的基本原理为拉曼散射效应和光时域反射技术，机采用光时域反射技术来解调拉曼散射信号，具体方法为：脉冲激光器发射光脉冲，光脉冲通过光纤耦合器从分布式光纤的一端输入，在光纤中产生拉曼散射光信号，将产生的拉曼散射光信号传输至光纤耦合器，之后又光纤耦合器输出至分光器，分光器将接收的拉曼散射光信号分离为斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号，之后通过双路光电转换器将斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号分别转换为电信号，之后通过数据采集卡将电信号转换为数字信号，再通过工控机分别计算得到斯托克斯光强与反斯托克斯光强，最后通过斯托克斯光强与反斯托克斯光强的光强比，解调得到变压器相应的位置和温度信息，还可解调得到关于整根光纤的不同位置处的温度曲线。

本申请实施例提供的用于电力电压器的分布式测温方法基于分布式光纤的耐腐蚀、精度高、抗电磁干扰、反应灵敏、可连续性测温的特性，有利于实现对电力电压器的温度测量，且采用分布式光纤代替了多个单点式光纤，达到了只需要一根分布式光纤就能够连续测量的目的，极大地提高了光纤测温的效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，包括脉冲激光器、波分复用器、分布式光纤、光电转换器、数据采集卡与工控机，其中，

所述波分复用器包括光纤耦合器与分光器，所述脉冲激光器的输出端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的第一输出端与所述分布式光纤连接；

所述光纤耦合器的第二输出端与所述分光器的输入端连接，所述分光器的多个输出端分别与所述光电转换器的输入端连接；所述光电转换器的输出端与所述数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡的输出端与所述工控机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述分布式光纤包括测温组件及与所述测温组件连接的信号传输组件，其中，

所述信号传输组件与所述光纤耦合器连接，所述信号传输组件包括石英光纤与套设在所述石英光纤外部的光纤保护器件；

所述测温组件包括石英玻璃管及位于所述石英玻璃管内的测温件，所述石英玻璃管朝向信号传输组件的一侧设有开口，所述石英光纤通过所述开口插入所述石英玻璃管内；所述测温件设置于所述石英光纤上。

3.根据权利要求2所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述石英光纤螺旋缠绕在变压器绕组上。

4.根据权利要求1所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述光电转换器的输入端与所述分光器的输出端一一对应。

5.根据权利要求1所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，频率为50kHz。

6.根据权利要求1所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述光电转换器的光谱响应范围为900-1700nm。

7.根据权利要求2所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述石英光纤为耦合效率高的62.5/125μm多模光纤。

8.一种用于电力变压器的分布式测温方法，应用于权利要求1-7任一项所述的用于电力变压器的分布式测温系统，其特征在于，所述方法包括：

脉冲激光器射出的光脉冲进入光纤；

接收所述光脉冲在所述光纤内部发生的拉曼散射光信号；

将接收的光信号进行分离，并将分离后的光信号转换为电信号；

将所述电信号转化为数字信号后传输给工控机进行信号处理，解调得到变压器待测温度。

9.根据权利要求8所述的用于电力变压器的分布式测温方法，其特征在于，将接收的光信号进行分离，并将分离后的光信号转换为电信号，包括：

通过分光器将接收的拉曼散射光信号分离为斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号；

通过双路光电转换器将所述斯托克斯光信号与所述反斯托克斯光信号分别转换为电信号。

10.根据权利要求9所述的用于电力变压器的分布式测温方法，其特征在于，将所述电信号转化为数字信号后传输给工控机进行信号处理，解调得到变压器待测温度，包括：

所述工控机根据所述数字信号分别计算得到斯托克斯光强与反斯托克斯光强；

计算所述斯托克斯光强与所述反斯托克斯光强的光强比；

根据所述光强比解调得到所述变压器待测温度。

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