CN111579116A - 一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器及其测温方法，其包括温度测量单元、信号传输单元和信号解调显示处理单元，温度测量单元包括多组测温组件，其分别与变压器的顶部油杯测温接口和绕组测温接口连接，实时监测动态数据，信号传输单元一端与温度测量单元连接，另一端与信号解调显示处理单元连接，将所述温度测量单元监测到的波长变化数据传输至信号解调显示处理单元，信号解调显示处理单元处理收集到的数据，分析计算得出油面温度和绕组热点温度，同时转化为数字化数据显示。本发明通过将光纤探头外置，与标准测温接口直接对接，分析得出具体的油温和绕组温度，同时无需对传统变压器进行改造，便于拆换。

Description

一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器及测温方法

技术领域

本发明涉及变压器温控器技术领域，特别是一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器及测温方法。

背景技术

现在变压器行业普遍运用的是传统的压力式温控器，其用于测量变压器油面温度和绕组模拟温度，然而压力式温度控制器存在多种缺陷，例如铂电阻易损坏，毛细管漏液，变送器烧坏或输出误差增大，测温反应时间长等缺陷，这些缺陷除了造成不能实时监控变压器油温以外，还有可能触发油温高跳闸动作，对变压器的安全稳定运行造成影响。

随着科技的发展，现今光纤测温技术得到了广泛的应用，光纤测温技术同变压器测温技术结合，开发出了光纤式变压器温度控制器，可以有效避免压力式温控器所具有的缺陷，能够快速、准确、直观地监测变压器油面及绕组温度。

现有技术中的光纤式变压器包括光纤接头、外光纤、贯通器、内光纤以及光纤探头，光纤探头安装于内光纤上的光纤接头上，这样设置需要在变压器封外壳和注油之前将内光纤缠绕固定在铁芯上，对于变电站内已经稳定运行很多年的传统式变压器来说，要想更换新式的光纤式变压温控器，需要整体重新更换，或将其拆卸重组后重新安装，其产生的成本及损耗巨大，是不切实际的。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的变压器温控器中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中的一个目的是提供一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器及测温方法，通过将光纤探头外置，与标准测温接口直接对接，分析得出具体的油温和绕组温度，同时无需对传统变压器进行改造，便于拆换。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其包括，

温度测量单元，其包括多组测温组件，多组所述测温组件分别与变压器的顶部油杯测温接口和绕组测温接口连接，实时监测动态数据；

信号传输单元，其一端与温度测量单元连接，另一端与信号解调显示处理单元连接，将所述温度测量单元监测到的波长变化数据传输至信号解调显示处理单元；以及，

信号解调显示处理单元，其处理收集到的数据，分析计算得出油面温度和绕组热点温度，同时转化为数字化数据显示。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：多组所述测温组件至少测量两路油面温度和一路绕组温度。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：所述测温组件包括光纤探头和连接接头，

所述信号传输单元包括连接所述光纤探头与所述信号解调显示处理单元的光纤，所述光纤上还套设有金属软管和连接所述连接接头的转接件，其中，所述转接件套设于所述金属软管上，且位于所述光纤上连接所述光纤探头的一端，

所述连接接头能够滑动套设于所述转接件上，且当所述连接接头滑动至所述转接件一端时，所述光纤探头位于所述连接接头内部，当所述连接接头滑动至所述转接件另一端时，所述光纤探头伸出所述连接接头。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：所述连接接头能够与标准的测温接口螺纹连接。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：

所述转接件包括套设于所述金属软管上的对接套管，所述对接套管两端开设有压槽，所述压槽用来安装压环以压紧装设有所述金属软管的光纤，所述对接套管外侧壁上还开设有滑动槽，

所述连接接头包括与所述转接件连接的对接套筒，与所述测温接口连接的连接接口，所述对接套筒上还设置有调节件，所述调节件滑动设置于所述对接套筒的侧壁上，同时能够在滑动槽内滑动，

所述调节件与所述对接套筒之间通过弹性件连接。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：所述滑动槽上分设若干组固定点，所述固定点处的槽截面大小大于所述调节件的截面大小，且所述调节件在所述固定点处能够发生至少两个方向的位移。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的一种优选方案，其中：所述转接件还包括光纤防护罩，其同样套设于所述金属软管外部，所述光纤防护罩为橡胶接套。

一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，包括，

根据变压器油面温度和负荷电流值计算变压器绕组热点温度，

其中，油面温度由温度测量单元监测得出。

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法的一种优选方案，其中：所述变压器绕组热点温度计算包括，

设置光纤温控器主机变量的参数值，所述变量的参数值包括但不限于所测量的变压器的额定电流及铜油温差的数值；

通过外接的光纤探头监测变压器的油面温度，监测变压器的负荷电流值；

根据绕组温度计算分析得出绕组热点温度值，具体计算公式参照以下：

作为本发明所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法的一种优选方案，其中：不同时段的多组所述油面温度计算分析得出变压器顶层油温的相对温升。

本发明的有益效果：

1、通过光纤探头实时、动态测控变压器温度，且一台设备能够同时监测多个油面和绕组的温度；

2、测温与控温反应时间短，相比传统测温延时(10-25)分钟，油面与绕组温度测温延时(10-30)秒，测温速度大大提升；

3、满足传统的传感器安装方式，信号解调显示处理单元即主机的安装方式等均与传统安装方式完全相同，无需对已稳定运行长时间的变压器进行改造，方便拆换；

4、可伸缩的光纤探头配合外接的连接方式，不仅能够保护接头在不使用时不受损伤，还能够适配不同变压器测温接口的深度，同时配合光纤温控器的原理，减小测量误差；

5、数字化的显示更加便于读数，且不存在视觉误差，数据传输无损耗，量程大，开关设定点与实际动作点也不存在误差，不易损坏，方便维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明的连接示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为第二种实施例的剖面示意图。

图4为本发明中所述测温组件的具体实施方式。

图5为本发明中所述测温组件的具体实施方式。

图6为本发明中所述测温组件的具体实施方式。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

现有技术中的光纤式变压器包括光纤接头、外光纤、贯通器、内光纤以及光纤探头，光纤探头安装于内光纤上的光纤接头上，这样设置需要在变压器封外壳和注油之前将内光纤缠绕固定在铁芯上，对于变电站内已经稳定运行很多年的传统式变压器来说，要想更换新式的光纤式变压温控器，需要整体重新更换，或将其拆卸重组后重新安装，其产生的成本及损耗巨大，是不切实际的。

实施例1

参照图1、2，为本发明的第一种实施例，该实施例提供了一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，基于光栅测温技术通过能够拆卸的外接温度测量单元实时监测变压器温度，误差小，反应快，操作简单，且无需对现有的已稳定运行长时间的变压器进行改造，成本小，效果好。

具体的，所述基于光栅测温技术的外置型光纤温控器包括温度测量单元100、信号传输单元200和信号解调显示处理单元300，信号传输单元200一端与温度测量单元100连接，另一端与信号解调显示处理单元300连接，将温度测量单元100监测到的波长变化数据传输至信号解调显示处理单元300，信号解调显示处理单元300处理数据，分析计算得出油面温度a和绕组热点温度b，同时转化为数字化数据直观显示。

温度测量单元100包括多组测温组件101，测温组件101为基于光栅测温技术的光纤测温组件，温度物理量的变化导致光纤芯层光栅的栅距呈线性变化，从而引起光栅反射波长也随栅距的变化而线性变化，多组测温组件101分别与变压器400的顶部油杯测温接口401和绕组测温接口401连接，实时监测动态数据。信号传输单元200信号传输单元200包括连接光纤探头101a与信号解调显示处理单元300的光纤201，信号解调显示处理单元300为光纤温控器控制主机，其能够满足参数输入、数据处理、数据显示等功能，同时满足PT100/4-20Ma/IEC61850的通讯规约。

基于上述，光纤光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材质为石英，由芯层和包层组成，通过对芯层掺杂，使芯层折射率N1比包层折射率N2大，形成波导，光就可以在芯层传播。当芯层折射率受到周期性的调制后，即成为光栅，光栅会对入射的宽带光进行选择性的反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光刺中心波长为布拉格波长。

在光纤上用紫外光刻写光栅，10mm的光纤光栅包含了10000个在纤芯中规则分布的微小的反射镜面，光纤光栅反射光的中心波长取决于光栅的条纹间距，光栅的条纹间距取决于施加的应变和温度，如果光栅处的温度发生变化，由于热胀冷缩，光栅条纹的周期也会随温度变化，光栅布拉格也会跟随着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅处的温度变化。

基于上述光纤光栅测温原理，直接测量变压器顶层油面温度a，然后通过油面温度a和CT电流值，将对应变压器的额定电流I及铜油温差ΔT等参数值设置在装置的变量d里，并通过分析计算得出变压器绕组热点温度b。

同时，多组测温组件101至少需要测量两路油面温度a和一路绕组温度c，为了得到更精确的温度值，可适当增设测温点路，需要注意的是，测温组件101的接头应当为适配传统标准测温螺纹接口的接头，测温组件101与传统的标准测温接口401直接螺纹连接，无需对已稳定运行的传统变压器进行改装即可准确对接进行温度测量，成本低，相较于传统压力式温控器测量更加准确。

实施例2

参照图3～6，为本发明的第二种实施例，与上一个实施例不同的是，该实施例通过能够让光纤探头101a相对于测温接口401，在连接接头101b内伸缩，配合本发明与传统标准测温接口401直接连接的光纤光栅测温方式，可使所测的数据更加准确，减小了热损和误差，同时也保护了光纤探头101a不受损伤。

具体的，光纤201上还套设有金属软管201a以及与连接接头101b连接的转接件101c，其中，转接件101c套设于金属软管201a上，且位于光纤201上连接光纤探头101a的一端，转接件101c可作为光纤探头101a伸缩滑动的转接点，金属软管201a保护光纤201表面不受损伤或折损，转接件101c与金属软管201a之间的连接可参考光纤活动连接器的安装方式。

进一步的，测温组件101包括光纤探头101a和连接接头101b，连接接头101b能够滑动套设于转接件101c上，且当连接接头101b滑动至转接件101c一端时，光纤探头101a位于连接接头101b内部，保护接头在不使用时不受损伤；当连接接头101b滑动至转接件101c另一端时，光纤探头101a伸出连接接头101b，可适配不同变压器400测温接口401的深度，同时配合光纤温控器的原理，减小测量误差。该实施例中连接接头101b与标准的测温接口401螺纹连接，连接接头101b作为直接连接的部件，通过与转接件101c的连接，间接与光纤探头101a连接，连接接头101b与转接件101c之间的配合调节，改变光纤探头101a的测量深度。

基于上述，为了实现连接接头101b与转接件101c之间的配合调节，转接件101c包括套设于金属软管201a上的对接套管101c-1，对接套管101c-1两端开设有压槽101c-2，压槽101c-2用来安装压环101c-3以压紧装设有金属软管201a的光纤201，压槽101c-2与压环101c-3可通过直接接触金属软管表面利用摩擦力紧固，也可以在两者之间的贴合处通过压紧光纤201内的芳纶丝紧固，效果更好，对接套管101c-1外侧壁上还开设有滑动槽101c-4。用作与连接接头101b连接的滑动导槽。滑动槽101c-4为T型槽、梯形槽或其他能够起到滑动限位的槽型。

连接接头101b包括与转接件101c连接的对接套筒101b-1，与测温接口401连接的连接接口101b-2，对接套筒101b-1套于对接套管101c-1外部，对接套筒101b-1上还设置有调节件101b-3，调节件101b-3滑动设置于对接套筒101b-1的侧壁上，需要注意，调节件101b-3可在对接套筒101b-1的侧壁上滑动，但仍需具有不让调节件101b-3从对接套筒101b-1上脱落的必要限位结构，同时调节件101b-3能够在滑动槽101c-4内滑动，调节件101b-3作为对接套筒101b-1与对接套管101c-1之间滑动的衔接部件。

滑动槽101c-4上分设若干组固定点M，固定点M处的槽截面大小大于调节件101b-3的截面大小，同时，大于滑动槽101c-4的截面大小，即调节件101b-3在固定点M处能够发生至少两个方向的位移，即沿对接套筒101b-1的管径方向和沿对接套管101c-1的轴向两个方向位移，调节件101b-3与对接套筒101b-1之间通过弹性件101b-4连接，当弹性件101b-4始终处于拉伸状态时，调节件101b-3有向对接套筒101b-1外部运动的趋势，此时，滑动槽101c-4应当设置为倒T型槽等倒型槽，当调节件101b-3运动至固定点M处时，弹性件101b-4可带动调节件101b-3沿对接套筒101b-1管径方向滑动，并在对接套管101c-1的轴向限位，当向内按压调节件101b-3后，可解除对接套管101c-1的轴向限位；当弹性件101b-4始终处于压缩状态时，调节件101b-3有向对接套筒101b-1内部运动的趋势，此时，滑动槽101c-4应当设置为倒T型槽等倒型槽，当调节件101b-3运动至固定点M处时，弹性件101b-4可带动调节件101b-3沿对接套筒101b-1管径方向滑动，并在对接套管101c-1的轴向限位，当向外拔出调节件101b-3后，可解除对接套管101c-1的轴向限位；需要注意的是，本实施例中优选弹性件101b-4始终处于拉伸状态下的方案作为优选方案。

转接件101c还包括光纤防护罩101c-5，其同样套设于金属软管201a外部，光纤防护罩101c-5为橡胶接套。其位于压环101c-3的外侧面，防止在与光纤201交接处，光纤发生弯折断裂。

具体工作过程：将多组测温组件101的连接接口101b-2分别与变压器400的两路顶部油杯测温接口401和一路绕组测温接口401连接，按压调节件101b-3，并移动转接件101c，调节光纤探头101a在连接接头101b内的位置，调节到适当位置后，松开调节件101b-3，调节件101b-3在固定点M处沿着对接套筒101b-1管径方向滑动，并在对接套管101c-1的轴向限位，调节好后，实时监测油面温度a和绕组温度c动态数据，经过信号传输单元200将监测到的波长变化数据传输至信号解调显示处理单元300内，信号解调显示处理单元300处理数据，分析计算得出油面温度a和绕组热点温度b，同时转化为数字化数据直观显示。

实施例3

以下所述为本发明的第三种实施例，该实施例提供了一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，与上一个实施例不同的是，该实施例提供了由温控器监测的数据从而分析计算得出绕组热点温度b的方法，误差小，且不存在视觉误差，同时测温反应速度快，传输数据无损耗。

具体的，一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，包括根据变压器400油面温度a和负荷电流值计算变压器400绕组热点温度b，其中，油面温度a由温度测量单元100监测得出。

进一步的，变压器400绕组热点温度b的计算包括设置光纤温控器主机变量d的参数值，变量d的参数值包括但不限于所测量的变压器400的额定电流I及铜油温差ΔT的数值，当然变量d还包括得出绕组热点温度b所需要的其他标准参数，如热点系数H等；通过外接的光纤探头101a监测变压器400的油面温度a，监测变压器400的负荷电流值；同时根据以上变量d的设定以及绕组温度c计算分析得出绕组热点温度b值，具体计算公式可参照以下：

其中，θ_a为环境温度；Δθ_or为额定损耗时顶层油温相对环境温度的温升；K为负载系数负载电流/额定电流I；R为额定电流I时，负载损耗/空载损耗；g_r是额定电流I下变压器400绕组平均温度对油箱内绝缘油平均温度的梯度；H为热点系数。

需要注意的是，以上提供的计算公式为其中一种可通过油面温度a、绕组温度c和变量d等数值计算得出绕组热点温度b的方法，其他常用的已存在的因数与变量相同的计算方法且能够适用于本实施例中的公式均可替换该公式配套使用。

基上所述，不同时段的多组油面温度a计算分析得出变压器400顶层油温的相对温升Δθ_or，反应快误差小，不会因测温反应延时造成的变量d误差。

综上所述，通过光纤探头101a实时、动态测控变压器温度，且一台设备能够同时监测多个油面和绕组的温度；测温与控温反应时间短，相比传统测温延时(10-25)分钟，油面与绕组温度测温延时(10-30)秒，测温速度大大提升；更重要的是，满足传统的传感器安装方式，信号解调显示处理单元300即主机的安装方式等均与传统安装方式完全相同，无需对变压器进行改造，方便拆换；可伸缩的光纤探头101a配合外接的连接方式，不仅能够保护接头在不使用时不受损伤，还能够适配不同变压器400测温接口401的深度，同时配合光纤温控器的原理，减小测量误差；数字化的显示更加便于读数，且不存在视觉误差，数据传输无损耗，量程大，开关设定点与实际动作点也不存在误差，不易损坏，方便维护。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：包括，

温度测量单元(100)，其包括多组测温组件(101)，多组所述测温组件(101)分别与变压器(400)的顶部油杯测温接口(401)和绕组测温接口(401)连接，实时监测动态数据；

信号传输单元(200)，其一端与温度测量单元(100)连接，另一端与信号解调显示处理单元(300)连接，将所述温度测量单元(100)监测到的波长变化数据传输至信号解调显示处理单元(300)；以及，

信号解调显示处理单元(300)，其处理收集到的数据，分析计算得出油面温度(a)和绕组热点温度(b)，同时转化为数字化数据显示。

2.如权利要求1所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：多组所述测温组件(101)至少测量两路油面温度(a)和一路绕组温度(c)。

3.如权利要求1或2所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：所述测温组件(101)包括光纤探头(101a)和连接接头(101b)，

所述信号传输单元(200)包括连接所述光纤探头(101a)与所述信号解调显示处理单元(300)的光纤(201)，所述光纤(201)上还套设有金属软管(201a)和连接所述连接接头(101b)的转接件(101c)，其中，所述转接件(101c)套设于所述金属软管(201a)上，且位于所述光纤(201)上连接所述光纤探头(101a)的一端，

所述连接接头(101b)能够滑动套设于所述转接件(101c)上，且当所述连接接头(101b)滑动至所述转接件(101c)一端时，所述光纤探头(101a)位于所述连接接头(101b)内部，当所述连接接头(101b)滑动至所述转接件(101c)另一端时，所述光纤探头(101a)伸出所述连接接头(101b)。

4.如权利要求3所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：所述连接接头(101b)能够与标准的测温接口(401)螺纹连接。

5.如权利要求3所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：

所述转接件(101c)包括套设于所述金属软管(201a)上的对接套管(101c-1)，所述对接套管(101c-1)两端开设有压槽(101c-2)，所述压槽(101c-2)用来安装压环(101c-3)以压紧装设有所述金属软管(201a)的光纤(201)，所述对接套管(101c-1)外侧壁上还开设有滑动槽(101c-4)，

所述连接接头(101b)包括与所述转接件(101c)连接的对接套筒(101b-1)，与所述测温接口(401)连接的连接接口(101b-2)，所述对接套筒(101b-1)上还设置有调节件(101b-3)，所述调节件(101b-3)滑动设置于所述对接套筒(101b-1)的侧壁上，同时能够在滑动槽(101c-4)内滑动，

所述调节件(101b-3)与所述对接套筒(101b-1)之间通过弹性件(101b-4)连接。

6.如权利要求5所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：所述滑动槽(101c-4)上分设若干组固定点(M)，所述固定点(M)处的槽截面大小大于所述调节件(101b-3)的截面大小，且所述调节件(101b-3)在所述固定点(M)处能够发生至少两个方向的位移。

7.如权利要求5所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器，其特征在于：所述转接件(101c)还包括光纤防护罩(101c-5)，其同样套设于所述金属软管(201a)外部，所述光纤防护罩(101c-5)为橡胶接套。

8.一种基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，其特征在于：包括，根据变压器(400)油面温度(a)和负荷电流值计算变压器(400)绕组热点温度(b)，

其中，油面温度(a)由温度测量单元(100)监测得出。

9.如权利要求8所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，其特征在于：所述变压器(400)绕组热点温度(b)计算包括，

设置光纤温控器主机变量(d)的参数值，所述变量(d)的参数值包括但不限于所测量的变压器(400)的额定电流(I)及铜油温差(ΔT)的数值；

通过外接的光纤探头(101a)监测变压器(400)的油面温度(a)，监测变压器(400)的负荷电流值；

根据绕组温度(c)计算分析得出绕组热点温度(b)值，具体计算公式参照以下：

10.如权利要求9所述的基于光栅测温技术的外置型光纤温控器的测温方法，其特征在于：不同时段的多组所述油面温度(a)计算分析得出变压器(400)顶层油温的相对温升(Δθ_or)。

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