CN112882166A - 一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构及其使用方法，属于测温原件及方法领域，针对现有结构不能兼顾温度敏感性和绝缘可靠性、机械可靠性和测量结果准确度差的问题，采用技术方案如下：一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，包括内置裸光纤的绝缘软管护套以及第一封胶堵头和第二封胶堵头，裸光纤的第一端从第一封胶堵头穿出形成第一光纤尾纤，裸光纤的第二端固定于第二封胶堵头上，第一光纤尾纤的端部连有连接头，绝缘软管护套上开设多个油孔。本发明中绝缘软管护套上开设通孔，绝缘软管护套置于变压器的绝缘油中使用，兼顾了绝缘性能温度敏感性，保证了测量准确度和机械可靠性。且该封装结构的使用方法能够减少干扰和实现校准。

Description

一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构及其使用方法

技术领域

本发明属于测温原件及方法领域，特别涉及一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构及其使用方法。

背景技术

油浸式电力变压器作为我国电力系统中大量投用的关键设备之一，进行多参量的在线监测、及时掌握其运行状态、确保电力变压器的稳定运行，为提高电力系统可靠性以及控制电网运行费用提供有效保障，对建设智慧电网具有非常重要的意义。

在电力变压器的众多参量中，热点温度是掌握变压器运行状态最直接和有效的核心状态量之一。目前用于普通电网等级电力变压器内部温度的在线测量方法主要有：热电阻、热电耦测温及光纤测温。变压器的热点温度通常出现在绕组某处，为更真实地还原变压器内部的实际运行状态，必须对变压器核心特征参量源对象进行直接分布式测量。因此，热电阻、热电偶等金属温度传感器对于该目标已不再适用。光纤传感技术因其无源性、多物理敏感、精度高、抗干扰性强、响应速度快、可实现分布式测量等众多优势，已逐渐被应用于各个领域，拥有较为成熟的技术及应用基础，其在电力变压器状态检测方面的应用也具有广泛的前景。

与其他传感器相比，光纤光栅温度传感器具有结构简单、抗电磁干扰性强、可应用在恶劣的环境中，以及易实现分布式多点传感网络等优点。光纤光栅温度传感器利用Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生“波长移位”的原理制成，技术相对成熟，已广泛应用于变压器内部温度监测系统中。专利公布号为CN110954242A的发明公开了一种基于光纤光栅的分布式液体温度传感器，包括测温光纤光栅、不锈钢毛细管、基体、热缩管，光纤跳线，光纤光栅去掉涂覆层后穿过弯曲的毛细管，并与毛细钢管轴线不平行，在不锈钢毛细管两端分别通过胶黏剂将光纤固定在基体的中心区域，胶黏剂覆盖的光纤区域无涂覆层，通过上述封装，确保光纤光栅 能够抵御外部拉力，以及毛细管由于热胀冷缩带来的光纤伸长量，隔绝热应力的影响。

但现有光栅光纤测温传感器存在以下问题：1.现有封装结构没有同时实现温度敏感性和绝缘可靠性。常见的光纤外护套通常是采用绝缘材料紧密包裹裸光纤的方式对光纤进行保护和封装，裸纤上的光栅无法与外部环境直接接触，这样容易减弱裸纤对外部环境的温度敏感性。为了加强温度敏感性，一部分光纤采用了金属封装，例如用于桥梁、隧道、海洋测温等领域，利用金属的高热膨胀系数对光纤光栅起到一个增敏作用。然而，变压器内绕组饼与饼之间、高压和低压绕组之间空间狭小，金属封装显然不适用于变压器绕组温度测量，容易造成短路而破坏绝缘可靠性。2.现有光纤安装使用方式降低了机械可靠性和测量结果准确度。将光纤固定于绕组上时，通常采用长光纤直接多点固定的方式，变压器绕组由于受到电磁力等的作用会有一定的伸缩和振动等，而安装时将光纤直接紧贴于绕组上，由于长度整好，几乎没有移动的裕度，光纤容易随绕组的振动或伸缩而撕裂或扯断，降低了其机械可靠性，严重时导致栅区长度改变，导致信号解调结果的准确度降低。

发明内容

针对现有光纤测温的温度敏感性和绝缘可靠性不足、机械可靠性和测量结果准确度差的问题，本发明提供一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构及其监测方法，采用的结构适用于油浸式电力变压器，既能满足绝缘可靠性，又满足温度敏感性和测量准确度，同时还具有较好的机械可靠性。

本发明采用技术方案如下：一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，包括内置裸光纤的绝缘软管护套以及封堵在绝缘软管护套两端的第一封胶堵头和第二封胶堵头，裸光纤的第一端从第一封胶堵头穿出形成第一光纤尾纤，裸光纤的第二端固定于第二封胶堵头上，所述第一光纤尾纤的端部连有连接头，以方便连接法兰或其他封装结构的第一光纤尾纤，所述绝缘软管护套上开设多个通孔，作为向绝缘软管护套内填充变压器油的油孔。

常见的密封型护套往往内部绝缘介质为气体，为了避免引入气体作为附加的绝缘材料，本发明将绝缘软管护套设计成非密封形式，即在绝缘软管护套上开设通孔，并向绝缘护套内填充变压器油，使用时绝缘软管护套置于变压器的变压器油中，一方面，保证裸光纤处于绝缘环境中，具有较好的绝缘性能，同时减少外来介质，有利于维护变压器内部的油绝缘系统，避免了金属封装和引入外来绝缘介质对变压器油绝缘系统可靠性的破坏；另一方面，油能通过油孔进行内外交换，裸光纤能够直接接触到外部环境，保证了温度敏感性。此外，本发明中，裸光纤仅有两端固定，中间段不受力，处于松弛状态，有效减少受力对测量结果的影响，保证了测量准确度，装配时也不需要裸光纤与绝缘软管护套的长度保持一致，这样裸光纤在绝缘软管护套内具有一定的活动裕度，当绕组发生移位或伸缩时也不容易被扯断，保证其具有良好的机械可靠性。

进一步地，所述裸光纤上刻有多段间隔设置的Bragg光栅，相邻的两Bragg光栅的间距从裸光纤一端向另一端逐渐减小。由以往文献并综合实测和仿真可知，绕组热点温度往往出现在绕组偏上部分，在绕组上缠绕测温光纤封装结构时，Bragg光栅能够按照不同的疏密度排布，这样更有利于寻找热点位置，同时减少数据冗余。

进一步地，所述裸光纤上涂覆聚酰亚胺层。该种涂层耐高温、耐腐蚀，已被广泛应用于油中测温的场景，具有较高的可靠性。

进一步地，所述第一封胶堵头外侧设有第一热缩管，所述第一热缩管套置在所述绝缘软管护套上，并将第一封胶堵头围住，以防止第一封胶堵头滑出。

进一步地，所述第一热缩管设有延伸段，所述第一光纤尾纤从所述延伸段穿过。延伸段对第一光纤尾纤起到一定的保护作用，防止其在外力作用下硬性折断，同时也方便整理尾纤，由于第一光纤尾纤不需要承担测温功能，没有必要进行特殊封装，可将这一结构视为第一光纤尾纤套置护套；绝缘软管护套具有一定的硬度和管径，采用这一结构方便连接其他封装结构，较好地解决多股光纤汇合时不利于节省空间这一问题。

进一步地，所述第二封胶堵头外侧设有第二热缩管，所述第二热缩管套置在所述绝缘软管护套上，并将第二封胶堵头围住，防止第二封胶堵头滑出。

进一步地，所述裸光纤的第二端设有第二光纤尾纤，所述第一光纤尾纤与第一封胶堵头以及所述第二光纤尾纤与第二封胶堵头均通过高温胶实现固定连接。这样的固定方式有效防止纤细的裸光纤在绝缘软管护套内大幅度位移跑纤，高温环境作用下使用时也不会丧失固定作用。

进一步地，所述绝缘软管护套采用透明的绝缘材料，以方便观察绝缘软管护套内盛装油量。

上述封装结构的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，组装好适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构；

步骤2，采用器具向油孔中注油，使得适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构中的绝缘软管护套内初步填充变压器油；

步骤3，将初步填充变压器油的绝缘软管护套浸入变压器中的变压器油中，挤出绝缘软管护套内的气泡并填充空隙，使得绝缘软管护套内外的变压器油充分混合，压强保持一致，这有助于油流的微小交换；

步骤4，将测温光纤封装结构缠绕在变压器的绕组上，在绕组的上部缠绕较密、下部较疏，这样有利于寻找热点位置；

步骤5，进行全线测试，获得各段Bragg光栅安装后的光谱特性基线；

步骤6，采用测温光纤封装结构测量变压器的绕组温度，获得各段Bragg光栅的结果曲线，将结果曲线减去步骤5获得的光谱特性基线，获得矫正曲线。

采用除了通过上述测试方式，从根本上消除Bragg光栅段受力变形造成的偏差之外，考虑到实际实施安装时可能出现的弯曲、拉扯等干扰，进而改变了Bragg光栅段长度的问题，本方法在测温光纤封装结构缠绕固定后先进行一次全线测试，获得各个光栅段在安装后的光谱特性基线，并在后续测试中将得到的结果曲线减去基线，从而达到减少干扰和实现校准的目的。

本发明具有的有益效果：

1.本发明的结构中采用带油孔的绝缘软管护套的非密封结构，并通过油孔向绝缘软管护套内填充变压器油，使用时绝缘软管护套置于变压器的变压器油中，既能保证裸光纤处于绝缘环境中，还能通过油孔实现变压器油内外交换，兼顾了裸光纤的绝缘性和温度敏感度；裸光纤仅有两端固定，中间段不受力，处于松弛状态，有效减少受力对测量结果的影响，当绕组发生移位或伸缩时也不容易被扯断，保证其具有良好的机械可靠性；

2.本发明在测温光纤封装结构缠绕固定后先进行一次全线测试，获得各个光栅段在安装后的光谱特性基线，并在后续测试中将得到的结果曲线减去基线，从而达到减少干扰和实现校准的目的。

附图说明

图1为适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构的示意图；

1-裸光纤；2-Bragg光栅；3-绝缘软管护套；4-油孔；5-第一封胶堵头； 6-第一热缩管；61-延伸段；7-第一光纤尾纤；8-连接头；9-第二封胶堵头；10-第二光纤尾纤；11-第二热缩管。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例为适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，如图1所示，包括内置裸光纤1的绝缘软管护套3以及封堵在绝缘软管护套3两端的第一封胶堵头5和第二封胶堵头9，裸光纤1的第一端从第一封胶堵头5穿出形成第一光纤尾纤7，裸光纤1的第二端固定于第二封胶堵头9上，所述第一光纤尾纤7的端部连有连接头8，以方便连接法兰或其他封装结构的第一光纤尾纤7，所述绝缘软管护套3上开设多个通孔，作为向绝缘软管护套3内填充变压器油的油孔4。

常见的密封型护套往往内部绝缘介质为气体，为了避免引入气体作为附加的绝缘材料，本发明将绝缘软管护套3设计成非密封形式，即在绝缘软管护套3上开设通孔，并向绝缘护套内填充变压器油，使用时绝缘软管护套3置于变压器的变压器油中，一方面，保证裸光纤1处于绝缘环境中，具有较好的绝缘性能，同时减少外来介质，有利于维护变压器内部的油绝缘系统，避免了金属封装和引入外来绝缘介质对变压器油绝缘系统可靠性的破坏；另一方面，油能通过油孔4进行内外交换，裸光纤1能够直接接触到外部环境，保证了温度敏感性。此外，本发明中，裸光纤1仅有两端固定，中间段不受力，处于松弛状态，有效减少受力对测量结果的影响，保证了测量准确度，装配时也不需要裸光纤1与绝缘软管护套3的长度保持一致，这样裸光纤1在绝缘软管护套3内具有一定的活动裕度，当绕组发生移位或伸缩时也不容易被扯断，保证其具有良好的机械可靠性。

所述裸光纤1上刻有多段间隔设置的Bragg光栅2，相邻的两Bragg光栅2的间距从裸光纤1一端向另一端逐渐减小。由以往文献并综合实测和仿真可知，绕组热点温度往往出现在绕组偏上部分，在绕组上缠绕测温光纤封装结构时，Bragg光栅2能够按照不同的疏密度排布，这样更有利于寻找热点位置，同时减少数据冗余。

所述裸光纤1上涂覆聚酰亚胺层。该种涂层耐高温、耐腐蚀，已被广泛应用于油中测温的场景，具有较高的可靠性。

所述第一封胶堵头5外侧设有第一热缩管6，所述第一热缩管6套置在所述绝缘软管护套3上，并将第一封胶堵头5围住，以防止第一封胶堵头5滑出。

所述第一热缩管6设有延伸段61，所述第一光纤尾纤7从所述延伸段61穿过。延伸段61对第一光纤尾纤7起到一定的保护作用，防止其在外力作用下硬性折断，同时也方便整理尾纤，由于第一光纤尾纤7不需要承担测温功能，没有必要进行特殊封装，可将这一结构视为第一光纤尾纤7套置护套；绝缘软管护套3具有一定的硬度和管径，采用这一结构方便连接其他封装结构，较好地解决多股光纤汇合时不利于节省空间这一问题。

所述第二封胶堵头9外侧设有第二热缩管11，所述第二热缩管11套置在所述绝缘软管护套3上，并将第二封胶堵头9围住，防止第二封胶堵头9滑出。

进一步地，所述裸光纤1的第二端设有第二光纤尾纤10，所述第一光纤尾纤7与第一封胶堵头5以及所述第二光纤尾纤10与第二封胶堵头9均通过高温胶实现固定连接。这样的固定方式有效防止纤细的裸光纤1在绝缘软管护套3内大幅度位移跑纤，高温环境作用下使用时也不会丧失固定作用。

所述绝缘软管护套3采用透明的绝缘材料，以方便观察绝缘软管护套3内盛装油量。

实施例2

实施例1的封装结构的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，组装好适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构；

步骤2，采用器具向油孔4中注油，使得适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构中的绝缘软管护套3内初步填充变压器油；

步骤3，将初步填充变压器油的绝缘软管护套3浸入变压器中的变压器油中，挤出绝缘软管护套3内的气泡并填充空隙，使得绝缘软管护套3内外的变压器油充分混合，压强保持一致，这有助于油流的微小交换；

步骤4，将测温光纤封装结构缠绕在变压器的绕组上，在绕组的上部缠绕较密、下部较疏，这样有利于寻找热点位置；

步骤5，进行全线测试，获得各段Bragg光栅2安装后的光谱特性基线；

步骤6，采用测温光纤封装结构测量变压器的绕组温度，获得各段Bragg光栅2的结果曲线，将结果曲线减去步骤5获得的光谱特性基线，获得矫正曲线。

采用除了通过上述测试方式，从根本上消除Bragg光栅2段受力变形造成的偏差之外，考虑到实际实施安装时可能出现的弯曲、拉扯等干扰，进而改变了Bragg光栅2段长度的问题，本方法在测温光纤封装结构缠绕固定后先进行一次全线测试，获得各个光栅段在安装后的光谱特性基线，并在后续测试中将得到的结果曲线减去基线，从而达到减少干扰和实现校准的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

Claims (8)

1.一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，包括内置裸光纤（1）的绝缘软管护套（3）以及封堵在绝缘软管护套（3）两端的第一封胶堵头（5）和第二封胶堵头（9），裸光纤（1）的第一端从第一封胶堵头（5）穿出形成第一光纤尾纤（7），裸光纤（1）的第二端固定于第二封胶堵头（9）上，所述第一光纤尾纤（7）的端部连有连接头（8），所述绝缘软管护套（3）上开设多个通孔，作为向绝缘软管护套（3）内填充变压器油的油孔（4）。

2.根据权利要求1所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述裸光纤（1）上刻有多段间隔设置的Bragg光栅（2），相邻的两Bragg光栅（2）的间距从裸光纤（1）一端向另一端逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述第一封胶堵头（5）外侧设有第一热缩管（6），所述第一热缩管（6）套置在所述绝缘软管护套（3）上，并将第一封胶堵头（5）围住。

4.根据权利要求3所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述第一热缩管（6）设有延伸段（61），所述第一光纤尾纤（7）从所述延伸段（61）穿过。

5.根据权利要求1或2所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述第二封胶堵头（9）外侧设有第二热缩管（11），所述第二热缩管（11）套置在所述绝缘软管护套（3）上，并将第二封胶堵头（9）围住。

6.根据权利要求1所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述裸光纤（1）的第二端设有第二光纤尾纤（10），所述第一光纤尾纤（7）与第一封胶堵头（5）以及所述第二光纤尾纤（10）与第二封胶堵头（9）均通过高温胶实现固定连接。

7.根据权利要求1所述的适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构，其特征在于，所述绝缘软管护套（3）采用透明的绝缘材料。

8.一种适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，组装好适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构；

步骤2，采用器具向油孔（4）中注油，使得适用于变压器内嵌的测温光纤封装结构中的绝缘软管护套（3）内初步填充变压器油；

步骤3，将初步填充变压器油的绝缘软管护套（3）浸入变压器中的变压器油中，挤出绝缘软管护套（3）内的气泡并填充空隙，使得绝缘软管护套（3）内外的变压器油充分混合，压强保持一致；

步骤4，将测温光纤封装结构缠绕在变压器的绕组上，在绕组的上部缠绕较密、下部较疏；

步骤5，进行全线测试，获得各段Bragg光栅（2）安装后的光谱特性基线；

步骤6，采用测温光纤封装结构测量变压器的绕组温度，获得各段Bragg光栅（2）的结果曲线，将结果曲线减去步骤5获得的光谱特性基线，获得矫正曲线。

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