CN113126007B - 一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置及方法 - Google Patents

一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置及方法，所述测量装置包括：光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤环形器、传感器探头、光学温度传感器、信号处理装置以及连接以上各部分的光纤。所述传感器探头由准直器、偏振片、磁光晶体、反射镜以及外部封装的硬质聚合物组成，所述传感器探头不含金属材料；所述方法应用上述测量装置，由传感器探头将光源发出的光转为线偏振光，经各部件的光路转化得到携带漏磁信息的线偏振光，之后经光纤环形器导入信号处理器装置，实现漏磁分布式在线测量，同时补偿温度和光源功率波动对漏磁测量结果的影响，提高漏磁场测量结果的准确性和可靠性。

Description

一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置及方法
技术领域
本发明属于电气测量技术领域，具体涉及一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置。
背景技术
变压器作为电能输送的核心设备之一，其安全稳定运行对电力系统的安全性和能源互联网的建设至关重要，一旦故障将造成巨大的经济损失以及电力系统风险，因此，实现变压器状态透明化十分紧迫。但目前对变压器状态参量的全方位监测缺乏必要手段，无法实时掌握变压器健康状况，限制变压器状态透明化的发展。传统的对超声、特高频、油色谱等状态参量的监测发展较为成熟，短期内难以取得突破性进展，所以发展基于新状态参量的监测，对变压器状态透明化意义重大。
变压器内部是一个多物理场环境，无论发生何种内部故障，都会产生各种明显、灵敏反映运行状态的特征量，如磁场、压力、超声等。变压器在正常运行和匝间短路、绕组变形等故障的工况下，变压器内部漏磁场的时空分布会发生巨大变化，因此，研究基于漏磁场状态参量的在线监测手段，有利于进一步完善变压器状态透明化。
对于变压器漏磁场的实测研究，目前仅见利用基于电磁感应的金属探测线圈对变压器漏磁场进行测量，但金属探测线圈的存在会对变压器绝缘造成严重威胁，严重限制其应用，难以实现变压器漏磁场在线测量。
申请号为201710380093.9的中国发明专利《一种变压器绕组相间漏磁场的测量方法和系统》公开了一种变压器绕组相间漏磁场的测量方法和系统，该漏磁场测量系统主要包括磁感应传感器、电动势测量装置、磁密度计算装置等，该测量系统能够提高测量漏磁场的精度。但是，该测量系统中，磁感应传感器为金属探测线圈，而金属探测线圈的存在会对变压器绝缘造成严重威胁，难以对变压器漏磁场进行在线测量。
申请号为201810545439.0的中国发明专利《一种变压器异常漏磁监测系统》公开了一种变压器异常漏磁监测系统，该系统在磁屏蔽上缠绕线圈，并使线圈的两端分别穿过油箱的侧壁并连接录波装置，通过监测电压信号实现漏磁测量。但是，该测量系统的线圈仍为金属材料，严重威胁变压器绝缘。并且该系统的线圈安装位置固定，只能测量磁屏蔽内的漏磁，不能对变压器其他位置的漏磁进行测量。
申请号为201811271089.X的中国发明专利《一种基于漏磁检测的变压器铁芯剩磁估算方法》则公开了一种基于漏磁检测的变压器铁芯剩磁估算方法，其中，所应用的漏磁检测元件为霍尔传感器。但是由于霍尔传感器含有金属材料，同样会威胁变压器绝缘，同样难以实现变压器漏磁场的在线测量。
由此可见，现有技术中，难以避免金属探测线圈的存在，对变压器漏磁场的在线测量构成了挑战，因此，需要研究一种能实现油浸式变压器内部漏磁场在线测量的装置。
发明目的
本发明的目的即在于应对现有技术的不足，提供一种油浸式变压器内部漏磁场在线测量装置，以解决现有技术无法对油浸式变压器内部漏磁场进行在线测量的问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了
一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，包括：光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、第一光纤环形器(4)、第一传感器探头(5)、第一光学温度传感器(6)、第二光纤环形器(7)、第二传感器探头(8)、第二光学温度传感器(9)、信号处理装置(10)以及连接上述各部件的光纤(11)；
所述光源(1)连接第一光纤耦合器(2)后，分两路分别连接至第二光纤耦合器(3)和所述信号处理装置(10)，第二光纤耦合器(3)分两路分别连接至第一光纤环形器(4)和第二光纤环形器(7)；所述第一光纤环形器(4)分两路分别连接至第一传感器探头(5)和所述信号处理装置(10)；所述第二光纤环形器(7)分两路分别连接至第二传感器探头(8)和所述信号处理装置(10)；所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)，分别用于测量第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)的环境温度，进而获得该温度下磁光晶体的费尔德常数，对漏磁测量结果进行修正，补偿温度对测量结果的影响；所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)分别与所述信号处理装置(10)连接；所述信号处理装置(10)分为两个模块，其中，第一模块与第一光学温度传感器(6)及第二光学温度传感器(9)组成光学温度传感系统，实现温度测量；第二模块对来自第一光纤耦合器(2)所携带光源功率波动信息的光信号、第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)所携带漏磁信息的光信号、第一光学温度传感器(6)及第二光学温度传感器(9)所携带的温度信息的光信号进行处理，获得所述油浸式变压器漏磁测量结果；
所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)不含金属材料，置于油浸式变压器内部，都由依次连接的准直器(51)、偏振片(52)、磁光晶体(53)、反射镜(54)以及外部封装体(55)组成，所述外部封装体(55)的材料为硬质聚合物，将所述准直器(51)、偏振片(52)、磁光晶体(53)、反射镜(54)封装在内部。
优选地，所述第二光纤耦合器(3)，将入射光束按1:1的分光比分为2束光分别进入传第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)，实现两点漏磁的分布式测量；通过选择更大功率的光源(1)以及更多分路的第二光纤耦合器(3)，即可扩展漏磁测量点数量实现更多点漏磁的分布式测量。
优选地，所述第一光纤耦合器(2)，将入射光束按一定的分光比分为第一光束和第二光束，第一光束进入信号处理装置(10)，第二光束进入第二光纤耦合器(3)；通过信号处理装置(10)实时测量所述第一光束的光功率波动，获得光源(1)的光源功率波动信息，对漏磁测量结果进行修正，从而补偿光源功率波动对测量结果的影响。
优选地，所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)为光纤光栅温度传感器、荧光光纤温度传感器和砷化镓光纤温度传感器中的任一种。
根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述本发明所述油浸式变压器漏磁场在线测量装置的漏磁场在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1：通过光源(1)发出光，经第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)后，一部分光经第一光纤环形器(4)进入第一传感器探头(5)，经过第一传感器探头(5)中的偏振片(52)转变为线偏振光；另一部分光第二光纤环形器(7)进入第二传感器探头(8)，经过第二传感器探头(8)中的偏振片(52)转变为线偏振光；
步骤2：步骤1中所述线偏振光分别在经过第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的磁光晶体(53)时，在变压器漏磁场的作用下产生法拉第旋转角；接着经第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)内部的反射镜(54)作用，则所述线偏振光再次经过所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的磁光晶体(53)将法拉第旋转角加倍，此时法拉第旋转角的变化携带漏磁信息；
步骤3：所述法拉第旋转角加倍的线偏振光再次经过所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的偏振片(52)，此时，偏振片(52)将携带漏磁信息的法拉第旋转角变化转变为线偏振光的光功率变化；
步骤4：携带漏磁信息的线偏振光从所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中传出后，分别经由第一光纤环形器(4)、第二光纤环形器(7)进入所述信号处理装置(10)；所述信号处理装置(10)检测到光功率变化，获得初步的漏磁测量结果，经过基于第一光纤耦合器(2)的光源功率波动补偿以及基于所述第一光学温度传感器(6)、第二光学温度传感器(9)的温度补偿后，分别获得所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)的漏磁测量结果，从而实现了分布式漏磁测量。
附图说明
图1为本发明所提供的油浸式变压器漏磁场在线测量装置示意图。
图2为本发明所提供的传感器探头结构示意图。
附图标记：
1-光源、2-第一光纤耦合器、3-第二光纤耦合器、4-第一光纤环形器、5-第一传感器探头、6-第一光学温度传感器、7-第二光纤环形器、8-第二传感器探头、9-第二光学温度传感器、10-信号处理装置、器件间的实线为11-光纤；11-光纤、51-准直器、52-偏振片、53-磁光晶体、54-反射镜、55-硬质聚合物封装体。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做岀创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种油浸式变压器内部漏磁场在线测量装置，实现变压器漏磁分布式在线测量，同时补偿温度和光源功率波动对漏磁测量结果的影响，提高漏磁场测量结果的准确性和可靠性，解决现有技术无法对油浸式变压器漏磁场进行在线测量的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。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他的附图。
如图1所示，一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，包括：光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、第一光纤环形器(4)、第一传感器探头(5)、第一光学温度传感器(6)、第二光纤环形器(7)、第二传感器探头(8)、第二光学温度传感器(9)、信号处理装置(10)、以及连接各部分的光纤(11)。
在实际应用中，油浸式变压器漏磁场在线测量装置的基本原理为：光源(1)输出的光经第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)后，一部分光经第一光纤环形器(4)进入第一传感器探头(5)；经过处于变压器内部的第一传感器探头(5)中的偏振片(52)后，变为线偏振光；线偏振光经过第一传感器探头(5)中的磁光晶体(53)时，在变压器漏磁场的作用下产生法拉第旋转角；后经第一传感器探头(5)内部的反射镜(54)作用，线偏振光再次经过磁光晶体(53)，法拉第旋转角加倍，此时法拉第旋转角的变化携带漏磁信息；再次经过偏振片(52)时，偏振片(52)将携带漏磁信息的法拉第旋转角变化转变为线偏振光的光功率变化；携带漏磁信息的光从第一传感器探头(5)传出后，再次经过第一光纤环形器(4)，进入信号处理装置(10)；信号处理装置(10)检测到光功率变化，获得初步的漏磁测量结果，经过基于第一光纤耦合器(2)的光源功率波动补偿以及基于第一光学温度传感器(6)的温度补偿后，获得第一传感器探头(5)的漏磁测量结果；同样地，可以获得第二传感器探头(8)的漏磁测量结果。
其中基于第一光纤耦合器(2)的光源功率波动补偿的原因以及原理为：通过信号处理装置(10)对来自传感器探头携带漏磁信息的光功率信号进行处理，最终获得漏磁测量结果，若忽略光源功率波动的影响，认为光源功率一直保持不变，则当光源功率波动时，携带漏磁信息的光功率也会发生波动，从而对测量结果产生影响，所以需要补偿光源功率波动的影响；本发明中，采用第一光纤耦合器(2)将光源(1)输出的光按一定的分光比分为两束光，通过对其中一束光直接进行监测，获得光源功率波动情况，对传感器探头携带漏磁信息的光功率信号进行修正，进而基于修正后的光功率信号获得漏磁测量结果，即可实现漏磁测量结果的光源功率波动补偿。
基于第一光学温度传感器(6)的温度补偿的原因以及原理为：由于磁光晶体的费尔德常数与温度有关，当温度变化时费尔德常数也会随之变化，若忽略其受温度的影响，认为费尔德常数一直保持不变，则当传感器探头所处环境的温度变化时，会对测量结果产生影响，因此需要对磁光晶体的温度特性进行补偿；本发明中，通过光学温度传感器获得传感器探头的环境温度，从而获得该温度下磁光晶体的费尔德常数，进而基于该费尔德常数获得漏磁测量结果，即可实现漏磁测量结果的温度补偿。
在实际应用中，第二光纤耦合器(3)，将入射光束按1:1的分光比分为2束光分别进入第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)，每个探头测量一点漏磁，实现两点漏磁的分布式测量；仅需更换更大功率光源(1)以及更多分路的第二光纤耦合器(3)，就能扩展漏磁测量点数量，简单实现变压器漏磁分布式测量。
在实际应用中，第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)，由准直器(51)、偏振片(52)、磁光晶体(53)、反射镜(54)、以及外部封装的硬质聚合物(55)组成；第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)不含金属材料，置于油浸式变压器内部时不会对变压器绝缘造成威胁，可对变压器漏磁场进行在线测量。
在实际应用中，信号处理装置(10)，分为两个模块，第一模块与第一光学温度传感器(6)及第二光学温度传感器(9)组成光学温度传感系统，实现温度测量；第二模块可对来自第一光纤耦合器(2)携带光源功率波动信息的光信号、第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)携带漏磁信息的光信号、第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)携带温度信息的光信号进行处理，获得油浸式变压器漏磁测量结果。
在实际应用中，第一光纤耦合器(2)，将入射光束按一定的分光比分为第一光束和第二光束，第一光束进入信号处理装置(10)，第二光束进入第二光纤耦合器(3)；通过信号处理装置(10)实时测量第一光束的光功率波动，获得光源(1)的光源功率波动信息，对漏磁测量结果进行修正，从而补偿光源功率波动对测量结果的影响。
在实际应用中，第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)，分别测量第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)的环境温度，进而获得该温度下磁光晶体的费尔德常数，对漏磁测量结果进行修正，补偿温度对测量结果的影响。
在实际应用中，第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)，包括光纤光栅温度传感器、荧光光纤温度传感器和砷化镓光纤温度传感器中的任一种。
本发明的有益效果是，采用基于法拉第磁光效应的磁场测量技术，可以实现变压器漏磁分布式在线测量，同时补偿温度和光源功率波动对测量结果的影响，提高漏磁场测量结果的准确性和可靠性，解决了现有技术无法对油浸式变压器内部漏磁场进行在线测量的问题。
本领域技术人员应当明白，以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，其特征在于，包括：光源(1)、第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)、第一光纤环形器(4)、第一传感器探头(5)、第一光学温度传感器(6)、第二光纤环形器(7)、第二传感器探头(8)、第二光学温度传感器(9)、信号处理装置(10)以及连接上述各部件的光纤(11)；
所述光源(1)连接第一光纤耦合器(2)后，分两路分别连接至第二光纤耦合器(3)和所述信号处理装置(10)，第二光纤耦合器(3)分两路分别连接至第一光纤环形器(4)和第二光纤环形器(7)；所述第一光纤环形器(4)分两路分别连接至第一传感器探头(5)和所述信号处理装置(10)；所述第二光纤环形器(7)分两路分别连接至第二传感器探头(8)和所述信号处理装置(10)；所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)，分别用于测量第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)的环境温度，进而获得该温度下磁光晶体的费尔德常数，对漏磁测量结果进行修正，补偿温度对测量结果的影响；所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)分别与所述信号处理装置(10)连接；所述信号处理装置(10)分为两个模块，其中，第一模块与第一光学温度传感器(6)及第二光学温度传感器(9)组成光学温度传感系统，实现温度测量；第二模块对来自第一光纤耦合器(2)所携带光源功率波动信息的光信号、第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)所携带漏磁信息的光信号、第一光学温度传感器(6)及第二光学温度传感器(9)所携带的温度信息的光信号进行处理，获得所述油浸式变压器漏磁测量结果；
所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)不含金属材料，置于油浸式变压器内部，都由依次连接的准直器(51)、偏振片(52)、磁光晶体(53)、反射镜(54)以及外部封装体(55)组成，所述外部封装体(55)的材料为硬质聚合物，将所述准直器(51)、偏振片(52)、磁光晶体(53)、反射镜(54)封装在内部。
2.根据权利要求1所述的一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，其特征在于，所述第二光纤耦合器(3)，将入射光束按1:1的分光比分为2束光分别进入第一传感器探头(5)和第二传感器探头(8)，实现两点漏磁的分布式测量；通过选择更大功率的光源(1)以及更多分路的第二光纤耦合器(3)，即可扩展漏磁测量点数量实现更多点漏磁的分布式测量。
3.根据权利要求1所述的一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器(2)，将入射光束按一定的分光比分为第一光束和第二光束，第一光束进入信号处理装置(10)，第二光束进入第二光纤耦合器(3)；通过信号处理装置(10)实时测量所述第一光束的光功率波动，获得光源(1)的光源功率波动信息，对漏磁测量结果进行修正，从而补偿光源功率波动对测量结果的影响。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种油浸式变压器漏磁场在线测量装置，其特征在于，所述第一光学温度传感器(6)和第二光学温度传感器(9)为光纤光栅温度传感器、荧光光纤温度传感器和砷化镓光纤温度传感器中的任一种。
5.一种使用根据权利要求1-4任一所述油浸式变压器漏磁场在线测量装置的漏磁场在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过光源(1)发出光，经第一光纤耦合器(2)、第二光纤耦合器(3)后，一部分光经第一光纤环形器(4)进入第一传感器探头(5)，经过第一传感器探头(5)中的偏振片(52)转变为线偏振光；另一部分光经第二光纤环形器(7)进入第二传感器探头(8)，经过第二传感器探头(8)中的偏振片(52)转变为线偏振光；
步骤2：步骤1中所述线偏振光分别在经过第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的磁光晶体(53)时，在变压器漏磁场的作用下产生法拉第旋转角；接着经第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)内部的反射镜(54)作用，则所述线偏振光再次经过所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的磁光晶体(53)将法拉第旋转角加倍，此时法拉第旋转角的变化携带漏磁信息；
步骤3：所述法拉第旋转角加倍的线偏振光再次经过所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中的偏振片(52)，此时，偏振片(52)将携带漏磁信息的法拉第旋转角变化转变为线偏振光的光功率变化；
步骤4：携带漏磁信息的线偏振光从所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)中传出后，分别经由第一光纤环形器(4)、第二光纤环形器(7)进入所述信号处理装置(10)；所述信号处理装置(10)检测到光功率变化，获得初步的漏磁测量结果，经过基于第一光纤耦合器(2)的光源功率波动补偿以及基于所述第一光学温度传感器(6)、第二光学温度传感器(9)的温度补偿后，分别获得所述第一传感器探头(5)、第二传感器探头(8)的漏磁测量结果，从而实现了分布式漏磁测量。
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