CN115342857B - 一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统，通过在变压器底部以及顶部位置安装串联的三个光纤压力传感器以及两个光纤温度传感器，使用基于波长可调谐激光器的光纤光栅解调方法对所有传感器的反射中心波长进行测量，进而可以同时准确计算出油位高度和油温。本发明能够在强电磁环境下可靠运行，测量精度高、耐腐蚀、结构简单，可以显著提高变压器油温、油位监测的准确性、方便性、可靠性和测量系统的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器油温及油位监测设备，尤其是一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统。
背景技术
油浸式变压器中变压器油的温度及液位直接影响变压器的寿命和运行。油温过高时不仅存在火灾的安全隐患，而且可导致变压器寿命迅速下降；变压器内部的油位过高时会出现溢油，当油位过低时，特别是遇到变压器低负荷运转或变压器故障以及环境温度低等情况，油位继续维持下降趋势，造成引线暴露、绝缘性能降低，增大了变压器出现故障的概率，为此，目前油浸式变压器运行时都会分别配备油温监测装置和油位监测装置。油温超过报警值会触发油温监测装置的开关触点并带动风机转动，对变压器进行散热处理；油位超出上下限时，油位监测装置同样发出报警信号，及时进行必要的应对处理。然而，现有的油温监测装置和油位监测装置的传感器均为机械式或电子式，机械式传感器由于正反行程存在机械回差，精度较低，同时显示方式为指针面板，必须结合人工巡检的方式实现在线监测；电子式传感器的局限性在于变压器运行时周围电磁干扰严重，不仅会影响测量精度，严重时感应电流会通过传感器的信号线烧毁仪表。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统，设有由光纤串联的第一光纤压力传感器、第一光纤温度传感器、第二光纤压力传感器、第二光纤温度传感器、第三光纤压力传感器及光纤法兰，光纤法兰的输出端与光环行器的输入端相接，与光环行器的输入端还相接有波长可调谐激光器，光环行器的输出端与光电探测器相接，所述波长可调谐激光器和光电探测器均与单片机相接，与单片机还相接有信号传输总线；
所述第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4、第三光纤压力传感器5的反射中心波长的数值范围不交叠且均位于波长可调谐激光器9的波长扫描范围内；
第一光纤压力传感器安装于变压器内底部，安装高度记为0；
第一光纤温度传感器安装于紧贴第一光纤压力传感器的上方；
第二光纤压力传感器安装于变压器油中的高度h处，h为被测变压器油总深度的10%-30%；
第二光纤温度传感器安装于变压器顶部气体介质中；
第三光纤压力传感器安装于紧贴第二光纤温度传感器的上方；
光纤法兰与变压器侧壁密封相接；
光环行器、波长可调谐激光器、光电探测器、单片机及信号传输总线均安装在位于变压器外的箱体内；
所述单片机控制波长可调谐激光器以恒定的输出功率在波长扫描范围内连续扫描，同时单片机连续读取光电探测器的光接收强度数据，分别记录第一光纤压力传感器、第一光纤温度传感器、第二光纤压力传感器、第二光纤温度传感器及第三光纤压力传感器在各自波长范围内的最大光强度对应的波长值，即分别为反射中心波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5；
所述单片机通过下式分别计算出油位高度值H和油温值T，并通过信号传输总线发送；
H = h·[△λ1-△λ5+△λ4- △λ2）] / [△λ3–△λ1] ；
T= T0+(λ2 -λ2|T0)/k；
式中△λi，i=1,2,3,4,5为每个传感器的反射中心波长λi和对应其在初始温度为T0且压力为零时的反射中心波长λi| T0的差，即△λi =λi -λi| T0。
所述第一光纤压力传感器、第二光纤压力传感器及第三光纤压力传感器结构相同，均设有壳体，壳体的内壁与弧状薄膜弹片的周边相接，所述弧状薄膜弹片的凸面与壳体之间填充有SF6，所述弧状薄膜弹片的凹面上固定有预应力为10-20牛顿的布拉格光栅，与布拉格光栅两端相接的光纤密封穿过外壳，所述壳体位于弧状薄膜弹片的凹面一侧的壁上有开孔且在开孔处安装有防护网。
本发明通过在变压器底部以及顶部位置安装串联的三个光纤压力传感器以及两个光纤温度传感器，使用基于波长可调谐激光器的光纤光栅解调方法对所有传感器的反射中心波长进行测量，进而可以同时准确计算出油位高度和油温。本发明能够在强电磁环境下可靠运行，测量精度高、耐腐蚀、结构简单，可以显著提高变压器油温、油位监测的准确性、方便性、可靠性和测量系统的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中所述光纤压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统如图1所示，设有由光纤6串联的第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4、第三光纤压力传感器5及光纤法兰7，光纤法兰7的输出端与光环行器8的输入端相接，所述光环行器8为三端口，两个输入端一个输出端，故与光环行器8的另一输入端相接有波长可调谐激光器9，光环行器8的输出端与光电探测器10相接，所述波长可调谐激光器9和光电探测器10均与单片机11相接，与单片机11还相接有信号传输总线12；
所述第一光纤压力传感器1、第二光纤压力传感器3及第三光纤压力传感器5的结构相同，均设有壳体24，壳体24的内壁与弧状薄膜弹片22的周边相接，所述弧状薄膜弹片22的凸面与壳体24之间填充有SF6，所述弧状薄膜弹片22的凹面上固定有预应力为10-20牛顿的布拉格光栅25，与布拉格光栅25两端相接的光纤21密封穿过外壳24，所述壳体24位于弧状薄膜弹片22的凹面一侧的壁上有开孔且在开孔处安装有防护网23。
测量时，被测介质通过防护网23与弧状薄膜弹片22的凹面连通，当被测介质压强变化时，弧状薄膜弹片22的曲率会随之变化，导致固定于弧状薄膜弹片22上的布拉格光栅25轴向应变量发生变化，其中心反射波长和介质压力成正比，从而能测量被测介质压力。
第一光纤温度传感器2和第二光纤温度传感器4为普通光纤光栅温度传感器，光栅的反射波长的变化和温度变化成正比。
所述第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4、第三光纤压力传感器5的反射中心波长的数值范围不交叠且均位于波长可调谐激光器9的波长扫描范围内；
第一光纤压力传感器1安装于变压器内底部，安装高度记为0；
第一光纤温度传感器2安装于紧贴第一光纤压力传感器1的上方；
第二光纤压力传感器3安装于变压器油中的高度h处，h为被测变压器油总深度的10%-30%，若变压器油总深度为1米，则h=0.1~0.3米；
第二光纤温度传感器4安装于变压器顶部气体介质中；
第三光纤压力传感器5安装于紧贴第二光纤温度传感器4的上方；
光纤法兰7与变压器侧壁密封相接；
光环行器8、波长可调谐激光器9、光电探测器10、单片机11及信号传输总线12均安装在位于变压器外的箱体13内；
所述单片机11控制波长可调谐激光器9以恒定的输出功率从1540nm连续扫描至1560nm，可调谐激光器9发出的激光经过光环行器8依次到达光纤法兰7、单模光纤6以及第三光纤压力传感器5、第二光纤温度传感器4、第二光纤压力传感器3、第一光纤温度传感器2及第一光纤压力传感器1，所产生的反射光依次经过单模光纤6、光纤法兰7回到光环行器8并从光环行器8的反射输出端到达光电探测器10。同时单片机11连续读取光电探测器10的光接收强度数据，分别记录第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4及第三光纤压力传感器5在各自波长范围内的最大光强度对应的波长值，即分别为反射中心波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5；
所述第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4及第三光纤压力传感器5的环境温度分别为T1、T2、T3、T4、T5，由于第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2及第二光纤压力传感器3均置于变压器油中，故T1=T2=T3，第二光纤温度传感器4及第三光纤压力传感器5均置于气体介质中，故T4=T5；
三个光纤压力传感器满足下式：
λ1=λ1|25+ k ( T1-25℃) + mP1；
λ3=λ3|25+ k ( T3-25℃) + mP3；
λ5=λ5|25+ k ( T5-25℃) + mP5；
其中λ1|25、λ3|25、λ5|25分别为各光纤压力传感器25℃、压力为零时的反射中心波长读数，25℃即设定的初始温度T0，可根据生产环境的气温条件来选择合适的温度，如15℃、20℃均可。需要在各传感器安装以前，在25℃且传感器不承受压力（P=0）的条件下，纪录的反射中心波长值作为λ1|25、λ3|25、λ5|25；k为光纤温度传感器波长/温度灵敏度系数；m为光纤压力传感器的波长/压力灵敏度系数，P1、P3、P5分别为三个光纤压力传感器的压力值；
两个光纤温度传感器满足下式：
λ2 =λ2|25+ k(T2-25℃)；
λ4 =λ4|25+ k(T4-25℃)；
通过计算可得：
第一光纤温度传感器2的温度T2 = 25℃+(λ2 -λ2|25)/k；①
第二光纤温度传感器4的温度T4 = 25℃+(λ4–λ4|25)/k； ②
第一光纤压力传感器1的压力P1 = [(λ1–λ1|25)-k(T2-25℃)]/m；③
第二光纤压力传感器3的压力P2 = [(λ3–λ3|25)-k(T2-25℃)]/m；④
设变压器油密度为ρ、重力加速度为g；由密度和压强关系得P2 - P1 = ρgh，
ρ= (P2-P1)/(gh) = (λ3–λ1 +λ1|25–λ3|25)/(mgh)； ⑤
同理 P3 = [(λ5–λ5|25)-k(T4-25℃)]/m； ⑥
设变压器油位高度为 H ，由密度和压强关系得P1 = P3 +ρg H；
则油位高度 H = (P1-P3)/(ρg) ⑦
设每个传感器的光栅反射中心波长和其25℃时的反射中心波长的波长差为△λi，则△λi =λi -λi|25，i=1,2,3,4,5，将①②③⑤和⑥带入⑦
则H = h·[△λ1-△λ5+△λ4- △λ2）] / [△λ3–△λ1] ⑧
变压器的油温T等于第一光纤温度传感器（2）的温度T2：
T=T2 = 25℃+(λ2 -λ2|25)/k ⑨
所述单片机11通过公式⑧、⑨分别计算出油位高度值H和油温值T，通过信号传输总线12发送。
Claims (2)
1.一种基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统，其特征在于：设有由光纤（6）串联的第一光纤压力传感器（1）、第一光纤温度传感器（2）、第二光纤压力传感器（3）、第二光纤温度传感器（4）、第三光纤压力传感器（5）及光纤法兰（7），光纤法兰（7）的输出端与光环行器（8）的输入端相接，与光环行器（8）的输入端还相接有波长可调谐激光器（9），光环行器（8）的输出端与光电探测器（10）相接，所述波长可调谐激光器（9）和光电探测器（10）均与单片机（11）相接，与单片机（11）还相接有信号传输总线（12）；
所述第一光纤压力传感器（1）、第一光纤温度传感器（2）、第二光纤压力传感器（3）、第二光纤温度传感器（4）、第三光纤压力传感器（5）的反射中心波长的数值范围不交叠且均位于波长可调谐激光器（9）的波长扫描范围内；
第一光纤压力传感器（1）安装于变压器内底部，安装高度记为0；
第一光纤温度传感器（2）安装于紧贴第一光纤压力传感器（1）的上方；
第二光纤压力传感器（3）安装于变压器油中的高度h处，h为被测变压器油总深度的10%-30%；
第二光纤温度传感器（4）安装于变压器顶部气体介质中；
第三光纤压力传感器（5）安装于紧贴第二光纤温度传感器（4）的上方；
光纤法兰（7）与变压器侧壁密封相接；
光环行器（8）、波长可调谐激光器（9）、光电探测器（10）、单片机（11）及信号传输总线（12）均安装在位于变压器外的箱体（13）内；
所述单片机（11）控制波长可调谐激光器（9）以恒定的输出功率在波长扫描范围内连续扫描，同时单片机11连续读取光电探测器10的光接收强度数据，分别记录第一光纤压力传感器1、第一光纤温度传感器2、第二光纤压力传感器3、第二光纤温度传感器4及第三光纤压力传感器5在各自波长范围内的最大光强度对应的波长值，即分别为反射中心波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5；
单片机（11）通过下式分别计算出油位高度值H和油温值T，并通过信号传输总线（12）发送；
H = h·[△λ1-△λ5+△λ4- △λ2）] / [△λ3–△λ1] ；
T= T0+(λ2 -λ2|T0)/k ；
式中 △λi，i=1,2,3,4,5为每个传感器的反射中心波长λi和对应其在初始温度为T0且压力为零时的反射中心波长 λi| T0 的差，即 △λi =λi -λi| T0 。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的变压器油温油位一体化监测系统，其特征在于：所述第一光纤压力传感器（1）、第二光纤压力传感器（3）及第三光纤压力传感器（5）结构相同，均设有壳体（24），壳体（24）的内壁与弧状薄膜弹片（22）的周边相接，所述弧状薄膜弹片（22）的凸面与壳体（24）之间填充有SF6，所述弧状薄膜弹片（22）的凹面上固定有预应力为10-20牛顿的布拉格光栅（25），与布拉格光栅（25）两端相接的光纤（21）密封穿过壳体（24），所述壳体（24）位于弧状薄膜弹片（22）的凹面一侧的壁上有开孔且在开孔处安装有防护网（23）。
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