CN201852564U - 变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电检测和大型结构健康检测领域，涉及一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括至少一组缠绕在变压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一和第二分布式反馈半导体激光器，由第一激光器产生的单模激光分为两束，一束光经放大和频率扫描后，形成x方向偏振光，注入被选通的待测光纤组的一端；另一束光被调制成短脉冲探测光后，经过放大和形成x方向偏振光后注入与所述的待测光纤组的另一端；连续泵浦光转换成电信号后被送入计算机中；第二激光器发射的单模激光在形成y方向偏振光后进入待测光纤组，生成的后向衍射光经滤波后转换成电信号被送入计算机。本实用新型能够对大型变压器绕组进行直接、在线监测。

Description

变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统

技术领域

本实用新型属于光电检测和大型结构健康检测领域。涉及一种光电传感方法和系统，尤其涉及一种对大型变压器绕组进行直接、在线监测的分布式光纤温度、应变测量系统。

背景技术

由于大型电力变压器设计、制造、材料质量和运行等诸多方面的原因，设备的恶性事故和故障时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行(全国每年大约发生几十起大型电力变压器事故)。大型变压器的突发性故障往往引发大面积停电事故，由此导致的直接经济损失和社会影响是十分惊人的。通过在线监测，建立设备的故障预警机制，及时、准确地预报设备内部已存在的故障性质、类型、部位、严重程度并预测故障的发展趋势，从而避免和减少电网突发性事故的发生。变压器正常运转时，由于电流、电压效应会产生均匀分布的热量，变压器发生故障时的缺陷部位通常会异常发热、形变。变压器在危险温度下运行，会导致绝缘击穿烧损；形变则会破坏绝缘结构、可能引起短路。目前，大部分变电站使用的高压大负载的变压器都只有整体的温度测量手段，只能反应变压器内部均匀分布的温度高低，一旦局部出现危险温度和形变隐患，通常不易被发现，因此不能有效监测变压器缺陷部位的异常发热和形变。本实用新型针对上述问题，在国内外首次提出将国际上最先进的分布式光纤应变和温度传感技术用于大型变压器中可能出现的局部异常发热和形变的在线监测。

变压器是电力系统的核心设备，而绕组是变压器的最关键部件。由于变压器绕组所处位置的特殊性、运行情况的复杂性和技术手段的缺乏，长期以来绕组运行状态还无法直接监测。至今绕组热点温度只能通过顶层油温间接反映，因此对变压器的负载能力通过负载电流和顶层油温进行了过度的限制，或在短期过载时又处于失控状态，而实时监测绕组热点温度可以充分发挥变压器的负载能力，又可以防止出现危及变压器绝缘的故障风险，同时可以通过积累热点温度数据计算变压器绝缘使用寿命。

另一方面，短路损坏是变压器损坏事故的首要形态，而绕组在短路电动力作用下的变形目前还缺乏直接有效的监测手段。变压器遭受短路冲击后，需要进行绕组变形的频响法、电抗法、色谱分析及绕组直流电阻、变比等试验综合分析判断绕组的变形是否造成绝缘损伤，防止恢复运行后因匝间短路造成变压器严重损坏。但绕组变形的频响法、电抗法测试是间接测试方法且对测试人员的经验依赖较高，而通过敷设光纤对变压器绕组各部位的应力和变形情况直接进行监测，可以对绕组在短路冲击后的变形是否造成绝缘损坏、或多次短路冲击后的累积变形进行直接测量和判断，就可以避免人为责任的设备事故，并建立变压器的故障预警机制。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对大型变压器绕阻温度和变形状况无法直接、局部测量的状况提供一种光纤传感测量方法，将分布式光纤应变和温度传感技术用于大型变压器中可能出现的局部异常发热和形变的在线监测。

本实用新型的技术方案的如下：

一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括，至少一组缠绕在变压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一分布式反馈半导体激光器和第二分布式反馈半导体激光器，由第一分布式反馈半导体激光器产生的单模激光经由50:50光耦合器分为两束，一束光经过第一光纤放大器放大后的泵浦光通过单边带电光调制器进行频率扫描，使其频移量为10.8GHz到11.1GHz，再经过第二光纤放大器放大后，通过第一起偏控制器形成x方向偏振光，再依次经过第二起偏器和保偏隔离器之后注入被选通的待测光纤组的一端；另一束光通过电光调制器EOM调制成脉宽为0.5ns的短脉冲探测光后，经过第三光纤放大器放大后，再通过第二偏振控制器形成x方向偏振光，由第一保偏环形器的第1端口入射和其第2端口出射后经过偏振分波/合波器的透射后注入与所述的待测光纤组的另一端；从第一保偏环形器的第3端口输出的连续泵浦光，依次经过第一可调谐光衰减器和第一光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机中；所述的第二分布式反馈半导体激光器受注入电流控制器的控制，其发射的单模激光经过第二偏振控制器形成的y方向偏振光由第二保偏环形器第1端口入射，第2端口输出后，经由所述的偏振分波/合波器反射进入所述的待测光纤组，生成的后向衍射光经过所述的偏振分波/合波器反射后由所述的第二保偏环形器第2端口输入和第3端口输出，再通过可调谐带通滤波器滤除泄漏的x方向偏振的泵浦光和探测光，而后依次经过第二可调谐光衰减器和第二光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机；所有连接光纤和待测光纤组均为熊猫型保偏光纤。

作为优选实施方式，各个光纤放大器为掺铒光纤放大器。

本实用新型将分布式光纤应力和温度传感技术用于大型变压器绕组变形和热点温度的在线监测，具备以下优点：

1.光纤传感器以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、耐高温高压、绝缘性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等性能明显优于传统传感器，特别是对于大型变压器的测量，由于变压器绕阻本身是带电体，直接测量对于绝缘性的要求很高。

2.分布式光纤传感器相比于传统的点式光纤传感器而言，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。

3.基于BOTDA的分布式光纤传感器与传统拉曼光纤传感器和布里渊光时域分析仪(BOTDR)相比，其优势就在于它采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射信号，强度大，信噪比高从而可以实现大的动态范围和高分辨率。

4.本实用新型可以通过在内阻、外阻等不同位置铺设好几段独立的光纤以实现选择性的分别测量，使监控更灵活和智能化。

5.本实用新型通过利用脉宽＜5ns的短脉冲和熊猫型保偏光纤的双折射效应，同时获得高空间分辨率及温度、应力分辨率，通过一根光纤，精确分离温度和应力信息。

附图说明

图1.大型变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统结构图。

图2.熊猫型保偏光纤横截面图。

图3.受激布里渊线宽与脉冲光脉宽关系谱。

具体实施方式

与传统用于测温的利用比瑞利散射强度弱20-30dB的微弱反斯托克斯光信号的拉曼光时域反射(ROTDR)和可以同时测温测应力只有非常微弱的一部分光(约为10^-3)参与自发布里渊散射作用的BOTDR相比，BOTDA采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射信号，强度大，信噪比高从而可以实现大的动态范围和高分辨率。BOTDA中利用的受激布里渊散射是一种三阶非线性光学效应，起源于入射光(泵浦)与介质中声学声子(声波)的相互作用，当一个泵浦光子被湮灭的同时产生一个声学声子和一个散射的斯托克斯光。当泵浦光频率v₁与探测光频率v₂之差为光纤声波谐振频率(布里渊频移)v_B时，发生SBS过程，产生一个速度为v_A的声波；产生的声波使光纤芯纵向拉伸或者压缩，形成周期性变化的折射率，因此形成了一个向前传播的布拉格光栅；这种运动的声学光栅使一部分能量的泵浦光向后衍射，衍射的Stokes波在经历了一个多普勒频移v_B，频率变为v₁-v_B，对探测光进行了放大。SBS发生的阈值功率远低于受激拉曼散射(SRS)所要求的功率，可以很容易的在光纤中实现。布里渊频移v_B的表达式为：

$v_B=\frac{2n_{\mathrm{eff}}{v}_A}{{\mathrm{\λ}}_P}---\left(1\right)$

n_eff为泵浦波长上的有效折射率；v_A为介质中声波的速度；λ_P为泵浦波长。其中n_eff和v_A均与温度呈线性关系，因此布里渊频移改变量Δv_B亦可表示成轴向应变Δε以及温度变化ΔT的关系式：

$\mathrm{\Δ}{v}_B=C_{v_{\mathrm{\ϵ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_Z+C_{v_T}\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

和

分别为布里渊频移应变系数和温度系数，均为常量，对于常温常压下，光波长工作在λ＝1320nm的保偏光纤有 $C_{v_{\mathrm{\ϵ}}}\≈0.0577\mathrm{MHz}/{\mathrm{\μ\ϵ}}_Z,$

BOTDA系统可以分为通过采用脉冲光作为泵浦光，接收端获得连续的布里渊增益谱和采用连续光作为泵浦光，接收端获得连续的布里渊损耗谱两种方式。本实用新型采用探测布里渊损耗谱的方式，通过采用连续光作为泵浦光，产生布里渊增益，布里渊增益谱的中心频率由v₁下移到斯托克斯光频率v₁-v_B，而脉冲光频率v₂正好为斯托克斯光频率时，脉冲光强将会通过与连续泵浦光的布里渊作用得到放大，接收端通过对连续光的探测获得一个连续的布里渊损耗谱。通过采用测量连续光的布里渊损耗谱的方法可以避免长距离传输或者大多数光纤处于同一温度时，脉冲光能的损耗无法忽略所导致的较大误差和微弱信号引起的信噪比降低。同时，这种方法也允许在本实用新型中使用脉宽小于5ns的短脉冲来提高系统的空间分辨率。

本实用新型通过采用脉冲光来产生一定的空间分辨率，利用脉冲光的OTDR机制进行空间定位，当将探测到的连续光谱以脉冲光发出后的时间为横坐标轴做一个曲线时，就可以通过对应时间点上连续光光强的变化测量出光纤中布里渊频移正好等于此时两激光器频率差的位置距离光纤首端(脉冲光入射端)的距离，从而进行空间定位。OTDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用下式就可计算出上述事件点与OTDR的距离：

$d=\frac{\mathrm{c\τ}}{2n}---\left(3\right)$

式中c为光在真空中的速度，n为光纤纤芯的有效折射率。上式也表明了系统空间分辨率是由脉冲光的脉宽所决定的，即脉冲光脉宽越短，系统空间分辨率越高。

系统的频率分辨率(温度/应力测量分辨率)与受激布里渊谱宽呈反比，受激布里渊谱宽Δv_B-smiu表达式为：

Δv_B-smiu＝Δv_B-spon+Δv_pulse    (4)

其中，Δv_B-spon为自发布里渊线宽，约为40MHz，Δv_pulse为脉冲光的线宽，与脉宽呈反比。理论上当脉冲光脉宽小于20ns时，受激布里渊谱宽会明显增加，最大可至100MHz，从而导致频率分辨率和布里渊增益的降低。而事实上，当脉宽＜5ns之后，受激布里渊谱宽将会再次与自发布里渊谱宽相等(图3)，因此可以利用脉宽＜5ns的短脉冲在保证系统频率分辨率的前提下提高空间分辨率。本实用新型采用0.5ns脉宽的脉冲光，理论上空间分辨率约为5cm。

为了更清楚的理解分发明，现结合附图对本实用新型进行进一步详细描述。附图1为该光电传感器整体结构图，附图2为整个系统所采用的熊猫型保偏光纤结构图，该种光纤包括GeO2掺杂Si线芯301，纯硅包层302，B2O3掺杂Si应力区303几个部分。

附图3为受激布里渊线宽随脉冲光脉宽变化的关系图。

如附图1为此种大型变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统结构，包含了以下几个部分：DFB-LD1-101，用于BOTDA的分布式反馈半导体激光器；光隔离器102；50:50光耦合器103；EDFA 1-104，掺铒光纤放大器；SSBM 105，单边带电光调制器；(106)EDFA 2，掺铒光纤放大器；(107)PC 1，偏振控制器；起偏器108；PM-ISO 109，保偏隔离器；EOM 110，电光调制器；EDFA 3-111，掺铒光纤放大器；(112)PC 2，偏振控制器；(113)PM-CIR 1，保偏环形器；(114)PBS，偏振分波/合波器；(115)1×N光开关；(116)待测光纤组；(117)VOA，可调谐光衰减器；(118)PD 1，光电二极管；(119)LIA 1，锁定放大器；(120)DAQ，数字采集卡；(121)计算机；(201)DFB-LD 2，用于测量熊猫型保偏光纤中双折射决定的频率偏移量的分布式反馈半导体激光器；(202)控制器，DFB-LD 2的注入电流控制器；(203)PC 3，偏振控制器；(204)PM-CIR 2，保偏环形器；(205)TBF，可调谐带通滤波器；(206)PD 2，光电二极管；(207)LIA 2，锁定放大器。其中所有连接光纤和待测光纤组为附图2中所示的熊猫型保偏光纤。

通过1×N光开关115选定一组光纤进行测量后，DFB-LD 1-101中发射的窄线宽、频率稳定的单模激光通过一个用于隔离光纤另一端传输过来经过SBS放大的脉冲光50:50光耦合器103分成两束，一束为连续光波，用作泵浦光源，经过EDFA 1-104放大后通过单边带电光调制器105扫描使其频移为10.8GHz~11.1GHz，用于绘制受激布里渊损耗谱，经过调节后的泵浦光再次通过EDFA 2-106放大，并通过偏振控制器107形成x方向偏振光，经过用于隔离光纤另一端传输过来的y方向偏振光的起偏器108和保偏隔离器109之后注入与大型变压器绕阻一起缠绕的待测光纤组116的一端。这些光纤与铜线一起缠绕在变压器的铁芯上并用耐高温的环氧胶紧紧的黏在一起，有的光纤绕阻紧靠铁芯，有的靠近外表面，当绕阻承受应力过大时将引起环氧的开裂，在开裂点必将引起光纤所受应力的改变，随着裂缝扩大，各组光纤感应的应力由外向内越来越大；另一束光通过电光调制器EOM 110调制成脉宽为0.5ns的短脉冲探测光后经过EDFA 3-111放大后通过偏振控制器112形成x方向偏振光，由保偏环形器113的1端口入射，2端口出射后经过偏振分波/合波器114的透射注入与大型变压器绕阻一起缠绕的待测光纤组116的另一端，此时当泵浦连续光的频率与脉冲光的频率差为布里渊频移时会发生受激布里渊散射作用，脉冲光得到放大而在接收端会获得一个连续的布里渊损耗谱。经过SBS过程发生损耗的连续泵浦光由保偏环形器113的2端口入射，3端口输出后通过可调谐光衰减器117调节光强以利于光电二极管118进行光电转换，获得的电信号经过锁定放大器119进行同步检波以提取信号提高信噪比后通过数字采集卡120收集数据输入到计算机121中进行数据处理。与此同时，用于动态声光栅读出的DFB-LD 2 201中发射的窄线宽，频率稳定的单模激光经过偏振控制器203形成y方向偏振光由保偏环形器204的1端口入射，2端口输出并经由PBS 114反射进入待测光纤，通过被SBS过程产生的动态声学光栅后向衍射读出动态声学光栅信号，后向衍射光再次经过PBS 114反射后由保偏环形器204的2端口输入，3端口输出，通过可调谐带通滤波器205滤除泄漏的x方向偏振的泵浦光和探测光，经由光电二极管206进行光电转换，获得的电信号经过锁定放大器207进行同步检波以提取信号提高信噪比后通过数字采集卡120收集数据输入到计算机121中进行数据处理。

本实用新型的创新点主要在于：

1.利用分布式光纤传感器同时在线监测大型变压器绕阻温度与变形；

2.将多组光纤与铜线同绕，并同时固定在一起，实现对整个变压器绕组温度特别是热点温度的全程监测；

3.通过发现整个变压器绕组环氧胶上面的任何细小裂缝，对变压器绕阻的变形提前预测。通过安排多组光纤，可以探测裂缝逐渐扩大的全过程。

4.利用脉宽＜5ns的短脉冲和熊猫型保偏光纤的双折射效应，同时获得高空间分辨率及温度、应力分辨率，通过一根光纤，精确分离温度和应力信息。

有益效果，预计测量性能可以达到：

温度分辨率：±2℃

温度测量范围：0～150℃，

温度测量点定位精度：0.1m，

应变分辨率：±30με，

应变测量定位精度：0.1m。

Claims (2)

1.一种变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，包括，至少一组缠绕在变压器绕组上并用光开关选通的待测光纤组、第一分布式反馈半导体激光器和第二分布式反馈半导体激光器，其特征在于，由第一分布式反馈半导体激光器产生的单模激光经由50:50光耦合器分为两束，一束光经过第一光纤放大器放大后的泵浦光通过单边带电光调制器进行频率扫描，使其频移量为10.8GHz到11.1GHz，再经过第二光纤放大器放大后，通过第一起偏控制器形成x方向偏振光，再依次经过第二起偏器和保偏隔离器之后注入被选通的待测光纤组的一端；另一束光通过电光调制器EOM调制成脉宽为0.5ns的短脉冲探测光后，经过第三光纤放大器放大后，再通过第二偏振控制器形成x方向偏振光，由第一保偏环形器的第1端口入射和其第2端口出射后经过偏振分波/合波器的透射后注入与所述的待测光纤组的另一端；从第一保偏环形器的第3端口输出的连续泵浦光，依次经过第一可调谐光衰减器和第一光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机中；所述的第二分布式反馈半导体激光器受注入电流控制器的控制，其发射的单模激光经过第二偏振控制器形成的y方向偏振光由第二保偏环形器第1端口入射，第2端口输出后，经由所述的偏振分波/合波器反射进入所述的待测光纤组，生成的后向衍射光经过所述的偏振分波/合波器反射后由所述的第二保偏环形器第2端口输入和第3端口输出，再通过可调谐带通滤波器滤除泄漏的x方向偏振的泵浦光和探测光，而后依次经过第二可调谐光衰减器和第二光电二极管后获得的电信号，经放大处理后被送入计算机；所有连接光纤和待测光纤组均为熊猫型保偏光纤。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组变形和温度的分布式光纤在线监测系统，其特征在于，各个光纤放大器为掺铒光纤放大器。

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