CN205691071U - 一种变压器绕组变形在线测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变压器绕组变形在线测试装置，涉及分布式光纤光栅传感技术领域，解决了变压器绕组变形无法在线监测，停电测试效率较低的技术问题。该变压器绕组变形在线测试装置包括脉冲激光提供单元、至少一条参考光纤光栅、至少一条信号光纤光栅和计算单元；该变压器绕组变形在线测试装置还包括频谱检测电路；其中，脉冲激光提供单元用于通入脉冲激光；频谱检测电路用于检测信号光纤光栅中的反射激光和参考光纤光栅中的激光的频谱；计算单元用于计算频移，并根据所述频移计算所述信号光纤光栅的应变情况。本实用新型应用于对变压器绕组变形进行在线监测或检测。

Description

一种变压器绕组变形在线测试装置

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种变压器绕组变形在线测试装置。

背景技术

随着国民经济的发展，电力系统也在迅速发展。变压器是供电系统的核心设备，变压器绕组的变形程度是决定变压器能否继续安全稳定运行的关键因素，因此，积极开展对变压器绕组的变形的测试工作，及时发现绕组有变形的变压器，并有计划地进行吊罩检查和检修，具有极其重要的作用。

目前，对变压器绕组变形的测试过程如下：首先，需要对变压器断电，然后，利用频响法或者电抗法测试变压器绕组的变形。然而，本申请的发明人发现，在上述测试过程中，需要先对变压器断电再进行测试，不仅会降低供电系统供电的可靠性，还会使得测试效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种变压器绕组变形在线测试装置，用于解决变压器绕组变形无法在线监测，停电测试效率较低的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型提供一种变压器绕组变形在线测试装置，采用如下技术方案：

该变压器绕组变形在线测试装置包括脉冲激光提供单元、至少一条参考光纤光栅、至少一条信号光纤光栅和计算单元；所述变压器绕组变形在线测试装置还包括频谱检测电路；

其中，所述信号光纤光栅固定于待测绕组上，以使所述信号光纤光栅可随 所述待测绕组的变形而发生变形，所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅的初始形状相同且所处环境的温度相同，所述脉冲激光提供单元分别与所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅连接，所述频谱检测电路分别与所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅连接，所述计算单元与所述频谱检测电路连接；

所述脉冲激光提供单元用于向所述信号光纤光栅和所述参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光；所述频谱检测电路用于检测所述信号光纤光栅中的反射激光的频谱和所述参考光纤光栅中的激光的频谱；所述计算单元用于计算所述信号光纤光栅中的反射激光相对于所述参考光纤光栅中的激光的频移，所述频移为所述信号光纤光栅中的反射激光的中心频谱相对于所述参考光纤光栅中的激光的中心频谱的移动量，并根据所述频移计算所述信号光纤光栅的应变情况。

本实用新型提供的变压器绕组变形在线测试装置具有如上所述的结构，在使用上述变压器绕组变形在线测试装置测试变压器绕组变形的过程中，只需要首先通过脉冲激光提供单元向信号光纤光栅和参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光，脉冲激光会在信号光纤光栅中发生反射，在参考光纤光栅中前进，然后通过频谱检测电路检测信号光纤光栅中的反射激光的频谱，以及参考光纤光栅中的激光的频谱，最后通过计算单元计算信号光纤光栅中的反射激光相对于参考光纤光栅中的激光的频移，并根据频移计算信号光纤光栅的应变情况。因此，在上述过程中，无需先将变压器停电再进行测试，进而能够解决变压器绕组变形无法在线监测，停电测试效率较低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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 图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中的变压器绕组变形在线测试装置的结构图；

图2为本实用新型实施例中的脉冲激光提供单元的结构图；

图3为本实用新型实施例中的光纤光栅接口板的示意图；

图4为本实用新型实施例中的信号光纤光栅的固定方式的示意图一；

图5为本实用新型实施例中的信号光纤光栅的固定方式的示意图二；

图6为本实用新型实施例中的信号光纤光栅的固定方式的示意图三；

图7为本实用新型实施例中的信号光纤光栅的固定方式的示意图四。

附图标记说明：

1—脉冲激光提供单元； 11—脉冲激光源； 12—分布式光纤；

13—3dB光纤耦合器； 2—参考光纤光栅； 3—信号光纤光栅；

4—计算单元； 5—频谱检测电路； 6—信号放大电路；

7—滤波采样电路； 8—显示器； 9—待测绕组。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供一种变压器绕组变形在线测试装置，如图1所示，该变压器绕组变形在线测试装置包括脉冲激光提供单元1、至少一条参考光纤光 栅2、至少一条信号光纤光栅3和计算单元4；该变压器绕组变形在线测试装置还包括频谱检测电路5。

上述各结构的具体连接方式如下：信号光纤光栅3固定于待测绕组上，以使信号光纤光栅3可随待测绕组的变形而发生变形，参考光纤光栅2和信号光纤光栅3的初始形状相同且所处环境的温度相同，脉冲激光提供单元1分别与参考光纤光栅2和信号光纤光栅3连接，频谱检测电路5分别与参考光纤光栅2和信号光纤光栅3连接，计算单元4与频谱检测电路5连接。

具有如上连接方式的各结构的功能如下：脉冲激光提供单元1用于向信号光纤光栅3和参考光纤光栅2中通入光强相同的脉冲激光；频谱检测电路5用于检测信号光纤光栅3中的反射激光的频谱和参考光纤光栅2中的激光的频谱；计算单元4用于计算信号光纤光栅3中的反射激光相对于参考光纤光栅2中的激光的频移，该频移为信号光纤光栅3中的反射激光的中心频谱相对于参考光纤光栅2中的激光的中心频谱的移动量，并根据该频移计算信号光纤光栅3的应变情况。

本实用新型实施例提供的变压器绕组变形在线测试装置具有如上所述的结构，在使用上述变压器绕组变形在线测试装置测试变压器绕组变形的过程中，只需要首先通过脉冲激光提供单元1向信号光纤光栅3和参考光纤光栅2中通入光强相同的脉冲激光，脉冲激光会在信号光纤光栅3中发生反射，在参考光纤光栅2中前进，然后通过频谱检测电路4检测信号光纤光栅3中的反射激光的频谱，以及参考光纤光栅2中的激光的频谱，最后通过计算单元计算信号光纤光栅3中的反射激光相对于参考光纤光栅2中的激光的频移，并根据频移计算信号光纤光栅3的应变情况。因此，在上述过程中，无需先将变压器停电再进行测试，进而能够解决变压器绕组变形无法在线监测，停电测试效率较低的 技术问题。

具体地，频移与信号光纤光栅3的应变情况之间的关系满足以下公式：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}={\mathrm{\ϵ}}_1-\frac{{n^2}_{eff}}{2}\{p_{12}{\mathrm{\ϵ}}_1+p_{22}{\mathrm{\ϵ}}_2+p_{23}{\mathrm{\ϵ}}_3-\[\frac{2}{n^2}\mathrm{\ξ}+(\frac{2}{n^2}+p_{12}){\mathrm{\α}}_1+(p_{22}+p_{23}){\mathrm{\α}}_1\]\mathrm{\Δ}T\}$

其中，Δλ_B为频移，λ_B为参考光纤光栅2中的激光的中心频谱，ε₁为信号光纤光栅3的轴向应变，ε₂，ε₃分别为信号光纤光栅3的两正交横向应变，α₁，α_t分别为信号光纤光栅3的纵向、横向的热膨胀系数，ξ为信号光纤光栅3的热光系数，Pij为信号光纤光栅3的弹光张量分量(i、j＝1,2,3)，n_eff为信号光纤光栅3的有效折射率，ΔT为信号光纤光栅3相对于参考光纤光栅2的温度变化。

由于信号光纤光栅3与参考光纤光栅2的温度相同，因此，上述ΔT为0，此时，上述公式可以简化为：

鉴于以上内容可知，无论信号光纤光栅3的任何一个位置发生变形，使用本实用新型实施例中的变压器绕组变形在线测试装置均可以进行测试，进而使得本实用新型实施例中的变压器绕组变形在线测试装置的应用范围广。

可选地，如图2所示，本实用新型实施例中的脉冲激光提供单元1包括脉冲激光源11、分布式光纤12、3dB光纤耦合器13，其中，脉冲激光源11与分布式光纤12的第一端连接，分布式光纤12的第二端与3dB光纤耦合器13的输入信道连接，3dB光纤耦合器13的两个输出信道分别与信号光纤光栅3和参考光纤光栅2连接。具有上述结构的脉冲激光提供单元提供脉冲激光的过程如下：脉冲激光源11发出一束脉冲激光，脉冲激光经分布式光纤12传输至3dB光纤耦合器13，3dB光纤耦合器13将脉冲激光耦合成两束光强相同的脉冲激光，以分别提供给信号光纤光栅3和参考光纤光栅2。当然，脉冲激光提供单元1的具体结构不局限于此，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

另外，如图1所示，变压器绕组变形在线测试装置还包括信号放大电路6和滤波采样电路7，频谱检测电路5、信号放大电路6、滤波采样电路7和计算单元4依次连接，进而可以通过信号放大电路6对检测到的频谱信号进行放大处理，通过滤波采样电路7对放大后的频谱信号进行滤波采样处理，进而使得计算单元4计算得出的信号光纤光栅3的应变情况更精确。

可选地，本实用新型实施例中的变压器绕组变形在线测试装置还可以包括显示器8，显示器8的输入端与计算单元4的输出端连接，用于显示信号光纤光栅3的应变情况。其中，具体显示方式可以为数字、图形等多种方式，此处不进行限定。

可选地，本实用新型实施例中的变压器绕组变形在线测试装置还包括圆形的光纤光栅接口板，如图3所示，该光纤光栅接口板外围设置有多个紧固螺丝孔，中心设置有多个光纤光栅对接口，紧固螺丝孔用于将光纤光栅接口板固定于变压器外部，光纤光栅对接口用于将变压器内的所有信号光纤光栅3引出至变压器外部。由于使用一个光纤光栅接口板就可以将变压器内的所有信号光纤光栅3引出至变压器外部，因此，可以最大程度上避免变压器油渗漏，维持变压器的正常工作。

可选地，本实用新型实施例中的信号光纤光栅3应具有临界应变ε₀，信号光纤光栅3的应变ε大于临界应变ε₀时，信号光纤光栅3断裂，该临界应变与待测绕组的形变的临界值相对应，因此，一旦频谱检测电路5无信号接收时，则说明信号光纤光栅3断裂，进而说明待测绕组的形变大于其临界值，进而能够及时准确地对待测绕组进行吊罩检查和检修。

为了便于本领域技术人员实施，下面本实用新型实施例提供几种信号光纤光栅3在待测绕组上的具体固定方式：第一种，如图4所示，至少一条信号光 纤光栅3沿待测绕组9的周向等距固定在待测绕组9上，采用此固定方式时，变压器绕组变形在线测试装置可用于测试待测绕组9在其径向上的变形；第二种，如图5所示，至少一条信号光纤光栅3沿待测绕组9的轴向，等距固定在待测绕组9上，采用此固定方式时，变压器绕组变形在线测试装置可用于测试待测绕组9在其轴向上的变形；第三种，如图6所示，至少一条信号光纤光栅3固定在待测绕组9的出线端上，形成一个三角形结构，采用此固定方式时，变压器绕组变形在线测试装置可用于测试待测绕组9的出线端的变形；第四种，如图7所示，至少一条信号光纤光栅3的一部分位于相邻两个待测绕组9之间，另一部分固定于相邻两个待测绕组9上，采用此固定方式时，变压器绕组变形在线测试装置可用于测试相邻的待测绕组9之间的位移、变形等状况。需要说明的是，本领域技术人员在实施的过程中，可以根据实际需要，在以上四种固定方式中任选至少一种，本实用新型实施例对此不进行限定。

具体来说，对于电压等级为110kV、容量为40MVA的四线圈变压器，该变压器的绕组排列方式从内到外分别为低压、调压、中压、高压。在测试绕组的径向变形时，可以将信号光纤光栅3固定在每相的低压侧绕组上，将低压侧绕组沿轴向分为5段，在每一段的第一线圈上选择均匀分布的6个固定点，并将信号光纤光栅3固定于各固定点上；在测试绕组的轴向变形时，可以将多条信号光纤光栅3分别固定在每相的低压、调压、中压、高压四个绕组中，例如，每个绕组上固定两条信号光纤光栅3，上述两条信号光纤光栅的连线为该绕组的直径，每条信号光纤光栅3均通过均匀分布的5个固定点固定于各绕组上；在测试绕组的出线端的变形时，可以将信号光纤光栅3固定在每相的低压侧绕组的出线端，使信号光纤光栅3呈三角形；当测试相邻绕组之间的位移、变形等状况时，可以将信号光纤光栅3的一部分沿各绕组的轴向以5个固定点进行固 定，并使信号光纤光栅3的另一部分位于相邻的绕组之间。

实施例二

本实用新型实施例提供一种变压器绕组变形在线测试方法，该变压器绕组变形在线测试方法使用实施例一中任一种所述的变压器绕组变形在线测试装置测试变压器绕组变形，具体地，该变压器绕组变形在线测试方法包括：

步骤1、通过脉冲激光提供单元向信号光纤光栅和参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光。

步骤2、通过频谱检测电路检测信号光纤光栅中的反射激光的频谱，以及参考光纤光栅中的激光的频谱。

步骤3、通过计算单元计算信号光纤光栅中的反射激光相对于参考光纤光栅中的激光的频移，并根据频移计算信号光纤光栅的应变情况。其中，频移为信号光纤光栅中的反射激光的中心频谱相对于参考光纤光栅中的激光的中心频谱的移动量。

本实用新型实施例提供的变压器绕组变形在线测试方法包括如上所述的步骤，在使用上述变压器绕组变形在线测试方法测试变压器绕组变形的过程中，只需要首先通过脉冲激光提供单元向信号光纤光栅和参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光，脉冲激光会在信号光纤光栅中发生反射，在参考光纤光栅中前进，然后通过频谱检测电路检测信号光纤光栅中的反射激光的频谱，以及参考光纤光栅中的激光的频谱，最后通过计算单元计算信号光纤光栅中的反射激光相对于参考光纤光栅中的激光的频移，并根据频移计算信号光纤光栅的应变情况。因此，在上述过程中，无需先将变压器停电再进行测试，进而能够解决变压器绕组变形无法在线监测，停电测试效率较低的技术问题。

示例性地，当如实施例一中所述，脉冲激光提供单元包括脉冲激光源、分 布式光纤、3dB光纤耦合器时，上述通过脉冲激光提供单元向信号光纤光栅和参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光的步骤具体包括：通过脉冲激光源向分布式光纤光栅通入脉冲激光；通过分布式光纤将脉冲激光传输至3dB光纤耦合器的输入信道；通过3dB光纤耦合器将脉冲激光耦合为光强相同的两束脉冲激光，并分别提供至信号光纤光栅和参考光纤光栅。

示例性地，当如实施例一中所述，变压器绕组变形在线测试装置还信号放大电路和滤波采样电路时，在通过频谱检测电路检测信号光纤光栅中的反射激光的频谱，以及参考光纤光栅中的激光的频谱之后，变压器绕组变形在线测试方法还包括：通过信号放大电路对检测到的频谱信号进行放大处理；通过滤波采样电路对放大后的频谱信号进行滤波采样处理；根据频移计算信号光纤光栅的应变情况的步骤包括：根据滤波采样处理后的频谱信号计算信号光纤光栅的应变情况。此时，计算所得的信号光纤光栅的应变情况更精确。

示例性地，当如实施例一中所述，变压器绕组变形在线测试装置还包括显示器时，在根据频移计算信号光纤光栅的应变情况之后，变压器绕组变形在线测试方法还包括：通过显示器显示信号光纤光栅的应变情况。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，包括脉冲激光提供单元、至少一条参考光纤光栅、至少一条信号光纤光栅和计算单元；所述变压器绕组变形在线测试装置还包括频谱检测电路；

其中，所述信号光纤光栅固定于待测绕组上，以使所述信号光纤光栅可随所述待测绕组的变形而发生变形，所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅的初始形状相同且所处环境的温度相同，所述脉冲激光提供单元分别与所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅连接，所述频谱检测电路分别与所述参考光纤光栅和所述信号光纤光栅连接，所述计算单元与所述频谱检测电路连接；

所述脉冲激光提供单元用于向所述信号光纤光栅和所述参考光纤光栅中通入光强相同的脉冲激光；所述频谱检测电路用于检测所述信号光纤光栅中的反射激光的频谱和所述参考光纤光栅中的激光的频谱；所述计算单元用于计算所述信号光纤光栅中的反射激光相对于所述参考光纤光栅中的激光的频移，所述频移为所述信号光纤光栅中的反射激光的中心频谱相对于所述参考光纤光栅中的激光的中心频谱的移动量，并根据所述频移计算所述信号光纤光栅的应变情况。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，所述频移与所述信号光纤光栅的应变情况之间的关系满足以下公式：

其中，Δλ_B为频移，λ_B为所述参考光纤光栅中的激光的中心频谱，ε₁为所述信号光纤光栅的轴向应变，ε₂，ε₃分别为所述信号光纤光栅的两正交横向应变，α₁，α_t分别为所述信号光纤光栅的纵向、横向的热膨胀系数，ξ为所述信号光纤光栅的热光系数，Pij为所述信号光纤光栅的弹光张量分量(i、j＝1,2,3)，n_eff为所述信号光纤光栅的有效折射率。

3.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，所述脉冲激光提供单元包括脉冲激光源、分布式光纤、3dB光纤耦合器，其中，所述脉冲激光源与所述分布式光纤的第一端连接，所述分布式光纤的第二端与所述3dB光纤耦合器的输入信道连接，所述3dB光纤耦合器的两个输出信道分别与所述信号光纤光栅和所述参考光纤光栅连接。

4.根据权利要求1～3任一项所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，所述变压器绕组变形在线测试装置包括频谱检测电路时，所述变压器绕组变形在线测试装置还包括信号放大电路和滤波采样电路，所述频谱检测电路、所述信号放大电路、所述滤波采样电路和所述计算单元依次连接。

5.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器的输入端与所述计算单元连接，用于显示所述信号光纤光栅的应变情况。

6.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，还包括圆形的光纤光栅接口板，所述光纤光栅接口板外围设置有多个紧固螺丝孔，中心设置有多个光纤光栅对接口，所述紧固螺丝孔用于将所述光纤光栅接口板固定于变压器外部，所述光纤光栅对接口用于将所述变压器内的所有所述信号光纤光栅引出至所述变压器外部。

7.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，所述信号光纤光栅具有临界应变，所述信号光纤光栅的应变大于所述临界应变时，所述信号光纤光栅断裂，所述临界应变与所述待测绕组的形变的临界值相对应。

8.根据权利要求1所述的变压器绕组变形在线测试装置，其特征在于，至少一条所述信号光纤光栅沿所述待测绕组的周向等距固定在所述待测绕组上，和/或，至少一条所述信号光纤光栅沿所述待测绕组的轴向，等距固定在所述待 测绕组上，和/或，至少一条所述信号光纤光栅固定在所述待测绕组的出线端上，形成一个三角形结构，和/或，至少一条所述信号光纤光栅的一部分位于相邻两个所述待测绕组之间，另一部分固定于相邻两个所述待测绕组上。