WO2014205996A1 - 基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方法，利用光纤光栅温度测量系统，将变压器内部温度进行准分布式描述，确定变压器内部最热点位置，并对变压器内部局部区域进行寿命评估，并根据变压器各位置的寿命损耗，在结合变压器绝缘特性与该部位寿命对变压器整体寿命的影响，进行科学合理的变压器寿命预测。该方法能够利用光纤光栅温度测量系统，计算并评估变压器内部绝缘寿命的损耗与其变化速率，从而指导运维部门进行科学、安全可靠地改善变压器运维策略。

Description

基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方法 技术领域

本发明属于输变电设备中变压器在线监测领域，准确的说是一种利用光纤光 栅温度测量系统，检测变压器内部实际温度情况， 并根据变压器绝缘特性对其绝 缘的寿命进行评估与预测。 背景技术

电力变压器的内部温度是表征变压器热特性的重要参数，也是变压器绝缘寿 命的决定因素， 根据《GB 1094.7-2008电力变压器第 7部分： 油浸式电力变压器 负载导则》， 可知变压器绝缘寿命的损耗直接取决于变压器运行过程中最热点温 度以及其持续时间。 由于变压器内部属于高电压、 强电磁场环境， 传统的测温方 法难于或根本无法得到真实的测试结果。因此国内外学者们很早就开展了相关的 研究， 并取得了一定的成果。 目前得到变压器内部温度主要有三种方法， 分别是 热模拟测量法， 间接计算法和直接测量法。

• 热模拟测量法 热模拟测量法以绕组热点温度^ ^{= S}^^^{e +} 为基础。 式中 ^^^¾为铜油温 差； ^t&为顶层油温； K为热点系数。 测试系统用电流互感器获取电流 ' (正比于 负荷）， 流经温包内特别设计的加热元件以获取 ^Δί'^， 加上 即为绕组热点温度。

热模拟法测量的前提是变压器油箱顶层、 绕组内顶层油温和变压器油温近 似。这不适合多路系统变压器； 且模拟产生的附加温升^^虽已校准， 但运行绕 组的温升过程与模拟不尽相同， 误差较大， 法国电网已停用该测温装置。 对"热 模拟法"测量误差分析后， 认为严格设计与选型 "热模拟"绕组温度计与温度计 座可提高 "热模拟法" 的测温性能。

• 间接计算法

间接计算法中应用最为广泛的是 IEEE Std C57.91 和 IEC354 标准中推荐 的热点温度计算模型。在这两个模型中， 热点温度由环境温度， 顶油或底油温度 以及绕组热点对油的温差来计算得到。在预测方程中，针对不同负载情况采用不 同的负载系数进行修正，对于不同的冷却方式则采用相应的绕组指数和油指数进 行修正。但是， 经验模型在计算时误差较大， 尤其是大容量变压器顶层油温明显 滞后于绕组油温， 当变压器负荷快速增加时， 由于热传递响应速度的原因， 变压 器顶层油温需经过一段时延才能反映出绕组的工况变化，这种情况下此方法很难 能够反映绕组及匝间油道温度的快速变化，对变压器的允许过载及运行寿命评估 几乎没有实际意义。

因此，基于这两个预测模型又有学者提出了许多改进的热点温度模型，这类 模型是基于以上两标准中推荐的热点温度模型进行的改进。如通过对变压器不同 运行情况下试验发现当负载增加时，变压器绕组热点温度升高速度要比采用顶油 时间常数的指数方程预测值快， 因此其对标准中推荐方程进行了修正，在热点温 升系数上加入了过冲因子（overshoot factor )。还有， 在变压器短路热试验研究的 基础上对推荐方程进行了修改， 建立了基于底油温度的热点预测方程。 2001年， 加拿大 Manitoba 大学的 Swift 等人提出了一种基于热电类比的热点温度预测 模型。 此类模型中含有较多的非线性参数， 需要采用参数辨识方法来确定。

间接计算法可近似计算变压器绕组热点温度，能够基本反映真实的热传导过 程。但是对于变压器的非线性特征反应不足，在热路中没有涵盖影响变压器绕组 热点温度分布的全部重要因素， 同时计算公式中很多计算参数由经验得出，通用 性不强， 引起计算结果精度不足。且热模型法只能求解热点温度值， 不能得到热 点的具体位置。

• 直接测量法

直接测量法是在变压器靠近导线部位或导线线饼中安装温度传感器，直接测 量绕组的热点温度。 传感器有声频、 结晶石英、 莹光、 红外辐射激发式、 镓砷化 合物晶粒光致发光传感器等多种形式。埋入方法有多点埋入流道间隙及只埋在线 饼间隙流道出口处等多种。对变压器温度的直接检测不能采用常规的电传感器温 度测量系统， 而红外光学测温系统只能用于物体表面温度的测量，对结构复杂的 变压器内部温度无法进行。光纤温度传感器有良好的电绝缘性、极强的抗电磁场 干扰能力和优良的可靠性， 因此非常适合变压器内部的温度测量。

要获得一个一定跨度范围的整个温度信息，使用单点移动式或由多个单点组 成的准分布式传感方式既浪费资源又在布线上很困难。这时使用分布式光纤温度 传感器显然是最有效的方法。

分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿温度场分布，借助于光在传输时光时 域后向散射 （optical time domain reflect简称 OTDR) 技术， 根据散射光所携带 的温度信息来测量温度。 目前研究最多， 最有影响力的基于散射机理的分布式光 纤温度传感器系统有： 基于光纤瑞利散射的光时域反射 （Rayliegh-OTDR) 测量 系统、 基于光纤喇曼散射的光时域反射（Raman-OTDR)测量系统和基于光纤布 里渊散射的光时域反射 （DOTDR-Brillouin OTDR) 测量系统。

由目前的研究成果来看， 分布式光纤测温系统的测温误差一般为几个摄氏 度， 定位误差为一米左右， 在电力系统主要应用于电缆的分布温度监测。对于变 压器内部温度的监测其定位误差显然较大，若提高其定位的精度就又会降低其对 温度的分辨率，所以这种温度监测系统在变压器内部温度的监测应用还需要进一 步研究。

近年来迅速发展的光纤光栅 （Fiber Bragg Grating-FBG) 传感器由于其特殊 的结构又为我们提供了一种新的温度监测系统。光纤光栅测温系统属于准分布式 温度测量， 是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测 温，传感过程则通过外界参量对布喇格光栅中心波长的调制来获取信息， 是一种 波长调制型光纤传感器， 具有非常好的可靠性和稳定性。光纤光栅传感系统在一 根光纤中串接多个光纤光栅传感器， 每个光栅的工作波长相互分开， 经 3dB耦合 器取出反射光后， 用波长探测解调系统同时对多个光栅的波长偏移进行测量， 从 而检测出相应被测量的大小和空间分布。当宽带光源照射光纤时，每一个光纤光 栅反射回一个不同布喇格波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响， 如温度 或应变， 都将导致这个光纤光栅布喇格波长的改变。分布式光纤光栅解调系统通 过测量各测试点光纤光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点的待测参量 的变化。

除了光纤光栅传感器本身具有的抗电磁干扰、 灵敏度高、 尺寸小、 易埋入、 利用复用技术易实现单纤多点、多参量准分布式测量等优点，准分布式传感型光 纤温度监测系统还有下列优点：

信息量大。 准分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上以 距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都 是 "传感器"， 它的信息量可以说是海量信息。

(b)结构简单、 可靠性高。 由于准分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不 仅起传光作用而且起传感作用， 因此结构异常简单， 施工方便， 潜在故障少， 可 维护性好， 可靠性高。

(c)使用方便。 光纤埋设后， 测点可以按需要设定， 即可以取 2 m距离为 1 个测点， 也可以取 l m距离为 1个测点等。 因此， 在病害定位监测时极其方便。

有鉴于此，本发明提供一种基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方 法， 以满足实际应用需要。 发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，发明一种基于光纤光栅测温系统进 行变压器寿命预测的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预 测的方法， 其特征在于， 包括如下步骤：

1 ) 提供一光纤光栅测温系统， 所述光纤光栅测温系统由变压器本体， 终端 PC机，波长解调仪和布置在变压器本体内部的若干光纤光栅传感器组成，其中， 波长解调仪包含宽带光源、 3dB耦合器、 光开光、 F-P滤波器、 光电转换模块、 锯齿波发生器、若干光纤； 所述光纤光栅测温系统的工作过程是： 由宽带光源发 出的光经 3dB耦合器， 再经光开光照射到各光纤中； 每根光纤上串联多个反射 中心波长不同的光纤光栅传感器，宽带光照射到每个光纤光栅传感器后将变为峰 值波长不同的窄带光反射回来， 再经光开关和 3dB耦合器进入 F-P滤波器以及 光电转换模块，将波长编码的传感信号转换为数字信号送入终端 PC机进行运算 处理；变压器本体工作中其内部温度会发生变化，导致内部布置的光纤光栅传感 器的反射波长发生变化，与此同时，锯齿波发生器的单片机提供给压电陶瓷锯齿 波电压， 改变 F-P滤波器腔长， 使通过 F-P滤波器的波长与之匹配， 当 F-P滤波 器的反射波长与光纤光栅传感器的反射波长相同时，光电探测器输出最大值，并 记录下压电陶瓷的扫描电压值，该时刻的扫描电压和光纤光栅反射波长构成了一 个数据对；根据波长与温度的关系，测出了波长变化量就能得到相应的温度变化 量， 即达到测温的目的；

2) 在布置光纤光栅温度测量系统时， 记录光纤光栅传感器布置位置， 计算 变压器内部绝缘老化率并得出其寿命损耗， 并根据变压器内部绝缘位置，针对变 压器不同位置绝缘老化后对变压器运行影响不尽相同，因此需要进行损失寿命矫 正， 从而计算变压器的寿命损耗：

老化率与温度关系如下表所示：

在一定时期变压器绝缘寿命损失 L为

式中：

V_n_为第 η个时间间隔内的相对老化率:

t_n_第 η个时间间隔；

n—所考虑期间内每个时间间隔的序数；

Ν—所考虑期间内的时间间隔数。 则变压器寿命损失为： ^=:™^{: k£}

其中 k取值如下表所示:

通过该系统可以针对性的评估变压器内部绝缘老化程度，并根据内部局部绝 缘位置，判定该位置的绝缘老化对变压器的影响程度，从而科学有效的描述变压 器的寿命情况。

本发明的有益效果是： 本发明的方法能够利用光纤光栅温度测量系统，计算 并评估变压器内部绝缘寿命的损耗与其变化速率， 从而指导运维部门进行科学、 安全可靠地改善变压器运维策略。通过该系统可以针对性的评估变压器内部绝缘 老化程度， 并根据内部局部绝缘位置，判定该位置的绝缘老化对变压器的影响程 度， 从而科学有效的描述变压器的寿命情况。 附图说明

图 1是本发明的光纤光栅测温系统结构图。 具体实施方式

为了更好地理解本发明， 下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发 明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动 或修改， 这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

附图中的符号说明： 1-变压器本体、 2-终端 PC机、 3-波长解调仪、 4-光纤光 栅传感器、 5-宽带光源、 6-3dB耦合器、 7-光开光、 8- F-P滤波器、 9-光电转换 模块、 10-锯齿波发生器、 11-光纤。

本发明是利用光纤光栅温度测量系统， 将变压器内部温度进行准分布式描 述， 确定变压器内部最热点位置， 并根据《GB 1094.7-2008电力变压器 第 7部 分： 油浸式电力变压器负载导则》对变压器内部局部区域进行寿命评估， 并根据 变压器各位置的寿命损耗，在结合变压器绝缘特性与该部位寿命对变压器整体寿 命的影响， 进行科学合理的变压器寿命预测。 下面对本发明进行详细介绍： 光纤光栅测温系统结构如图 1所示， 整个系统由变压器本体 1， 终端 PC机

2， 波长解调仪 3和布置在变压器本体 1内部的若干光纤光栅传感器 4组成， 其 中， 波长解调仪 3包含宽带光源 5、 3dB耦合器 6、 光开光 7、 F-P滤波器 8、 光 电转换模块 9、 锯齿波发生器 10、 光纤 11等。

1. 光纤光栅测温系统

由宽带光源 5发出的光经 3dB耦合器 6，再经光开光 7照射到各光纤 11中。 每根光纤 11上串联多个反射中心波长不同的光纤光栅传感器 4， 宽带光照射到 每个光纤光栅传感器 4后将变为峰值波长不同的窄带光反射回来， 再经光开关 7 和 3dB耦合器 6进入 F-P滤波器 8以及光电转换模块 9，将波长编码的传感信号 转换为数字信号送入终端 PC机 2进行运算处理。变压器本体 1工作中其内部温 度会发生变化， 导致内部布置的光纤光栅传感器 4的反射波长发生变化， 与此同 时， 锯齿波发生器 10的单片机提供给压电陶瓷锯齿波电压， 改变 F-P滤波器 8 腔长， 使通过 F-P滤波器 8的波长与之匹配， 当 F-P滤波器的反射波长与光纤光 栅传感器 4的反射波长相同时，光电探测器输出最大值， 并记录下压电陶瓷的扫 描电压值， 该时刻的扫描电压和光纤光栅反射波长构成了一个数据对。根据波长 与温度的关系，测出了波长变化量就能得到相应的温度变化量， 即达到测温的目 的。

2. 寿命预测系统

在布置光纤光栅温度测量系统时，记录光纤光栅传感器布置位置，根据《GB 1094.7-2008电力变压器 第 7部分： 油浸式电力变压器负载导则》 规定六度法 则可以计算变压器内部绝缘老化率并得出其寿命损耗，并根据变压器内部绝缘位 置，针对变压器不同位置绝缘老化后对变压器运行影响不尽相同， 因此需要进行 损失寿命矫正， 从而计算变压器的寿命损耗。

老化率与温度关系如下表所示：

e_h ( °ο 非热改性纸绝缘 V 热改性纸绝缘 V

80 0.125 0.036

86 0.25 0.073

92 0.5 0.145

98 1.0 0.282

104 2.0 0.536

110 4.0 1.0

116 8.0 1.83

122 16.0 3.29

128 32.0 5.8

134 64.0 10.1

140 128.0 17.2 在一定时期变压器绝缘寿命损失 L为

L =

式中：

V_n_为第 n个时间间隔内的相对老化率

t_n_第 n个时间间隔；

n—所考虑期间内每个时间间隔的序数；

说

N—所考虑期间内的时间间隔数。

书

则变压器寿命损失为： ^{1 = msx kL}

其中 k取值如下表所示:

通过该系统可以针对性的评估变压器内部绝缘老化程度，并根据内部局部绝 缘位置，判定该位置的绝缘老化对变压器的影响程度，从而科学有效的描述变压 器的寿命情况。

以上仅为本发明的实施例而已， 并不用于限制本发明， 因此， 凡在本发明的 精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的权 利要求范围之内。

Claims

1、 一种基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方法， 其特征在于， 包括如下步骤：

1 ) 提供一光纤光栅测温系统， 所述光纤光栅测温系统由变压器本体， 终端 PC机，波长解调仪和布置在变压器本体内部的若干光纤光栅传感器组成，其中， 波长解调仪包含宽带光源、 3dB耦合器、 光开光、 F-P滤波器、 光电转换模块、 锯齿波发生器、若干光纤； 所述光纤光栅测温系统的工作过程是： 由宽带光源发 出的光经 3dB耦合器， 再经光开光照射到各光纤中； 每根光纤上串联多个反射 中心波长不同的光纤光栅传感器，宽带光照射到每个光纤光栅传感器后将变为峰 值波长不同的窄带光反射回来， 再经光开关和 3dB耦合器进入 F-P滤波器以及 光电转换模块，将波长编码的传感信号转换为数字信号送入终端 PC机进行运算 处理；变压器本体工作中其内部温度会发生变化，导致内部布置的光纤光栅传感 器的反射波长发生变化，与此同时，锯齿波发生器的单片机提供给压电陶瓷锯齿 波电压， 改变 F-P滤波器腔长， 使通过 F-P滤波器的波长与之匹配， 当 F-P滤波 器的反射波长与光纤光栅传感器的反射波长相同时，光电探测器输出最大值，并 记录下压电陶瓷的扫描电压值，该时刻的扫描电压和光纤光栅反射波长构成了一 个数据对；根据波长与温度的关系，测出了波长变化量就能得到相应的温度变化 量， 即达到测温的目的；

2) 在布置光纤光栅温度测量系统时， 记录光纤光栅传感器布置位置， 计算 变压器内部绝缘老化率并得出其寿命损耗， 并根据变压器内部绝缘位置，针对变 压器不同位置绝缘老化后对变压器运行影响不尽相同，因此需要进行损失寿命矫 正， 从而计算变压器的寿命损耗：

老化率与温度关系如下表所示：

122 16.0 3.29

128 32.0 5.8

134 64.0 10.1

140 128.0 17.2 在一定时期变压器绝缘寿命损失 L为

L = I

或者

式中:

V_n_为第 η个时间间隔内的相对老化率:

t_n_第 η个时间间隔；

n—所考虑期间内每个时间间隔的序数；

Ν—所考虑期间内的时间间隔数。 则变压器寿命损失为：

其中 k取值如下表所示:

通过该系统可以针对性的评估变压器内部绝缘老化程度，并根据内部局部绝 缘位置，判定该位置的绝缘老化对变压器的影响程度，从而科学有效的描述变压 器的寿命情况。