基于光纖光柵傳感的變壓器繞組溫度檢測系統(tǒng)

摘要：傳統(tǒng)溫度傳感器受到周圍環(huán)境因素的影響很大，系統(tǒng)采用抗干擾能力強并且對溫度極其靈敏的光纖光柵傳感器。利用光信號的測量和傳輸，再解調(diào)成溫度信號。分析了光纖光柵傳感器的原理和系統(tǒng)構(gòu)成，介紹了軟件和硬件的實現(xiàn)。最后的實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)具有較高的測量精度，可滿足變壓器繞組高精度溫度測量要求。
關(guān)鍵詞：變壓器；光纖光柵；溫度監(jiān)測；繞組測溫

0 引言
    在電力系統(tǒng)中，溫度過高是導(dǎo)致火災(zāi)產(chǎn)生的重要原因。電力變壓器作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其繞組溫度的高低直接影響變壓器的絕緣性和老化率，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的運行安全。正常情況下，熱點溫度的常用基準(zhǔn)值為98℃，老化率與溫度之間的關(guān)系是在基準(zhǔn)溫度上，每上升6℃老化率增加一倍，每下降6℃壽命可延長一倍。熱點溫度如果超過允許值，不僅會影響變壓器的使用壽命，還會影響變壓器的運行安全。因此，對變壓器繞組溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，通過監(jiān)測溫度進(jìn)行預(yù)警并采取有效措施，則可以減少相應(yīng)的事故發(fā)生。
    目前，傳統(tǒng)的變壓器繞組溫度的監(jiān)測方法是電信號測量和紅外測量。基于電信號的測溫系統(tǒng)如熱電偶、電阻溫度計等，這類電信號的傳感器容易受到電磁場的干擾，測量效果不好。紅外測溫實際上屬于非接觸測溫，雖然此方法靈敏度和準(zhǔn)確度都很高，但是卻很容易受到周圍環(huán)境和電磁場的干擾，而且需要人工操作，無法實現(xiàn)無人在線監(jiān)測。另外，紅外測溫儀無法安裝到變壓器內(nèi)部，只能測量變壓器表面的溫度，誤差較大。光纖測溫系統(tǒng)是最近幾年應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的令人滿意的測溫方法，由于光纖傳感器本身防爆、絕緣、抗電磁干擾、質(zhì)量輕、體積小，具有良好的可操作性和埋人性；時域變換性好，易于多點分布測量，并可單線多路復(fù)用，構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)和陣列，便于波分時分復(fù)用及分布式傳感。

1 光纖光柵傳感器的工作原理
    光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)折射率呈周期性調(diào)制的一種無源器件。其反射或透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān)。而外界溫度或應(yīng)變的變化會影響光纖光柵的折射率和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長的變化。光纖布拉格光柵是一種最簡單、最普通的光纖光柵，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。當(dāng)入射光譜經(jīng)過FBG時，滿足Bragg條件的波長λB的單色光被反射回入射端，其余光透射。原理圖如圖1所示。

    由耦合模理論分析可知，F(xiàn)BG反射光中心波長λB可表示為：
    λB=2neffΛ      (1)
    式中：Λ為光柵的周期；neff為有效折射率。由式(1)可以看出，光纖Bragg光柵的中心波長λB由光柵的周期Λ和有效折射率neft決定，而Λ和neff又受溫度和應(yīng)變的影響，因此，溫度和應(yīng)變的變化可以通過Bragg波長λB間接地反映出來。將式(1)微分可得Bragg中心波長的位移量：
   
    式中KT為溫度靈敏度。由式(3)可知光纖光柵的波長的偏移量與溫度變化呈線性關(guān)系，因此只要測出布拉格光柵波長的偏移量就可以測得溫度的改變量。

2 光纖光柵測溫系統(tǒng)的建立
    光纖光柵調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)原理圖如圖2所示。使用ASE光源(Amplification of Spontaneous Emission)，經(jīng)過FFP(Fiber Fabry-Perot)可調(diào)諧光濾波器后，成為窄帶掃描光，經(jīng)光纖光柵傳感器反射后，由光電管PD(Photo Detector)探測出一系列光功率信號，通過軟件處理和與標(biāo)準(zhǔn)波長的比較，解調(diào)出不同光柵傳感器的中心波長，從而實現(xiàn)相應(yīng)物理量的測量。本解調(diào)器有8個光學(xué)信道(Optic Channels)，ASE光源將光功率平均分給8個信道，每個信道可以接入一串不重復(fù)波長的光纖光柵傳感串；信道與信道之間波長可以重復(fù)，測量時傳感器不會相互影響。

    光纖測溫系統(tǒng)可分為三個部分，即傳感器部分、調(diào)制解調(diào)部分、數(shù)據(jù)的處理部分。
2．1 傳感器部分
    該模塊主要將光纖光柵溫度傳感器粘貼在繞組上來測量變壓器繞組的溫度。一般變壓器的繞組溫度的最高點位于繞組中上部，但在這個位置進(jìn)行測量很不方便，因此一般采用繞組的上表面溫度作為變壓器繞組溫度的最高點。由于變壓器的繞組靜止，在其上表面，局部有較大的測量平面，可以將光纖光柵溫度傳感器粘貼于繞組表面進(jìn)行測量，傳感器通過光導(dǎo)纖維導(dǎo)出，這樣既可以避免損壞變壓器，還可以直接感知變壓器繞組的溫度變化，提高測量的精度。
2．2 調(diào)制解調(diào)部分
    該部分主要由BaySpec解調(diào)模塊+增值擴展模塊、ASE光源+環(huán)形器、MEMS光開關(guān)等部分組成，全光譜的光照和處理反射回來的光信號，將數(shù)據(jù)分析校準(zhǔn)轉(zhuǎn)化是這部分的主要任務(wù)。系統(tǒng)解調(diào)模塊采用北京摩爾朗通科技有限公司代理美國BaySpec公司的Wave Capture型FBG波長解調(diào)模塊。BaySpec低速模塊具有光譜和峰值兩種數(shù)據(jù)模式。BaySpec FBGA增值擴展模塊通過并口擴展訪問BaySpec低速波長解調(diào)模塊得到DPR AM
中的數(shù)據(jù)，通過簡單的RS 232或RS 485接口將數(shù)據(jù)送入用戶PC。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為VS 2010，軟件系統(tǒng)主要功能如圖3所示。

    PC機接收到下位機傳上來的實時數(shù)據(jù)后，首先要根據(jù)溫度與波長的對應(yīng)公式計算出實時的溫度值，并將此數(shù)值存入數(shù)據(jù)庫，以便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。軟件系統(tǒng)繪制了實時的溫度曲線，方便觀察者直觀的觀看溫度的變化趨勢，另外，在高溫報警模塊利用差分方程對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢擬合，能夠得出預(yù)警值，有效的預(yù)防溫度過高引起的相關(guān)事故。

4 實驗結(jié)果與分析
    測試中采用恒溫液體槽和國際二等水銀溫度計來進(jìn)行對比，其中國際二等水銀溫度計每年通過國家測量儀器中心校正一次，恒溫液體槽槽內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)變壓器油，精度可達(dá)到±0．02℃，恒溫槽可進(jìn)行各溫度段的調(diào)節(jié)，其實驗裝置如圖4所示。

    根據(jù)標(biāo)定的系數(shù)，模擬現(xiàn)場的溫度，最高溫度升至130℃，得到實驗結(jié)果如表1所示。

    由表1可以看出，光纖光柵測溫系統(tǒng)所測得的溫度更加準(zhǔn)確，更加接近物體的真實溫，可見光纖光柵測溫系統(tǒng)在溫度的精準(zhǔn)度上完全符合變壓器繞組測溫的要求。

5 結(jié)語
    基于光纖光柵傳感器的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是為測量變壓器繞組溫度而設(shè)計的。由于變壓器的運行環(huán)境和使用溫度不同，所以對變壓器冷卻系統(tǒng)溫度值的確定要在考慮安全運行的同時，盡量做好節(jié)能降耗。實時監(jiān)測變壓器的油溫非常重要。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感器作為溫度的測量單元，絕緣、耐溫，靈敏度高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功耗低，對變壓器繞組測溫具有良好的應(yīng)用前景。