基于光纖光柵的變壓器繞組溫度檢測方法

1、基于光纖光柵的變壓器繞組溫度檢測方法1 緒論在電力系統(tǒng)中，溫度過高是導(dǎo)致火災(zāi)產(chǎn)生的重要原因。因此，對變壓器繞組溫度進行實時監(jiān)測，通過監(jiān)測溫度進行預(yù)警并采取有效措施，則可以減少相應(yīng)的事故發(fā)生。光纖傳感技術(shù)是一門新興的、多學(xué)科交叉的高科技應(yīng)用技術(shù)，以傳感技術(shù)為核心的大型設(shè)備健康監(jiān)測逐漸成為一個重要的研究方向。相對于傳統(tǒng)的傳感器，光纖Bragg光柵傳感器具有體積小、重量輕、可植入結(jié)構(gòu)、可復(fù)用以及無電磁干擾等優(yōu)點，因而成為設(shè)備健康監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用前景最好的核心傳感元件之一。在各類光纖傳感器中，光纖Bragg光柵傳感器由于適應(yīng)于惡劣環(huán)境下的長期監(jiān)測，成為最具前景的電類傳感器的替代品。2 變壓器繞組溫度在線監(jiān)

2、測的研究現(xiàn)狀2.1 直接測量法對于變壓器繞組溫度的監(jiān)測，工程中主要采用直接測量法。這種方法可以直接獲取繞組的溫度情況，原理就是將測溫傳感器探頭植入繞組附近，這樣便可以較準確地得到繞組的溫度分布情況。從理論上分析，這種測溫方法的結(jié)果應(yīng)該較為準確，但是考慮到變壓器內(nèi)部的封閉性，植入變壓器繞組中的傳感器探頭可能會破壞其結(jié)構(gòu)，影響絕緣性，進一步影響變壓器的正常運行，所以這種直接測溫法對傳感器和變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。2.2 光纖技術(shù)測量法光纖技術(shù)的引入為測量變壓器繞組的溫度提供了很好的一個途徑。當傳感器溫度發(fā)生變化時，光的一些物理參數(shù)會隨之改變，所以我們可以對光進行調(diào)制得到測溫探頭周圍的溫度分布情況

3、，光的調(diào)制有很多種類比如波長調(diào)制、振幅調(diào)制、頻率及相位調(diào)制等，所以根據(jù)不同的調(diào)制方法，就產(chǎn)生了基于光纖的不同測溫傳感器。但是每種調(diào)制方法都有其優(yōu)勢和缺點，因此其應(yīng)用場合也有較大區(qū)別。2.2.1 基于半導(dǎo)體材料的光纖傳感器半導(dǎo)體材料的溫度和光吸收之間存在的關(guān)系，利用半導(dǎo)體材料的這種特性可以制造出強度調(diào)制光纖傳感器，強度調(diào)制的方法比較多，比如反射式或者透射式調(diào)制，以及折射率和吸收系數(shù)強度調(diào)制。大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度呈現(xiàn)出線性的負相關(guān)性，即當周圍的溫度升高時，其禁帶寬度出現(xiàn)線性的減小，光吸收帶的波長就會隨著溫度的升高而增大。如果選用輻射譜與吸收帶相對應(yīng)的光源，溫度升高，半導(dǎo)體的光強下降，然后根據(jù)光強

4、和溫度的函數(shù)關(guān)系就可以通過反射光強度的數(shù)值求出半導(dǎo)體材料溫度的數(shù)值。現(xiàn)階段，半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器已經(jīng)被用于國外大型電器設(shè)備的溫度檢測中，而且其測量效果較為良好。圖2.1傳感器測溫探頭結(jié)構(gòu)這種溫度傳感器也越來越受到國內(nèi)學(xué)者的親睞，并對其進行了深入的研究。這種光纖溫度傳感器主要有三部分構(gòu)成：光電轉(zhuǎn)換器件、光源和敏感元件。砷化鎵半導(dǎo)體是常用的敏感元件，價格廉價的發(fā)光二極管可以作為光源使用，光電轉(zhuǎn)換器可以采用光電二極管。這種光纖溫度傳感器具有低成本，結(jié)構(gòu)簡單而且制作時容易完成。傳感器的性能受到光強度的影響較大，這是其主要缺點，同時測量之前還需要對溫度和光照強度進行標定工作。除了溫度對光強度產(chǎn)生影

5、響外，測量光強的光探測器、光源光照是的不穩(wěn)定、耦合損耗、光纖受到彎曲時引起的隨機起伏等因素都有可能造成影響，所以僅僅根據(jù)事先標定的溫度-光照強度函數(shù)關(guān)系無法很好的提高其測溫性能。2.2.2 熒光光纖測溫技術(shù)近些年在光纖測溫系統(tǒng)中，熒光光纖測溫技術(shù)成為了一種研究熱點。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于ABB，通用電氣等公司的變壓器中。熒光光纖測溫儀經(jīng)常被使用，將這種測溫儀埋入變壓器繞組中便可以進行溫度測量。熒光光纖傳感器自上世紀 80 年代以來就被用來進行變壓器繞組的溫度測量，該傳感器類型較多，WTS-11型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測系統(tǒng)由美國Luxtron公司研發(fā)，其正常監(jiān)測的溫度范圍為0-200，速度最快是可

6、以每10秒鐘進行一次測量，而且其溫度分辨率達到了1，10米左右的測溫探頭也比較有優(yōu)勢，因而高壓開關(guān)柜母線開關(guān)、負載的抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)和電力變壓器等監(jiān)測環(huán)境廣泛地應(yīng)用此類傳感器。圖2.2熒光光纖測溫裝置原理圖熒光光纖測溫法是以物質(zhì)所發(fā)射的熒光強度與濃度之間的線性關(guān)系及以熒光光譜的形狀和熒光峰對應(yīng)的波長進行定性分析。熒光材料具有耐高溫和性能穩(wěn)定的特點，光脈沖由LED光源發(fā)出，通過光纖傳輸?shù)竭_傳感器進行對溫度的測量，探頭中的熒光物質(zhì)受到了光譜照射，這些化學(xué)物質(zhì)的分子因為吸收光從而被激發(fā)到電子激發(fā)態(tài)，它就會向外輻射熒光，使本身的能量降低到電子基態(tài)。周圍的環(huán)境溫度和熒光的衰減時間呈現(xiàn)一種函數(shù)關(guān)系，通過溫度和

7、熒光的衰減時間確立該函數(shù)，被測物體的溫度值就可以得到，傳感器探頭需要在變壓器繞組制造或者改進是進行操作，將多個測溫點埋設(shè)于變壓器繞組就可以盡可能的得到更準確的繞組溫度。因此這樣方法獲取的溫度值準確，但埋入的傳感器探頭影響了變壓器的絕緣性，而且此種方法后期維護困難，需要拆開變壓器，很容易影響變壓器性能，消耗很大的人力物力。上面講到了強度調(diào)制光纖傳感器和熒光光纖傳感器在變壓器繞組測溫中的應(yīng)用。但在實際測溫中，只能布置單一的溫度傳感器探頭，而且這兩類傳感器無法實現(xiàn)光路的空分和波分復(fù)用，如果放置太多的傳感器探頭，會造成變壓器繞組中的測量線路多而且復(fù)雜，嚴重影響了變壓器的性能，也比較浪費資源。因而分布式

8、的光纖溫度傳感器可以克服一些上面提到的傳感器的不足之處。2.2.3 分布式的光纖溫度傳感器當進行溫度測量時，分布式的光纖溫度傳感器通常將光纖放置于與溫度場平行的方向，由于光在傳輸過程中具有光時域的后向散射特性，這樣被測量物體的溫度信息就包含在散射光中，分析光纖中的散射光就可以知道被測物體周圍的溫度分布。這種傳感器最大的優(yōu)勢就是進行分布式測量，這對于傳統(tǒng)的電類傳感器來說是很難實現(xiàn)的，所以其應(yīng)用價值比較明顯，市場中已經(jīng)出現(xiàn)了多種該類型的傳感器?；谌鹄≧ayleigh）散射和布里淵（Brillouin）散射原理的光纖傳感器便是光時域反射（OTDR）技術(shù)的代表。這些測溫系統(tǒng)在空間中的定位誤差在1m

9、左右，溫度誤差一般為幾攝氏度，由于其具有定位功能，電纜的溫度測量中較廣泛地使用此類測溫系統(tǒng)。如果應(yīng)用于變壓器繞組的測溫，則由于變壓器的結(jié)構(gòu)有別于電纜，定位誤差太大，而定位誤差和溫度誤差相互制約，因此降低定位誤差之后，溫度分辨率的誤差便增大了。所以說，就目前的技術(shù)而言，分布式光纖溫度傳感器不太適合應(yīng)用于變壓器繞組測溫。圖2.3 分布式的光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架圖由于變壓器的健康狀況對大型企業(yè)的作用越來越明顯，我國的科研人員已經(jīng)將其溫度監(jiān)測作為了一項研究重點。有些變壓器在制造時就安裝了測量繞組的監(jiān)測裝置，這樣為后續(xù)對變壓器溫度測量打下了較好的基礎(chǔ)，其中一部分已經(jīng)投入使用，效果良好，現(xiàn)實意義明顯。光纖溫

10、度傳感器已經(jīng)被國內(nèi)的很多生產(chǎn)廠商作為研發(fā)的重點項目，而且不同型號的分布式光纖溫度傳感器已被生產(chǎn)，例如山東微感光電子公司生產(chǎn)的型號為MSP-2000的光纖變壓器繞組溫度測量系統(tǒng)等。國外的此類產(chǎn)品也比較多，比如加拿大Neoptix公司生產(chǎn)的型號為T/Guard光纖測溫系統(tǒng)。中國一些企業(yè)也采購了此類設(shè)備，但在實際應(yīng)用中，缺點也是非常明顯的，系統(tǒng)調(diào)試困難，探頭體積大而且數(shù)目多，不容易放置。2.2.4 光纖Bragg光柵溫度傳感器光纖Bragg光柵溫度傳感器的優(yōu)點在此顯現(xiàn)的更加明顯，由于這種溫度傳感器的感溫裝置是光柵，光柵是通過紫外光技術(shù)寫入光纖中的，所以傳感器探頭實際上就是光纖，非常容易安裝。總體來說

11、，光纖光柵溫度傳感器相比于其他類型的傳感器，優(yōu)勢明顯，由于不需要在現(xiàn)場進行供電，所以變壓器周圍的強電磁干擾不會影響溫度的測量，測量的分辨率和精度高，響應(yīng)速度很快，可以長時間的放置于腐蝕性強、高濕度、高溫度的測溫環(huán)境中，線路損耗和光源衰減也不會造成影響，傳感器可以實現(xiàn)分布式布置，實現(xiàn)多點測量。2.3 光纖光柵理論2.3.1 光纖Bragg光柵模式理論在研究光纖布拉格光柵的光學(xué)特性時，雖然有很多的理論分析方法，但是最常用的是模式耦合理論，此理論可以用多個耦合方程比較容易地和無微擾光波導(dǎo)中的微擾正反向傳輸模場。這種方法一開始僅僅適合應(yīng)用于均勻結(jié)構(gòu)光柵，后來隨著研究的深入，此理論拓展到非周期結(jié)構(gòu)的光柵

12、。由于光敏光柵具有光致折射率改變的特性，光纖光柵的制作方法便是依據(jù)此特性，用紫外光曝光進行照射，光纖中就會發(fā)生折射率的擾動現(xiàn)象，這樣就可以形成光纖光柵，用neff代表總導(dǎo)模的有效折射率，其變化可以表示如下：neffz=neff(z)1+scos2z+(z)s代表條紋可見度，𝛬代表光柵周期，(z)是光柵周期的相移，不同的光纖光柵，其(z)和neff也不同。圖2.4裸光纖光柵的反射波長與溫度變化曲線由于目前光纖光柵的制作方法大多是用紫外光曝光，在曝光區(qū)形成干涉條紋，但是這種方法形成的折射率不能嚴格的服從于正弦分布。但對于光纖光柵的理論分析和研究具有非常重要的價值，而且這也是研究其他

13、光纖光柵的理論基礎(chǔ)。2.3.2 光纖測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計基于光纖Bragg光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的基本原理是,溫度的改變會引起光纖光柵后向反射光中心波長的改變，通過探測波長的變化量進而求出溫度的變化。整個光纖光柵溫度測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖2.5如下圖所示，其構(gòu)成包括激勵單元、耦合單元、傳感單元、解調(diào)裝置和PC機。圖2.5 光纖光柵測溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖由于光纖傳感器可以采用復(fù)用技術(shù)，所以在含有多個傳感光柵的測溫系統(tǒng)中要求激勵光源除了能夠輸出能量較高的輸入光，還要求其輸出光的帶寬也較寬。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，各個傳感光柵的中心波長不能夠重合，加上每個傳感光柵受到溫度的變化，中心波長也會出現(xiàn)漂移，所以各個傳感器之間的間

14、隔也需要預(yù)留，結(jié)合以上幾點，選擇ASE光源作為激勵單元，其輸出的光能量可達到13dBm，輸出的波長帶寬可以達到40納米，并且包含C波段區(qū)域，在此區(qū)間光纖光柵中心波長和溫度的函數(shù)關(guān)系接近于直線，適合應(yīng)用。2.4 小結(jié)在測試過程中發(fā)現(xiàn)，中心波長與溫度變化有很好的線性關(guān)系，證明了光纖光柵具有很好的溫度響應(yīng)特性，是一種理想的溫度傳感元件。由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自GMeltz等人首次報道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來，已經(jīng)在電力工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電力工業(yè)中的應(yīng)用光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現(xiàn)長距離低

15、損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖

16、光柵傳感器實現(xiàn)遠距離惡劣環(huán)境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視以及用于實現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實現(xiàn)深度測量(1mm)的優(yōu)勢，并已有實例應(yīng)用于對生長中的細胞進行觀察和監(jiān)測。智能橋梁建筑材料應(yīng)用智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對

17、其安全運轉(zhuǎn)、以及故障的實時監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于橋梁測試中，可實現(xiàn)對橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測量和測控，從而構(gòu)成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進行監(jiān)測；我國的繆延彪教授建立了一種新的波長干涉儀試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)較大范圍的絕對距離測量。航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用上世紀90年代，Vali和Shorthill首次提出并實驗驗證了I-FOG原理，同時通過采用消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度剪切應(yīng)力傳