【光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)12000字（論文）】

光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)1緒論 11.1變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)目的與意義 11.2國(guó)內(nèi)外繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài) 11.3主要研究?jī)?nèi)容 52變壓器繞組熱點(diǎn)溫度及故障研究 62.1影響繞組溫升的因素 62.1.1漏磁是產(chǎn)生負(fù)載損耗的主要外因 62.1.2電流密度直接影響發(fā)熱量 62.2油溫冷卻方式 62.3變壓器繞組故障原因及防范措施 72.4本章小結(jié) 83繞組溫度監(jiān)測(cè)的方法研究 93.1光纖光柵溫度傳感器 93.2溫度測(cè)量方法的選擇 93.2.1間接計(jì)算測(cè)量法 93.2.3熱模擬計(jì)算法 103.2.3直接測(cè)量法 103.3本章小結(jié) 114光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì) 124.1變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì) 124.2器件的選擇 124.2.1可調(diào)F-P濾波器的選擇 124.2.2光纖光柵傳感器的選擇 134.2.3光電接收模塊 134.2.4電源 144.3變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 154.3.1溫度示值誤差實(shí)驗(yàn) 154.3.2溫度靈敏度實(shí)驗(yàn) 154.4本章小結(jié) 165總結(jié)與展望 17參考文獻(xiàn) 181緒論1.1變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)目的與意義不管是變壓器的生產(chǎn)廠商還是其使用者，都需要時(shí)常監(jiān)測(cè)繞組的熱點(diǎn)溫度。因?yàn)殡S著時(shí)代進(jìn)步，人們的生活水平提高，需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，電力的穩(wěn)定性與變壓器息息相關(guān)，因此，變壓器的安全和繞組的熱點(diǎn)溫度監(jiān)控就顯得非常重要。電力變壓器造價(jià)不菲，如果受到損害，不但造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)危及人們的生命。自從變壓器產(chǎn)生以來，其安全性、穩(wěn)定性一直是電力工程師研究的熱點(diǎn)問題。想要提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，就必須定期監(jiān)測(cè)變壓器是否正常工作，而繞組熱點(diǎn)溫度是反映變壓器是否處于正常工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。變壓器長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，一般不會(huì)停機(jī)。長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，變壓器內(nèi)部部件均會(huì)有不同程度的發(fā)熱，尤其是繞組局部發(fā)熱的問題。繞組過熱會(huì)導(dǎo)致一系列的連鎖反應(yīng)，輕則導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障使其停機(jī)，重則導(dǎo)致變壓器發(fā)生爆炸，造成大面積的電網(wǎng)事故。絕緣能力受繞組熱點(diǎn)溫度的影響。經(jīng)查詢資料及研究分析，絕緣狀態(tài)深深影響著變壓器的可靠運(yùn)行。變壓器的壽命降低離不開絕緣能力的下降，絕緣老化會(huì)加劇繞組的溫度升高[1]。若繞組最熱點(diǎn)的溫度低到一定的值，變壓器的性能就不能得到充分發(fā)揮，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的能力也會(huì)下降，拉低了生產(chǎn)能力。然而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組熱點(diǎn)溫度可以平衡處理經(jīng)濟(jì)效益和變壓器壽命二者之間的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。只有準(zhǔn)確的測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度，才能使變壓器的壽命延長(zhǎng)和發(fā)揮出變壓器的最大經(jīng)濟(jì)效益。變壓器在工作時(shí)，內(nèi)部具有很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，以前的測(cè)溫方法，只能測(cè)量油的溫度，或者分析變壓器內(nèi)部氣體成分的含量，間接得出繞組的熱點(diǎn)溫度。無(wú)法準(zhǔn)確的得出發(fā)熱點(diǎn)的溫度。這樣測(cè)量的溫度，具有很大的不確定因素。因此，不能精確地預(yù)測(cè)可能發(fā)生的事故，也不能對(duì)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提供有意義的指導(dǎo)。所以，必須尋找一種能夠?qū)崟r(shí)、精確地反映繞組熱點(diǎn)溫度的方法。基于以上分析，采用光纖光柵溫度傳感器對(duì)繞組的熱點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。1.2國(guó)內(nèi)外繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)工程上常采用直接測(cè)量方法來監(jiān)控變壓器的繞組溫度[2]。這種方法，探頭直接跟繞組相接觸，從而直接獲取的是繞組的表面溫度。其原理：在繞組周圍預(yù)先安裝了測(cè)溫探測(cè)器，得到了繞組的真實(shí)溫度分布。從理論上來說，這樣的溫度測(cè)量方法是比較精確的，但因?yàn)樽儔浩鞯膬?nèi)部密封太過緊密，如果將溫度傳感器放入變壓器繞組，很有可能會(huì)損壞變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致變壓器的絕緣性能下降，從而影響到變壓器的工作。所以實(shí)際實(shí)行起來比較困難，需要對(duì)一些技術(shù)發(fā)展完善。直接測(cè)量法要求傳感器非常小，這樣封裝在變壓器內(nèi)部里面才不會(huì)對(duì)變壓器造成大的破壞。因此對(duì)溫度傳感器的尺寸要求比較嚴(yán)格。以往，國(guó)內(nèi)外采用直接測(cè)量繞組溫度的方法，但因其精度較低，導(dǎo)致其測(cè)溫效果不佳。通常使用鉑電阻儀和液位計(jì)[3]。一般采用鉑電阻和液體測(cè)溫。液體測(cè)溫使用的范圍比鉑電阻廣，該裝置采用一根毛細(xì)管連接溫度探測(cè)器和測(cè)量壓力的原件，探針內(nèi)部的液體溫度與變壓器的溫度相同，并根據(jù)熱脹冷縮，由毛細(xì)管向傳感元件施加壓力。感壓原件感應(yīng)到壓力后，將壓力信息傳給轉(zhuǎn)換原件，轉(zhuǎn)換原件在把壓力轉(zhuǎn)換為溫度值。這樣得到的繞組溫度是間接得到的，是以油溫為基準(zhǔn)，按套管ct二次輸出電流，換算成銅油差，再加上油溫。相對(duì)而言，油溫較為精確，繞組的溫度因?yàn)榻?jīng)過了很多中間環(huán)節(jié)換算得出因此不夠精確。此外，一般情況下，油溫監(jiān)控設(shè)備還包括數(shù)字溫度顯示設(shè)備。采用數(shù)字溫度顯示器，將4~20mA的模擬量輸出到整個(gè)工廠的電腦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且還需要將一對(duì)線圈的過熱信號(hào)和一對(duì)線圈的升溫信號(hào)連接到變壓器保護(hù)系統(tǒng)。如果使用電流測(cè)量方法，使用電壓等級(jí)為0.2的“光纖型”和GPRS無(wú)線傳輸式的溫度傳感器的傳感系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)某些問題。比如，由于電池和其它部件長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下，會(huì)出現(xiàn)使用壽命變短，維修難度變大等問題。這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性降低，同時(shí)也會(huì)降低它的使用價(jià)值[4]。氣壓式溫度測(cè)量系統(tǒng)由于溫度容器內(nèi)的壓力泄露而使整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)失效。總之，熱電偶、熱電阻等電子元件的溫度測(cè)量都是通過金屬絲來實(shí)現(xiàn)的。在強(qiáng)電磁環(huán)境下，金屬零件、導(dǎo)線因受到電磁干擾而出現(xiàn)嚴(yán)重的渦流損耗等問題，難以長(zhǎng)期保持高壓絕緣的穩(wěn)定性，因而在高壓電力溫度監(jiān)控中有先天缺陷。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)變壓器繞組溫度的測(cè)量提出了一種新的方法[5]。在原有的直接測(cè)量方法上使用光纖傳感器。美國(guó)的一家公司首位采用光纖測(cè)溫技術(shù)來測(cè)量變壓器繞組溫度，該公司早在1979年，就對(duì)第一代熒光光纖測(cè)溫儀進(jìn)行研究并取得了一定的成果。隨著研究工作的深入，全球的許多公司也開展對(duì)該方面的研究工作。有瑞典的SAEA公司、貝爾實(shí)驗(yàn)室等。在對(duì)第一代光線測(cè)溫儀基礎(chǔ)上升級(jí)發(fā)展，在1985年，第一代光線測(cè)溫儀的研制者威克西姆博士(K.A.Wickersheim)和好友孫(M.HSun)博士率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參與研究，研制出了第二代光纖測(cè)溫儀。在當(dāng)時(shí),第二代光纖測(cè)溫儀廣泛運(yùn)用于變壓器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的新變壓器和對(duì)原有的變壓器進(jìn)行升級(jí)改造[6]。之后更多的外國(guó)科研人員加入到光纖測(cè)溫技術(shù)的研究當(dāng)中，使得光纖測(cè)溫技術(shù)飛速發(fā)展。由于變壓器在我們的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，從很早開始，我國(guó)的科研人員對(duì)如何監(jiān)測(cè)繞組熱點(diǎn)溫度，就已經(jīng)開始了多方面的研究。國(guó)家也將其列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。有些變壓器在制造的過程中就已經(jīng)封裝了測(cè)溫裝置，雖然這樣對(duì)后續(xù)溫度的測(cè)量提供了比較好的平臺(tái)，效果比較好，但其中要求的技術(shù)比較高。如何在變壓器狹小的內(nèi)部通道里安裝測(cè)溫裝置，對(duì)變壓器和傳感器都需要比較優(yōu)秀的制作工藝。在封裝時(shí)一定不能破壞絕緣保護(hù)，不然的話，測(cè)溫目的沒有實(shí)現(xiàn)，反而影響變壓器的正常運(yùn)行，甚至發(fā)生危險(xiǎn)事故。在國(guó)外的二代測(cè)溫儀研制出來后幾年，我國(guó)的科研人員才慢慢的注意到光纖測(cè)溫技術(shù)并對(duì)其開始一定的研究。伍企舜最早對(duì)外文文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯，并對(duì)此技術(shù)開展研究。此后更多的學(xué)者開始加入到此項(xiàng)研究，并取得了一些成果。如陳軍、張維力、陳紅軍等。在這一時(shí)期，許多變壓器廠商和國(guó)家電力部門也開始對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究并運(yùn)用。但這時(shí)的光纖技術(shù)還不夠成熟，他們生產(chǎn)的光纖溫度傳感器都有些明顯的不足，在實(shí)際的環(huán)境中測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度，缺點(diǎn)慢慢的就顯露出來了。比如，探頭體積大不易封裝、調(diào)試?yán)щy、需要的探頭數(shù)目多、易受電磁干擾?，F(xiàn)在光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的快速發(fā)展，為解決上述所描述的缺點(diǎn)提供了比較好的方案。因?yàn)檫@種溫度傳感器采用了光柵作為感溫裝置，并將光柵采用紫外線技術(shù)寫入光芯，因此，它實(shí)質(zhì)就是一根光纖，所以安裝起來很方便?？偟膩碚f，光纖光柵溫度傳感器相對(duì)于其它類型的溫度傳感器有很大的優(yōu)越性，它不會(huì)對(duì)測(cè)量的溫度產(chǎn)生任何的影響；測(cè)量精度和分辨率都很高；反應(yīng)速度非?？炜梢钥焖俚姆磻?yīng)出溫度的值；可以長(zhǎng)期放置在強(qiáng)腐蝕性、高濕度、高溫度的溫度環(huán)境中。而且不會(huì)對(duì)線路損耗、光源的衰減產(chǎn)生任何的影響。目前常用的光纖測(cè)溫技術(shù)有三種。它們的性能對(duì)比如表1.1所示。表1.1三種光纖測(cè)溫技術(shù)的比較圖項(xiàng)目光纖熒光測(cè)溫光纖半導(dǎo)體測(cè)溫光纖光柵測(cè)溫測(cè)溫主機(jī)測(cè)點(diǎn)數(shù)量2/4/6/8個(gè)點(diǎn)2/4/6/8個(gè)點(diǎn)幾百個(gè)點(diǎn)溫度范圍-30到200℃-40到225℃-40到300℃測(cè)量精度±2℃±1℃±1℃測(cè)量影響受光強(qiáng)影響受光強(qiáng)影響受光強(qiáng)影響溫度探頭耐壓水平>50kV/mm>50kV/mm>50kV/mm測(cè)量距離20m20m可達(dá)20km光纖類型500um復(fù)合型光纖200um復(fù)合多模光纖160umPolyimide單模光纖壽命溫度傳感器20年20年30年由表1.1可以清晰看出，光纖光柵測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)很多，比如它的測(cè)點(diǎn)數(shù)目多、可測(cè)量的距離遠(yuǎn)、可壽命長(zhǎng)、體積小便于調(diào)試等。可以比較好的解決上文所提及到的測(cè)量繞組溫度的難點(diǎn)。國(guó)外，很早就開始了對(duì)光纖光柵的研究，我國(guó)對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)的研究起步比較晚[7]。最早的光纖光柵是由加拿大人Hill帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)小組，在1978年研制出來的，并小范圍的投入使用，還取得了一些成果。之后11年間，在他研究基礎(chǔ)上，光纖光柵受到很多人的關(guān)注并參與研究，貢獻(xiàn)較大的是美國(guó)人Meltz和Morey，他們利用紫外寫技術(shù)在光纖芯內(nèi)刻寫了一種空間位相光柵。在1993年，Hill發(fā)明出了運(yùn)用相位掩膜法刻寫空間相位光柵的技術(shù)，Lemaire提出了光線載氫技術(shù)。后來美國(guó)一直是這項(xiàng)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，并因?yàn)楣饫w光柵具有的優(yōu)異性質(zhì)，美國(guó)軍方將其列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)，雖然起步比較晚，但是步子邁的快，對(duì)光纖光柵的技術(shù)研究也做出了杰出的貢獻(xiàn)。我國(guó)對(duì)于光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的研究，廣泛運(yùn)用在眾多的實(shí)驗(yàn)室和各項(xiàng)工程中。2008年，重慶大學(xué)的研究生趙濤在陳偉根教授的指導(dǎo)下，開展了運(yùn)用光纖光柵溫度傳感器測(cè)量變壓器的內(nèi)部溫度的實(shí)驗(yàn)研究，能夠及時(shí)的反應(yīng)溫度的變化，能夠有效的測(cè)量變壓器的內(nèi)部溫度[8]。同年，重慶大學(xué)的研究生張銳，運(yùn)用光纖光柵溫度傳感器對(duì)寧夏大壩發(fā)電廠變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究[9]。2014年，華北電力大學(xué)的研究生李凱在王艾萌教授的指導(dǎo)下，就開展了光纖光柵技術(shù)測(cè)量繞組溫度的系統(tǒng)研究，并將繞組溫度在線監(jiān)測(cè)裝置在營(yíng)口花英臺(tái)變電站進(jìn)行安裝及優(yōu)化。2016年，徐曉剛、李鑫等廣東電力公司員工，在35kV/4000kVA變壓器的電磁線路中，安裝了一臺(tái)光纖光柵溫度傳感器，對(duì)線圈的熱點(diǎn)進(jìn)行了有效的測(cè)量，結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，且在可接受的范圍之內(nèi)。1.3主要研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容如圖1.1所示。圖11研究?jī)?nèi)容本文基于如圖1.1所示的流程圖，開展運(yùn)用光纖溫度傳感器，監(jiān)測(cè)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的方法的分析，主要內(nèi)容如下。第一部分分析了變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的現(xiàn)在與發(fā)展動(dòng)態(tài)；第二部分研究了變壓器繞組熱點(diǎn)溫度，并對(duì)變壓器典型熱故障進(jìn)行詳細(xì)分析；第三部分對(duì)采用光纖光柵傳感器的溫度監(jiān)測(cè)方法展開了研究然后將光纖光柵傳感器引入變壓器繞組熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析及驗(yàn)證。

2變壓器繞組熱點(diǎn)溫度及故障研究2.1影響繞組溫升的因素2.1.1漏磁是產(chǎn)生負(fù)載損耗的主要外因變壓器的磁場(chǎng)通常分主磁通和漏磁通，而在磁芯內(nèi)部的磁通叫做主磁通，其余的磁通統(tǒng)稱為漏磁通，而兩個(gè)線圈之間的間隙叫做主磁通。線圈的尺寸也直接影響到線圈的渦流損失，而線圈的電流損失與經(jīng)過線圈的磁通的平方成比例。所以，主通道漏磁對(duì)繞組的熱點(diǎn)溫度有很大的影響。2.1.2電流密度直接影響發(fā)熱量繞組電流密度的程度對(duì)繞組的發(fā)熱有很大的影響，電流密度是繞組溫度上升的主要因素。所以，同一繞組結(jié)構(gòu)形式下，繞組的電流密度值大小對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的影響很大，但要注意的是，繞組電流密度高并不一定代表著它的熱度高，這要與繞組型式、線寬、絕緣厚度、油道大小等因素結(jié)合起來，并加以計(jì)算。2.2油溫冷卻方式變壓器的溫升既與發(fā)熱源的大小有關(guān)，又與制冷效果有關(guān)。所以，要使其溫度保持在規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，就必須要使其具有一定的熱輻射能力，使其能夠?qū)⑵漭椛涞街苓叺睦鋮s介質(zhì)中。因?yàn)樽儔浩鞯臒嵩?，?huì)隨著變壓器自身的體積增大而增大，所以它的損失與變壓器的重量或者它的線徑的大小成比例，因此當(dāng)變壓器的體積增大時(shí)，它的損失要大于它的散熱器面積。ON表示油通過自然對(duì)流換熱來冷卻繞組；OF表示油通過強(qiáng)制對(duì)流冷卻繞組；OD表示在帶有引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的變壓器中，以強(qiáng)制對(duì)流冷卻的方式冷卻繞組。按散熱模式分為三類：AN、AF和WF。AN是以空氣的自然對(duì)流形式來進(jìn)行散熱器的輻射，AF是通過空氣的強(qiáng)制對(duì)流來進(jìn)行散熱，而WF是以水為介質(zhì)來進(jìn)行散熱器的散熱。通過將變壓器內(nèi)部和散熱器兩種方法的結(jié)合，得出了不同的制冷模式。常用的油浸式變壓器冷卻方式如下：1）油浸式自冷式：6300kVA及以下的變壓器，通常采用自然油循環(huán)，自然空氣冷卻。它是通過油罐壁或者在油罐壁上焊上散熱用的管子或散熱片，或者是扁平的管子（或散熱板），從而增加散熱面積，增加冷卻性能。2）油浸風(fēng)冷卻（ONAF)：用于中、大型變壓器，其容量在8000~40000kVA或110kV~220kV的高壓下，常采用自然油循環(huán)、吹風(fēng)冷卻。通過在自冷散熱器上增加空氣吹風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步改善其散熱和制冷性能。3）強(qiáng)制油循環(huán)：根據(jù)強(qiáng)制油循環(huán)的冷卻模式，可將其分為強(qiáng)油空氣（OFAF）和強(qiáng)油水冷（OFWF）。在31500kVA以上的大容量變壓器中，通常使用的是具有高熱輻射的風(fēng)冷器或水冷器，與變壓器的水箱直接相連，實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻。為使強(qiáng)制油循環(huán)冷卻器的冷卻效果得到最大程度的發(fā)揮，針對(duì)變壓器繞組輻向尺寸大、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大容量變壓器，可以采取強(qiáng)制引導(dǎo)油循環(huán)風(fēng)冷（ODAF）或強(qiáng)制引導(dǎo)油循環(huán)水冷（ODWF），其特征是迫使油流在繞組內(nèi)迂回引導(dǎo)，從而使冷卻效率得到進(jìn)一步提高[10]。2.3變壓器繞組故障原因及防范措施變壓器本身的質(zhì)量問題是造成變壓器繞組故障的根本原因，在變壓器生產(chǎn)過程由于設(shè)計(jì)不合理、生產(chǎn)過程的管理不嚴(yán)格，材料選擇的不恰當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)質(zhì)量問題。其次在變壓器運(yùn)輸過程中遭受顛簸，和變壓器在安裝過程中遇到碰撞都會(huì)造成變壓器繞組受到不同程度的損害變形，致使變壓器在后續(xù)的運(yùn)行中發(fā)生繞組故障。根據(jù)多年電網(wǎng)事故中變壓器損害的情況分析，總結(jié)出造成繞組短路故障發(fā)生的主要原因如下。1）短路事故中，引發(fā)變壓器損害的根本原因是其沒有優(yōu)良的抗短路能力。電網(wǎng)的不斷擴(kuò)展延伸，短路電流和系統(tǒng)總量隨著負(fù)載的改變而改變，一旦發(fā)生外部短路故障，電流超過其限值也就是電力變壓器實(shí)實(shí)在在能承受的最大短路電流，繞組就會(huì)發(fā)生形變從而使變壓器損害的概率加大。以前國(guó)內(nèi)外的變壓器廠家大多設(shè)計(jì)的抗短路能力的性能不足。并且給出的抗短路電流值大多是理論計(jì)算值，在實(shí)際運(yùn)行中只能起到參考意義，用處不大。而現(xiàn)在的理論實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)很豐富了，變壓器的性能發(fā)生了巨變，上述出現(xiàn)的情況大大減少。2）在制作和檢修過程中，局部絕緣皮可能出現(xiàn)破損，遺留下故障隱患；長(zhǎng)期處于過負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)或其散熱裝置安放的不合理導(dǎo)致散熱不充分；繞組內(nèi)掉入異物，致使繞組散熱不到位溫度過高，從而影響絕緣老化；制作工藝粗糙，機(jī)械硬度不足，難以抵擋短路沖擊帶來的影響，使繞組因沖擊力而變形；繞組處于潮濕的環(huán)境下，絕緣皮吸收水分而膨脹變大，致使堵塞油管，引起局部過熱。由于上述原因，在運(yùn)行過程中一旦發(fā)生絕緣擊穿，就可能導(dǎo)致繞組短路。3）累積效應(yīng)也會(huì)造成繞組損害。變壓器發(fā)生出口短路時(shí)，會(huì)同時(shí)遭受機(jī)械力和電動(dòng)沖擊力的作用，一旦超出繞組的承受范圍，繞組就會(huì)發(fā)生形變，且這種形變不可逆轉(zhuǎn)。繞組變形包括軸向和徑向變形、器身位移、鼓包等等。這些故障都會(huì)給電力系統(tǒng)帶來潛在的危害必須及時(shí)處理。繞組發(fā)生變形后，變形不嚴(yán)重、影響不大時(shí)變壓器還可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，若變形嚴(yán)重必須切機(jī)立馬停止運(yùn)行，以免發(fā)生嚴(yán)重的電力事故。變壓器一旦發(fā)生繞組變形，其帶來的危害是很大的，會(huì)降低機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生累積效應(yīng)，給變壓器帶來一些不利的影響。4）變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者制造工藝存在缺陷，如絕緣間距過窄、繞組加固不穩(wěn)、繞組加緊后出現(xiàn)縱向收縮等。這些因素都會(huì)影響變壓器的絕緣能力。嚴(yán)重會(huì)使繞組端部發(fā)生震動(dòng)，最終造成繞組股間發(fā)生絕緣損害而造成股間短路。根據(jù)上面對(duì)繞組短路損害故障的原因分析可知，提出下面幾條繞組故障的防范措施。1）對(duì)變壓器的運(yùn)行時(shí)常檢測(cè)，一旦出現(xiàn)故障要盡早整修，比如變壓器繞組是否短路，局部放電量是否超標(biāo)，繞組是否露銅發(fā)生過熱。對(duì)這些狀態(tài)需要定時(shí)監(jiān)測(cè)，可以讓我們提前預(yù)見潛伏性故障，并有針對(duì)性的去處理這些不正常運(yùn)行故障。從而保證變壓器安全穩(wěn)定的運(yùn)行。2）重點(diǎn)進(jìn)行油色譜分析和繞組變形情況的檢查。在實(shí)際運(yùn)行中只要發(fā)生短路，都應(yīng)該立馬對(duì)變壓器油進(jìn)行色譜分析，而不是等到電流達(dá)到變壓器可耐受的短路電流的60%才進(jìn)行分析。而且還要根據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)變壓器做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，判斷是否要立即停電檢查并檢修變壓器，還要判斷繞組的變形情況。變形嚴(yán)重就需立馬切機(jī)停止運(yùn)行，以免發(fā)生不可挽回的電力事故。3）保證變壓器有良好的抗雷電沖擊能力，首先廠商應(yīng)有良好的制造工藝，選用優(yōu)質(zhì)的材料。其次在輸電設(shè)計(jì)中要加入防雷裝置進(jìn)行防雷。2.4本章小結(jié)本章對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的影響因素和繞組故障進(jìn)行了一定的分析。并歸納出了幾種油溫冷卻方式和應(yīng)對(duì)繞組故障的防范措施。

3繞組溫度監(jiān)測(cè)的方法研究3.1光纖光柵溫度傳感器布拉格光柵是在光導(dǎo)纖維上加工而成，當(dāng)光到達(dá)光柵后，會(huì)反射一定波長(zhǎng)的光，反射光其溫度呈很好的線性關(guān)系，從而可以通過反射光的波長(zhǎng)計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的溫度[11]。光纖光柵的結(jié)構(gòu)見圖3.1。光纖光柵波長(zhǎng)漂移與溫度變化的關(guān)系如式（3.1）。?λB=其中，λB圖3.1光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖3.2溫度測(cè)量方法的選擇變壓器繞組溫度關(guān)乎變壓器的壽命和其是否能穩(wěn)定的工作，因此國(guó)內(nèi)外科研人員和變壓器公司不斷尋求測(cè)量繞組溫度的好辦法，并且取得了很多成果?，F(xiàn)在，在此介紹下面3種測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度的方法。3.2.1間接計(jì)算測(cè)量法間接計(jì)算測(cè)量法其基本原理是：運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)公式，間接計(jì)算得出繞組的熱點(diǎn)溫度。間接計(jì)算測(cè)量法的計(jì)算模型總的來說有三種：基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基于熱路和基于熱阻。對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)模型的分析：主要工作是研究導(dǎo)線電阻損耗和渦流損耗，弄明白二者是如何使變壓器繞組溫度升高。這種模型與變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況類似。計(jì)算值與實(shí)際值相差不大。對(duì)熱阻模型的分析：因?yàn)樽儔浩鞯膬?nèi)部材料的材質(zhì)有很大的差異，這些材料，發(fā)熱散熱的機(jī)理各不一樣，因此分析起來比較復(fù)雜。故研究人員根據(jù)實(shí)際情況分析，基于熱傳導(dǎo)理論，提出了一種可靠的估算模型。對(duì)熱路模型的分析：用電氣過程模擬熱量在變壓器內(nèi)部的傳遞。用電路中的電流、電壓和電容等模擬替代變壓器內(nèi)部的熱流量、溫度和熱容，并用對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)參數(shù)代替。得到等效的熱路模型[12]。3.2.3熱模擬計(jì)算法將變壓器頂部的油溫與運(yùn)行電流進(jìn)行比較，得出繞組溫度的仿真結(jié)果，但這個(gè)結(jié)果不是繞組的實(shí)際溫度。以一個(gè)油溫計(jì)為基礎(chǔ)，配有一個(gè)電加熱元件和一個(gè)電流匹配器進(jìn)行溫度的測(cè)量，變壓器繞組溫度計(jì)顯示的是變壓器頂部油溫和線圈對(duì)油溫的總和。這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但存在著很大的誤差（無(wú)論是毛細(xì)管壓型還是鉑電阻型），尤其是在動(dòng)態(tài)負(fù)載的情況下，其自身的溫升特性與電加熱元件的溫升特性存在很大的差異，從而增加了讀數(shù)的誤差。3.2.3直接測(cè)量法變壓器由繞組、鐵芯、油枕、散熱器等構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜[4]。處于運(yùn)行狀態(tài)的變壓器，其內(nèi)部的環(huán)境充斥著高電磁場(chǎng)。傳統(tǒng)的測(cè)溫方法受不了高電磁場(chǎng)的干擾，因而測(cè)量溫度的效果沒有預(yù)期的那么好，往往不能準(zhǔn)確反映出繞組的熱點(diǎn)溫度。直接測(cè)量法的具體操作是在變壓器繞組里鋪設(shè)傳感器，通過測(cè)溫平臺(tái)傳輸給顯示屏，在顯示屏上直接讀取繞組的實(shí)時(shí)溫度，鋪設(shè)的傳感器越多，測(cè)量的結(jié)果越準(zhǔn)確。目前通常采用光纖傳感技術(shù)，在制造變壓器時(shí)就提前把熒光式溫度傳感器或者半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器鋪設(shè)到繞組中去，傳輸介質(zhì)為光信號(hào)。用光電轉(zhuǎn)換器，對(duì)接收的光信號(hào)進(jìn)行處理，光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后接著對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，通過放大電路和整形電路，最后得到探頭測(cè)得的實(shí)際溫度值。雖然直接測(cè)量法的測(cè)溫特性好，但需要優(yōu)異的工藝使得傳感器足夠的小，才能穩(wěn)定的放入到變壓器中，若工藝不好很容易影響變壓器正常運(yùn)行。而且由于測(cè)量點(diǎn)的位置可能不是繞組的最熱點(diǎn)，為克服此類情況的出現(xiàn)，需要多點(diǎn)布置，安裝幾個(gè)傳感器探頭，進(jìn)行比較，最大的溫度值近似為繞組的熱點(diǎn)溫度。但這種測(cè)量方法所需的探頭多。因而成本較貴，而且不易維護(hù)。因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部部件之間距離小，線餅之間的距離更小，大型變壓器內(nèi)部繞組線餅之間的距離通常不會(huì)大于10毫米。所以在如此狹窄的區(qū)域里想要精確測(cè)量，繞組的熱點(diǎn)溫度，傳感器的探頭必須能夠在繞組線餅靈活活動(dòng)，這就要求探頭的體積足夠小，同時(shí)因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部的溫度很高，這就要求探頭要有超高的耐熱性。后來光纖光柵溫度傳感器的誕生，為解決上述問題提供了新的道路。因?yàn)楣饫w光柵溫度傳感器探頭的體積小而且重量輕，便于安裝調(diào)試。所以在以往的直接測(cè)量法基礎(chǔ)上，使用光纖光柵溫度傳感器可以解決這些問題[13]。光纖光柵傳感方案有諸多的優(yōu)點(diǎn)。①有良好的抗干擾能力。光纖光柵傳感器自身具有優(yōu)良的物理性能，能夠抵御多種光強(qiáng)度波動(dòng)造成的干擾。②光纖光柵傳感器的尺寸小，易于鋪設(shè)?？梢詽M足大部分變壓器繞組所處環(huán)境的要求。③它具有良好的重復(fù)性④可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和用戶要求，跟其他器件搭配，組成滿足條件的光纖光柵測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，靈活多變。⑥光纖光柵的制作工藝比較成熟，已經(jīng)有很多配套的軟硬件方案，可以滿足用戶的很多要求，而且其生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；??；谏鲜鼋榻B的諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵測(cè)溫在諸多領(lǐng)域里都有應(yīng)用，尤其是在電力系統(tǒng)中用來測(cè)量繞組的熱點(diǎn)溫度。光纖光柵傳感系統(tǒng)包括寬帶電源、耦合器、鋸齒波發(fā)生器、可調(diào)F-P濾波器、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡等。耦合器用于從寬帶電源中接收光學(xué)信號(hào)，并將光分為2路，一路送到參考光纖光柵通道，另一路送到實(shí)際測(cè)量光纖光柵通道。參考光柵放到適宜的溫度環(huán)境里作為對(duì)照。通過分析比較，數(shù)據(jù)采集卡接收電壓，然后把電壓信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，然后用校準(zhǔn)得到光纖光柵的波長(zhǎng)，從而得到被測(cè)點(diǎn)的溫度。3.3本章小結(jié)本節(jié)對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行了介紹，并對(duì)溫度測(cè)量的幾種方法進(jìn)行了分析，綜合考慮，采用光柵光纖溫度傳感器的直接測(cè)量法。

4光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)4.1變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)圖4.1光纖光柵溫度測(cè)溫平臺(tái)示意圖變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)見圖4.1，2×2光纖耦合器接收寬帶電源發(fā)出的光，并將光分為2路，一路送到參考光纖光柵通道，另一路送到實(shí)際測(cè)量光纖光柵通道。參考光柵放到適宜的溫度作為對(duì)照。通過分析比較，數(shù)據(jù)采集卡接受電壓信號(hào)，然后將輸出的電壓信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最后校準(zhǔn)得到光纖光柵的波長(zhǎng)，進(jìn)而獲得被測(cè)點(diǎn)的溫度。4.2器件的選擇寬帶電源、2×2光纖耦合器、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)是構(gòu)成光纖溫度測(cè)溫系統(tǒng)主要的器件。4.2.1可調(diào)F-P濾波器的選擇可調(diào)F-P濾波器必須滿足下列條件：1）通過的譜線每次只能有一條，且譜線的寬度不能太寬，要足夠小。2）腔長(zhǎng)與時(shí)間對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系最好比較簡(jiǎn)單，太復(fù)雜處理起來比較麻煩，最好滿足線性關(guān)系，從而簡(jiǎn)化運(yùn)算。3）所有的光纖光柵反射光都能在F-P濾波器腔長(zhǎng)變化的范圍內(nèi)依次通過。4）在實(shí)際的光纖光柵傳感方案中，應(yīng)該考慮到，所用的寬帶電源發(fā)出的功率一般都很小，光電探測(cè)器感應(yīng)的光信號(hào)非常弱，以至于不能很好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而給信號(hào)處理的過程增加不必要的工作量，所以，要解決這個(gè)問題，首先要解決的是，系統(tǒng)的光強(qiáng)度和濾波器的頻譜寬度的關(guān)系。綜上考慮，本文選用北京東方譜光科技有限公司研制的光纖可調(diào)濾波器，其不僅可以手動(dòng)切換還可自動(dòng)切換，切換的光譜范圍在10nm到100nm，與之對(duì)應(yīng)的帶寬為0.1nm到1.0nm。而且還有具有插入損耗?。ǖ陀?.5dB）的特點(diǎn)。其技術(shù)參數(shù)見表4.1。表4.1可調(diào)濾波器技術(shù)參數(shù)參數(shù)數(shù)值中心波長(zhǎng)1550nm可調(diào)范圍（自由光譜區(qū)）10nm到100nm帶寬0.1nm到1nm響應(yīng)時(shí)間<1ms掃描速度<500HZ插入損耗<2.5dB工作溫度-5℃到65℃存儲(chǔ)溫度-40℃到85℃工作電壓（帶驅(qū)動(dòng)器）+5Vdc4.2.2光纖光柵傳感器的選擇本文測(cè)量的是繞組的熱點(diǎn)溫度，變壓器里面內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對(duì)光纖溫度傳感器的尺寸有非常高的要求。因?yàn)楣饫w光柵不僅具有體積小、抗電磁干擾強(qiáng)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)不同功能的傳感器（如，溫度、壓力、壓強(qiáng)、加速度、振動(dòng)、電磁場(chǎng)等）同時(shí)區(qū)分測(cè)量，十分適合用于測(cè)量繞組的熱點(diǎn)溫度。綜上考慮，本論文采用泰達(dá)爾公司研制的高壓環(huán)境型光纖光柵溫度傳感器（FBG-HV-T01)。它在高電壓的環(huán)境還保持著優(yōu)良的特性。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積?。ㄖ睆郊s為6mm）精度高便于鋪設(shè)。測(cè)溫范圍在-50℃到150℃之間。4.2.3光電接收模塊光電接收裝置在測(cè)溫系統(tǒng)里很重要，他主要起的是信號(hào)轉(zhuǎn)變的功能。它最核心的部件是光電探測(cè)器。只有通過它才能將從上一級(jí)接收到的光信號(hào)，轉(zhuǎn)變成下一級(jí)能識(shí)別的電信號(hào)。對(duì)光電探測(cè)器的選擇應(yīng)考慮下面幾點(diǎn)：工作的波長(zhǎng)范圍應(yīng)與寬帶電源的波長(zhǎng)一致。靈敏度好，還需要良好的抗噪聲干擾能力。工作電壓低，便于便捷式系統(tǒng)的搭建。基于上述分析，本文選擇PFTM911型PIN-FET光電接收模塊，工作帶寬在1100nm到1650nm之間，典型靈敏度為-53dBm。4.2.4電源光纖光柵溫度傳感方案中光源是不可缺少的一個(gè)部件，一個(gè)合適的光源對(duì)溫度準(zhǔn)確的測(cè)量至關(guān)重要。對(duì)光源的選擇應(yīng)該滿足下列要求：1）體積要小到可以與光纖耦合。2）出纖功率要大，選擇合適的中心波長(zhǎng)和頻帶。3）能長(zhǎng)時(shí)間工作，使用壽命要長(zhǎng)。4）噪聲要小，寬帶范圍內(nèi)波形變化不能太劇烈。5）出纖功率和波長(zhǎng)要很穩(wěn)定，不能受環(huán)境的強(qiáng)烈影響。6）考慮到建設(shè)成本方面，要經(jīng)濟(jì)，不能太貴。目前可用于光纖光柵溫度傳感方案的光源大致有三種：發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管以及放大自發(fā)輻射光源。發(fā)光二極管雖然便宜，但發(fā)出功率低，在光功率性能方面不能很好的滿足要求。半導(dǎo)體激光二極管效率高、體積小、波長(zhǎng)范圍比較寬、價(jià)格可觀。但其有一些致命的缺點(diǎn)，就是其性能會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而不斷的下降，甚至有些功能會(huì)發(fā)生變質(zhì)且是不可逆轉(zhuǎn)的，最終導(dǎo)致激光二極管不能重復(fù)使用。因此也不太合適。放大的輻射源的輸出功率比較高，可達(dá)到10mW，價(jià)格比較適中，這類光源滿足要求，且它可以減少系統(tǒng)的相干噪聲。基于上述考慮，本文選擇上海瀚宇VENUS系列臺(tái)式單模2.0um波段放大自發(fā)輻射光源。其光源測(cè)試數(shù)據(jù)見表4.2。表4.2光源的測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試參數(shù)測(cè)量結(jié)果輸出功率20mW波長(zhǎng)范圍1820nm至2020nm存儲(chǔ)溫度范圍-40℃到+85℃輸出光纖類型SM1950輸出光纖長(zhǎng)度1m4.3變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用實(shí)驗(yàn)4.3.1溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：1）先把溫度標(biāo)準(zhǔn)器和在線監(jiān)測(cè)儀中的光纖光柵溫度傳感器一起放在氣候試驗(yàn)箱里面。然后給監(jiān)測(cè)儀通上電，看指示燈是否正常，正常后，方可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。2）然后設(shè)定氣候試驗(yàn)箱的溫度，從較小值往上調(diào)，并將穩(wěn)定的溫度保持一定的時(shí)間，然后分別記錄溫度標(biāo)準(zhǔn)器和光纖光柵溫度傳感器的溫度值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4.3。表43變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)儀示值誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號(hào)溫度實(shí)測(cè)值/℃監(jiān)測(cè)儀顯示值/℃監(jiān)測(cè)儀溫度示值誤差/℃1-41.0-40.90.1225250.0380.180.3-0.24120.0119.8-0.2結(jié)果說明：從表4.3可以看出，在常溫下溫度測(cè)量?jī)x的示數(shù)與溫度實(shí)測(cè)值相差無(wú)幾，但隨著溫度的上升或下降，誤差都有不同程度的增加。4.3.2溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法：1）先將變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀放在常溫下。2）再將光纖溫度傳感器放在80℃的恒溫環(huán)境中。3）每隔10分鐘記錄一次溫度在線監(jiān)測(cè)儀的讀數(shù)，記錄10次。4）整理數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的靈敏度值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4.2所示。圖42變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)儀敏感度實(shí)驗(yàn)曲線圖結(jié)果說明：從圖4.2可以看出，在10到100分鐘時(shí)間段里，測(cè)量溫度與實(shí)際的溫度相差無(wú)幾，最大的相對(duì)誤差值才0.3。說明變壓器繞組溫度在線監(jiān)測(cè)儀具有較高的敏感度。4.4本章小結(jié)本章主要對(duì)溫度監(jiān)測(cè)方案的一些器件做了詳細(xì)的介紹，然后對(duì)光纖溫度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)和溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)。得出繞組溫度在線監(jiān)測(cè)儀的測(cè)溫性質(zhì)比較好。

5總結(jié)與展望一直以來變壓器對(duì)生產(chǎn)和生活都尤為重要，對(duì)變壓器故障檢測(cè)和繞組溫度監(jiān)測(cè)要求不斷提高，在充分分析大量的文獻(xiàn)、新理念、新技術(shù)后對(duì)繞組溫度監(jiān)測(cè)有了比較直觀的看法。本課題通過大量文獻(xiàn)，以及各位老師的指導(dǎo)，尤其是指導(dǎo)老師給予了我很多幫助。通過查詢資料，對(duì)各種理論進(jìn)行分析，對(duì)變壓器繞組溫度光纖監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究分析。本論文，首先對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度的影響因數(shù)及繞組故障作了一些分析，并提出應(yīng)對(duì)繞組故障的一些防范措施。還總結(jié)了一些油溫的冷卻方式。然后對(duì)傳感器和測(cè)溫方法進(jìn)行分析比較，找到適合測(cè)量繞組熱點(diǎn)溫度的方案。其次對(duì)測(cè)溫平臺(tái)的一些器件進(jìn)行了選擇。最后對(duì)變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀作了溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)和溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，總結(jié)出此測(cè)溫儀具有比較好的測(cè)溫性能。采用光纖光柵溫度傳感器對(duì)繞組熱點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究，所涉及的知識(shí)很多，是一個(gè)綜合性的課題。作者學(xué)識(shí)淺薄，文中一定有一些方面研究不夠深入，望老師和各位同學(xué)不吝賜教，給我提出一些建設(shè)性的建議。

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