光纤光栅测温在电力变压器热点温度监测中的应用 侯丹 深圳太辰光通信有限公司
1 概述
大型变压器在运行时 , 绕组温度分布是不均匀的。 通过传统的热模拟法测量 的技术,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 [ 3 ]。在顶层油温处于正常水平的情况下,绕组的热点温度可能已发生局 部过热。 绕组过热一方面会造成该处油的分解 , 另一方面还会造成该处局部绝缘 累积性的老化 (多次重复过热 , 最终将导致绝缘击穿而损坏变压器。变压器绝缘 运行寿命一般认为应遵循六度法则 :年平均温度为 98 ℃时具有正常寿命 , 当超过 或达不到 98 ℃时 , 每上升或降低 6 ℃ , 则变压器寿命降低一半或延长一倍。 因此绕 组热点温度是变压器负载的最主要限定因素 , 应尽力准确测出 [ 1 ]。
2 热点温度直接测量新技术的应用
在变压器热点温度直接测量技术上, 主要是围绕光纤传感技术来进行的。 光 纤为 SiO2材料, 具有非常优异的绝缘特性, 敏感组件测量和信号的传输均由光来 完成, 没有电信号的引入, 因此理论上就为光纤传感技术在变压器热点温度监测 上成为可能。
目前使用光纤传感技术测量变压器热点温度主要有三种测量技术:荧光式测 量,半导体式测量和光纤光栅测量。
2.1 荧光式测温
荧光式测温方法是在光纤末端加入荧光物质, 经过一定波长的光激励后, 荧 光物质受激辐射出荧光能量。 由于受激辐射能量按指数方式衰减, 衰减时间常数 根据温度的不同而不同,通过测量衰减时间,从而得出测量点的温度。
由于衰减时间常数的计算是通过荧光物质受激辐射后的光强测量而换算得 到的, 而光强受光纤弯曲所产生的光损耗、 光纤接头处的插入损耗以及外接光缆 的光损耗等因素影响,从而导致衰减时间常数计算误差。
2.2 半导体测温
半导体测温原理是在光纤末端加入砷化钾晶体, 当光源发出多重波长的光照
射到砷化钾晶体时, 该晶体处于不同的温度会吸收部分波长的光, 同时将剩余不 能吸收的波长的光反射回去。 通过检测反射光的频谱, 从而换算出测量点的温度。
半导体测温由于测量的是光的频谱,不是光强,因此测量不受光功率影响, 但是在实际操作过程中, 但是, 光路的变化 (如光缆的重新布置 , 传感器的重新焊 接 还会严重影响测温的准确性,还须重新定标,确保温度测量的准确性。 【 4】
同荧光式测温技术一样, 温度敏感组件都是处于光纤的末端, 单根光纤只能 接一个传感器。
2.3 光纤光栅测温
光纤光栅是在光纤上制作的、 只反射特定波长的光传感组件。 该器件反射的 波长与温度具有优异的线性关系, 光纤光栅反射波长和温度线性拟合的决定系数 可达 99.99%,通过测量光纤光栅反射回的光的波长,即可换算出测量点的温度。 在单根光纤上的不同位置可以刻写不同波长的光纤光栅传感器, 每个传感以光纤 光栅刻写时的光反射波长为其编码, 通过波分复用技术, 从而在单根光纤上实现 最多可达 20个光纤光栅传感器的串联。
2.4 三种光纤测温技术的比较
项目 光纤荧光测温
光纤半导体测温
测点数量 个点 个点
测温范围 ℃ ℃ ℃
测量精度 ℃ ℃ ℃ 测 温 主 机 测量原理 受光强度的影响 不受光强度影响 耐压水平
>50 kV/mm
>50 kV/mm 测量距离 20 m
20km
温 度 探 头 光纤类型 复合型光纤
200um 复合多模光纤 Polyimide 单模光纤
寿命 温度传感器 年 年 年 单 根 光 纤 传 感器数量
1个 1个
20个
应 用 传感器组网 拓扑单一,无冗余
拓扑单一,无冗余
3 光纤光栅测温系统在 110kV 变压器中的应用
3.1 光纤光栅测温系统的主要技术指标
本项目采用深圳太辰光通信有限公司自主研制、 生产的变压器光纤光栅测温 系统,主要技术指标如下:
TS-WI-40-4光纤光栅波长解调仪 光纤光栅温度传感器
波长范围 温度范围 ℃~
+300℃
测量通道数 精 度
℃ 温度精度 ±1℃ 光缆护套 Ф1.1mm 铁氟龙套管 温度分辨率 0.1℃ 内部油浸光纤长度 米 单根光纤传感器数量 最多 20个
传感器尺寸
Ф0.7mm ×10mm
通信协议 Modbus
寿命 年
3.2 测量方案
测量方案如下图所示, 高压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器, 低 压绕组紧邻位置放置两个光纤光栅温度传感器。 这样设置传感器的理由一方面可 以评估绕组的热点温度; 另一方面可以比较在绕组的紧邻位置, 两个传感器测量 的温度是否有较好的一致性。
3.3 光纤光栅传感器的安装
A 在垫块上切割一个凹槽,凹槽直径要保证可以放入光纤传感器
B 使用变压器工业专用黏合剂固定传感器,并利用牛皮纸固定传感器 C 用未切割凹槽的垫块粘合开槽垫块的上下两个面
D 用楔子插入线圈撑出放入垫块的空间
E 将粘合好传感器的垫块插入线圈,垫块放置方向和绕组轴向相同 F 取出楔子
3.4 安全性评估
3.4.1 光纤光栅传感器与变压器油的兼容性评估
进入变压器内部的光纤光栅传感器及相关材料分别经过两个阶段的试验评 估。第一阶段试验是按照 GB/T 16927.1-19 《高电压试验技术 第一部分 一般试 验要求》 ,在 105℃的油温中放置了 168小时,试验前后油样的油化验结果合格, 且光纤光栅传感器及相关材料均无开裂现象。 第二阶段试验是将上述材料放入变 压器中油中 2年,试验结果证明材料和变压器油兼容性满足要求。
3.4.2 光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估
光纤光栅传感器的耐击穿和爬电性能评估分别经历两个阶段的试验评估。 第 一阶段试验是按照 GB/T 16927.1-19 《高电压试验技术 第一部分 一般试验要 求》 , 光纤光栅传感器在变压器油中的耐压值不低于 3kV/mm。 第二阶段试验中光 纤光栅传感器经受了 1575kV 雷电冲击、 1525kV 操作冲击、 400kV 工频耐压和 DC 1020kV , 5min 中的直流耐受试验,并顺利通过了上述测试。
3.4 测试结果评估
变压器负载试验顺序如下所示:
9:00-15:45 变压器加载 130%额定负载
16:00-17:00变压器加载 80%额定负载
17:10-17:40变压器加载 1500%额定负载
4 结果评估
电力变压器光纤光栅测温系统能够对变压器绕组热点实施准确、快速的测 温。 本项目需要监测的变压器数量为 3台, 利用深圳太辰光通信有限公司的变压 器测温系统都取得了满意的测量结果。
【 1】 1 IEC. Loading guide for oil - immersed pow er t ransformer[S ], revision of publicat ion 354. 1991
【 2】陆万烈 , 夏业勤 1 变压器绕组温度测量的“热模拟”误差 [J ]1 变压器 , 1999, 36 (10 : 15~ 17
【 3】 陈淑谨 , 王世阁 , 刘富家 1 变压器绕组热点在线监测装置的研制与应用 [J ]1 变压器 , 2000, 37 (8 : 41~ 44
【 4】牟长江,用光纤技术直接测量变压器绕组热点温度【 J 】 1 变压器, 1995,11
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