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°C时具有正常寿命,当超过或达不到98C时,每上升或降低6C,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]。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°C°C°C测量精度CCC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>50kV/mm>50kV/mm测量距离20m20km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,无冗余光纤光栅测温系统在110kV变压器中的应用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°C〜+300°C测量通道数精度C温度精度±1C光缆护套①1.1mm铁氟龙套管温度分辨率0.1C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①0.7mmx10mm通信MATCH_
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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/T16927.1-19《高电压试验技术第一部分一般试验要求》，在105°C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。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/T16927.1-19《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DC1020kV,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】1IEC.Loadingguideforoil-immersedpowertransformer[S],revisionofpublication354.1991【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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