基于光纖光柵傳感的變壓器繞組溫度檢測(cè)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(qiáng)并且對(duì)溫度極其靈敏的光纖光柵傳感器。利用光信號(hào)的測(cè)量和傳輸，再解調(diào)成溫度信號(hào)。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(shí)現(xiàn)。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，可滿足變壓器繞組高精度溫度測(cè)量要求。
關(guān)鍵詞：變壓器；光纖光柵；溫度監(jiān)測(cè)；繞組測(cè)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(yùn)行安全。正常情況下，熱點(diǎn)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(zhǎng)一倍。熱點(diǎn)溫度如果超過允許值，不僅會(huì)影響變壓器的使用壽命，還會(huì)影響變壓器的運(yùn)行安全。因此，對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)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(cè)方法是電信號(hào)測(cè)量和紅外測(cè)量?；陔娦盘?hào)的測(cè)溫系統(tǒng)如熱電偶、電阻溫度計(jì)等，這類電信號(hào)的傳感器容易受到電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量效果不好。紅外測(cè)溫實(shí)際上屬于非接觸測(cè)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(chǎng)的干擾，而且需要人工操作，無法實(shí)現(xiàn)無人在線監(jiān)測(cè)。另外，紅外測(cè)溫儀無法安裝到變壓器內(nèi)部，只能測(cè)量變壓器表面的溫度，誤差較大。光纖測(cè)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(cè)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(shí)域變換性好，易于多點(diǎn)分布測(cè)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(shí)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(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)的變化。光纖布拉格光柵是一種最簡(jiǎn)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(shí)，滿足Bragg條件的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)λB間接地反映出來。將式(1)微分可得Bragg中心波長(zhǎng)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(zhǎng)的偏移量與溫度變化呈線性關(guān)系，因此只要測(cè)出布拉格光柵波長(zhǎng)的偏移量就可以測(cè)得溫度的改變量。

2 光纖光柵測(cè)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(cè)出一系列光功率信號(hào)，通過軟件處理和與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的比較，解調(diào)出不同光柵傳感器的中心波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)物理量的測(cè)量。本解調(diào)器有8個(gè)光學(xué)信道(Optic Channels)，ASE光源將光功率平均分給8個(gè)信道，每個(gè)信道可以接入一串不重復(fù)波長(zhǎng)的光纖光柵傳感串；信道與信道之間波長(zhǎng)可以重復(fù)，測(cè)量時(shí)傳感器不會(huì)相互影響。

    光纖測(cè)溫系統(tǒng)可分為三個(gè)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(cè)量變壓器繞組的溫度。一般變壓器的繞組溫度的最高點(diǎn)位于繞組中上部，但在這個(gè)位置進(jìn)行測(cè)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(diǎn)。由于變壓器的繞組靜止，在其上表面，局部有較大的測(cè)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(cè)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(cè)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(kuò)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(hào)，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(guó)BaySpec公司的Wave Capture型FBG波長(zhǎng)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(kuò)展模塊通過并口擴(kuò)展訪問BaySpec低速波長(zhǎng)解調(diào)模塊得到DPR AM
中的數(shù)據(jù)，通過簡(jiǎn)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(jì)
    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(jī)接收到下位機(jī)傳上來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，首先要根據(jù)溫度與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)公式計(jì)算出實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的溫度曲線，方便觀察者直觀的觀看溫度的變化趨勢(shì)，另外，在高溫報(bào)警模塊利用差分方程對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    測(cè)試中采用恒溫液體槽和國(guó)際二等水銀溫度計(jì)來進(jìn)行對(duì)比，其中國(guó)際二等水銀溫度計(jì)每年通過國(guó)家測(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

    根據(jù)標(biāo)定的系數(shù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)的溫度，最高溫度升至130℃，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    由表1可以看出，光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)所測(cè)得的溫度更加準(zhǔn)確，更加接近物體的真實(shí)溫，可見光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)在溫度的精準(zhǔn)度上完全符合變壓器繞組測(cè)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(cè)系統(tǒng)是為測(cè)量變壓器繞組溫度而設(shè)計(jì)的。由于變壓器的運(yùn)行環(huán)境和使用溫度不同，所以對(duì)變壓器冷卻系統(tǒng)溫度值的確定要在考慮安全運(yùn)行的同時(shí)，盡量做好節(jié)能降耗。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)量單元，絕緣、耐溫，靈敏度高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、功耗低，對(duì)變壓器繞組測(cè)溫具有良好的應(yīng)用前景。