基于光纤光栅传感的变压器绕组温度检测系统

摘要：传统温度传感器受到周围环境因素的影响很大，系统采用抗干扰能力强并且对温度极其灵敏的光纤光栅传感器。利用光信号的测量和传输，再解调成温度信号。分析了光纤光栅传感器的原理和系统构成，介绍了软件和硬件的实现。最后的实验结果证明了系统具有较高的测量精度，可满足变压器绕组高精度温度测量要求。
关键词：变压器；光纤光栅；温度监测；绕组测温

0 引言
    在电力系统中，温度过高是导致火灾产生的重要原因。电力变压器作为现代电力系统中的重要设备，其绕组温度的高低直接影响变压器的绝缘性和老化率，进而影响电力系统的运行安全。正常情况下，热点温度的常用基准值为98℃，老化率与温度之间的关系是在基准温度上，每上升6℃老化率增加一倍，每下降6℃寿命可延长一倍。热点温度如果超过允许值，不仅会影响变压器的使用寿命，还会影响变压器的运行安全。因此，对变压器绕组温度进行实时监测，通过监测温度进行预警并采取有效措施，则可以减少相应的事故发生。
    目前，传统的变压器绕组温度的监测方法是电信号测量和红外测量。基于电信号的测温系统如热电偶、电阻温度计等，这类电信号的传感器容易受到电磁场的干扰，测量效果不好。红外测温实际上属于非接触测温，虽然此方法灵敏度和准确度都很高，但是却很容易受到周围环境和电磁场的干扰，而且需要人工操作，无法实现无人在线监测。另外，红外测温仪无法安装到变压器内部，只能测量变压器表面的温度，误差较大。光纤测温系统是最近几年应用在电力系统中的令人满意的测温方法，由于光纤传感器本身防爆、绝缘、抗电磁干扰、质量轻、体积小，具有良好的可操作性和埋人性；时域变换性好，易于多点分布测量，并可单线多路复用，构成传感网络和阵列，便于波分时分复用及分布式传感。

1 光纤光栅传感器的工作原理
    光纤光栅是在光纤纤芯内折射率呈周期性调制的一种无源器件。其反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关。而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。光纤布拉格光栅是一种最简单、最普通的光纤光栅，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。当入射光谱经过FBG时，满足Bragg条件的波长λB的单色光被反射回入射端，其余光透射。原理图如图1所示。

    由耦合模理论分析可知，FBG反射光中心波长λB可表示为：
    λB=2neffΛ      (1)
    式中：Λ为光栅的周期；neff为有效折射率。由式(1)可以看出，光纤Bragg光栅的中心波长λB由光栅的周期Λ和有效折射率neft决定，而Λ和neff又受温度和应变的影响，因此，温度和应变的变化可以通过Bragg波长λB间接地反映出来。将式(1)微分可得Bragg中心波长的位移量：
   

    式中KT为温度灵敏度。由式(3)可知光纤光栅的波长的偏移量与温度变化呈线性关系，因此只要测出布拉格光栅波长的偏移量就可以测得温度的改变量。

2 光纤光栅测温系统的建立
    光纤光栅调制解调器系统原理图如图2所示。使用ASE光源(Amplification of Spontaneous Emission)，经过FFP(Fiber Fabry-Perot)可调谐光滤波器后，成为窄带扫描光，经光纤光栅传感器反射后，由光电管PD(Photo Detector)探测出一系列光功率信号，通过软件处理和与标准波长的比较，解调出不同光栅传感器的中心波长，从而实现相应物理量的测量。本解调器有8个光学信道(Optic Channels)，ASE光源将光功率平均分给8个信道，每个信道可以接入一串不重复波长的光纤光栅传感串；信道与信道之间波长可以重复，测量时传感器不会相互影响。

    光纤测温系统可分为三个部分，即传感器部分、调制解调部分、数据的处理部分。
2．1 传感器部分
    该模块主要将光纤光栅温度传感器粘贴在绕组上来测量变压器绕组的温度。一般变压器的绕组温度的最高点位于绕组中上部，但在这个位置进行测量很不方便，因此一般采用绕组的上表面温度作为变压器绕组温度的最高点。由于变压器的绕组静止，在其上表面，局部有较大的测量平面，可以将光纤光栅温度传感器粘贴于绕组表面进行测量，传感器通过光导纤维导出，这样既可以避免损坏变压器，还可以直接感知变压器绕组的温度变化，提高测量的精度。
2．2 调制解调部分
    该部分主要由BaySpec解调模块+增值扩展模块、ASE光源+环形器、MEMS光开关等部分组成，全光谱的光照和处理反射回来的光信号，将数据分析校准转化是这部分的主要任务。系统解调模块采用北京摩尔朗通科技有限公司代理美国BaySpec公司的Wave Capture型FBG波长解调模块。BaySpec低速模块具有光谱和峰值两种数据模式。BaySpec FBGA增值扩展模块通过并口扩展访问BaySpec低速波长解调模块得到DPR AM
中的数据，通过简单的RS 232或RS 485接口将数据送入用户PC。

3 软件设计
    系统软件开发环境为VS 2010，软件系统主要功能如图3所示。

    PC机接收到下位机传上来的实时数据后，首先要根据温度与波长的对应公式计算出实时的温度值，并将此数值存入数据库，以便于历史数据的查询。软件系统绘制了实时的温度曲线，方便观察者直观的观看温度的变化趋势，另外，在高温报警模块利用差分方程对历史数据进行了趋势拟合，能够得出预警值，有效的预防温度过高引起的相关事故。

4 实验结果与分析
    测试中采用恒温液体槽和国际二等水银温度计来进行对比，其中国际二等水银温度计每年通过国家测量仪器中心校正一次，恒温液体槽槽内为标准变压器油，精度可达到±0．02℃，恒温槽可进行各温度段的调节，其实验装置如图4所示。

    根据标定的系数，模拟现场的温度，最高温度升至130℃，得到实验结果如表1所示。

    由表1可以看出，光纤光栅测温系统所测得的温度更加准确，更加接近物体的真实温，可见光纤光栅测温系统在温度的精准度上完全符合变压器绕组测温的要求。

5 结语
    基于光纤光栅传感器的温度在线监测系统是为测量变压器绕组温度而设计的。由于变压器的运行环境和使用温度不同，所以对变压器冷却系统温度值的确定要在考虑安全运行的同时，尽量做好节能降耗。实时监测变压器的油温非常重要。系统采用光纤光栅传感器作为温度的测量单元，绝缘、耐温，灵敏度高，系统工作稳定、功耗低，对变压器绕组测温具有良好的应用前景。