光纤Bragg光栅传感器在变压器油温检测中的应用

徐智超， 赵振刚， 李英娜， 段朝磊， 张　欣， 李　川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

应用技术

光纤Bragg光栅传感器在变压器油温检测中的应用

徐智超， 赵振刚， 李英娜， 段朝磊， 张欣， 李川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

摘要:油浸式变压器中油温的高低是决定电气设备绝缘老化速度快慢的重要因素。分析油浸式变压器内部的温度场分布特性，对变压器内部油温传感器的布设位置进行优化，根据光纤Bragg光栅(FBG)中心波长随温度变化而变化的特性实现对油浸式变压器油温的测量。以型号为S13—12500/35的油浸式变压器为试验对象，测得变压器以1倍功率运行时，变压器的上、中、下层油温度分别为63，52，40 ℃，上、中、下层的油温梯度差约为10 ℃。

关键词：光纤Bragg 光栅； 变压器内部温度； 温度场仿真

0引言

大型油浸变压器是电力系统中价值最高且最为重要的一类主设备，其可靠性和运行寿命直接影响电网运行安全和资产绩效[1,2]。变压器油温过高会使绝缘材料的绝缘性能降低并加快其老化，从而降低变压器的使用寿命，对变压器油温的检测能够准确把握变压器的工作状况，对可能发生的故障提前预警[3～5]。西安理工大学的刘华等人，采用铂电阻温度传感器设计了对变压器油温测量的检测系统[6]，但由于要克服铜导线对变压器内部漏磁和的影响，使得布设的难度较高，对测量精度也有一定影响。吕启深等人提出了光纤测温在变压器内部的应用进行了理论上的分析和展望，但没有设计可以应用在工程上的传感系统。光纤本安特性良好，抗干扰，耐高温，电绝缘，制成的传感器特别适合在变压器内部强电强磁环境下使用。

本文对变压器油箱内部油流状态和温度场的分布的情况进行有限元分析后，对光纤布拉格光栅(FBG)传感器的布设位置进行优化，再以油浸式35 kV(型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压电力变压器)变压器为实验对象，在一次变压器温升试验中，使用FBG传感器对变压器内部上、中、下层油温进行了监测。

1仿真分析

变压器内部的热量主要是由损耗引起的，要对变压器内部温度场进行有限元分析，首先要对变压器内部损耗进行仿真分析。变压器损耗主要是由两部分组成，即空载损耗(铁损)和负载损耗(铜损)。首先建立变压器模型，如图1所示，使用Maxwell电磁仿真软件对变压器内部组件的损耗进行仿真，通过得出的损耗计算出相应的热量。

定义好变压器部件参数，包括绕组和铁芯的材料，密度

及相关损耗模型参数后，开始进行损耗仿真：将变压器中通入50 Hz正弦交流电，运行周期为0.02 s，选取0.1 s约5个周期作为仿真时长，仿真步长选取0.000 1 s。仿真完成后，变压器各组件的损耗值如图2所示。

图2仿真计算知，铁芯损耗为7.7 kW，高压绕组损耗为19.9 kW，低压绕组损耗为20.6 kW，涡流损耗为0.09 kW。由于绕组中通有电流，其绕组损耗为通入电流有效值的平方与绕组电阻的乘积。

图1　变压器模型Fig 1　Model of transformer

图2　变压器各组件损耗值Fig 2　Loss value of each components of transformer

将其损耗数据转换为发热载荷输入ANSYS CFX中对该变压器进行温度场和流场仿真。

设置相关的参数和边界特性，其中,初始环境温度设置为25 ℃；铁芯的材料设置为硅钢，直径设置为44 cm，高度设置为72 cm；绕组中材料设置为紫铜，高压绕组匝数设置为432，低压绕组匝数设置为114；流体的设置为油，初始油温设置为25 ℃。

然后,将Maxwell电磁仿真软件中计算出的热载荷定义为能量并以热源的方式导入到ANSYS CFX中，分别得到30,60,120 min变压器整体的温度分布仿真图3所示；30,120 min的油液流速仿真如图4所示。

图3　变压器油箱温度场仿真Fig 3　Temperature field simulation of transformer fuel tank

图4　变压器内部油流速仿真Fig 4　Simulation of oil flow rate inside transformer

对比变压器工作30,60,120 min时变压器整体的温度分布云图可以看出：随着工作时间的增加，变压器的内部各组件的温度逐渐升高。油箱的温度从30 min的298 K增加到120 min时的303 K。油液被绕组产生的热量加热后迅速上升带走热量,然后由顶部往两边扩散，以此形成了闭合的油循环系统。

变压器两相绕组之间是反映变压器油温变化最明显的位置，同时，此处油的流速也最快，将传感器布设在此位置，当变压器出现故障时，传感器能够最先监测到油温的变化，从而保证检测效果。

2传感器与系统设计

针对变压器内部的特殊使用环境，对光纤油温传感器做如下设计：将光纤光栅嵌入到加工后的聚四氟乙烯薄片中，在引出端用胶固定，这种设计无金属材料的出现，消除了漏磁和局部放电对检测准确性的影响；同时，对于传感器的安装也提供了便利。具体结构如图5所示。

图5　传感器结构图Fig 5　Structure diagram of sensor

实际的传感系统拓扑图如图6所示，FBG信号处理器内置超辐射宽带光源,通过FBG信号解调仪将光源传送至变压器内部的FBG传感器中,现场FBG传感器所反射的各中心波长再次反射回FBG信号解调仪,光机模块将反射信号送入波长检测单元,在波长检测单元中感知各传感器反射的中心波长值,比较各传感器中心波长的变化量推算出变压器内部油温，最终由FBG信号解调仪将被测物理量数值输出并在上位机上显示出来。本项目在型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压35 kV电力变压器的油温测量中进行了实际应用。根据仿真结果,将传感器布设在两相绕组中间位置，固定在上下之间的木制框架上。这样一方面避免了直接接触变压器金属部件造成测量结果不准确，另一方面又足够接近变压器两相绕组之间的中轴，从而保证测量数据准确，监测实时性好。

图6　系统拓扑图Fig 6　Topology diagram of system

在一次完整的35 kV变压器温升试验过程中，使用FBG油温传感器记录了在这一过程中变压器上、中、下层油温的变化，结果如图7所示。

图7　变压器温升试验时间—温度曲线图Fig 7　Time-temperature curve of transformertemperature rising test

根据检测报告：自第一日16:00检测开始，变压器在不开风机状态下保持1.3倍功率运行，至当日18:36，变压器风机开始运行，期间油温在当日18:30左右到达峰值，其中上、中、下层油的温分别为68,57,48 ℃；次日1:30起变压器开始以额定功率运行，期间变压器的上、中、下层油温分别为63,52,40 ℃。次日2:30开始断电检测高压侧直流电阻，次日2:45恢复供电，次日3:45左右断电检测变压器低压侧直流电阻，此时刻后检测结束，变压器自然冷却。期间,FBG油温传感器也记录了变压器内部油温的变化趋势，实现了对变压器油温的在线监测。

变压器三种典型工作状态下监测到的油温数据如表1。

表1　变压器三种工作状态的油温数据

综上所述，FBG传感器在高温高压油气环境中实现了对变压器内部温度油温数据的采集和在线监测。

3结论

本文利用光纤材料本身具有的各种优良特性，在复杂物理化学环境下，为变压器油温的检测给出了具体的检测方法和解决方案。实验测得变压器以1倍功率运行时，变压器的上、中、下层油温度分别为63，52，40 ℃，上、中、下层的油温梯度差约为10 ℃，对变压器内部油温数据实现了在线监测，为保证变压器稳定运行，对变压器及其他复杂环境下部件温度的检测提供了新的思路。

参考文献:

[1]Pradhan M K,Ramu T S.Estimation of the hottest spot temperature(HST)in power transformers considering thermal in homogeneity of the windings[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(4):1704-1712.

[2]IEEE Standard C57.100—1999:Test procedure for thermal evaluation of liquid-immersed distribution and power transformers[S].1999.

[3]IEC 60076—7.Loading guide for oil-immersed power transformer,revision of publication[S].2005.

[4]董斌华，李健，杨晶．La掺杂ZnO和SnO2薄膜的气敏特性[J]．传感器与微系统,2011，30(7):75-78．

[5]Herman I，Yeo J，Hong S，et al．Hierarchical weeping willow nano-tree growth and effect of branching on dye-sensitized solar cell efficiency[J]．Nanotechnology，2012，23(19):194005．

[6]Soci C，Zhang A，Xiang B，et al．ZnO nanowire UV photodetectors with high internal gain[J]．Nano Letters，2007，7(4):1003-1009．

Application of FBG sensor in transformer oil temperature monitoring

XU Zhi-chao, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na,DUAN Chao-lei, ZHANG Xin,LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Abstract:In oil-filled transformer,oil temperature is an important factor in determining speed of insulation aging of electrical equipment.By analyzing the temperature field distribution of oil-filled transformer,layout position of optical fiber temperature sensor which inside the transformer is optimized.Center wavelength of fiber Bragg grating(FBG)changes with temperature change,and according to this feature,realize oil temperature measurement of oil-immersed transformer.S13—12500/35 oil-immersed transformers is used as test subject,when transformer is running at double power,oil temperatures of transformer in top,middle,and lower layers are 63,52,40 ℃,and oil temperature gradient difference is about 10 ℃.

Key words:optical fiber Bragg grating(FBG); transformer internal temperature; temperature field simulation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0151—03

收稿日期：2015—07—10

中图分类号：TP 212.9

文献标识码：B

文章编号：1000—9787(2016)04—0151—03

作者简介:

徐智超(1991-)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为光纤传感器技术。