500kV以上超高电压等级油浸式变压器荧光光纤温度监测系统研究

汪 晨　连子龙　程 林　邓建钢　陆云才



500kV以上超高电压等级油浸式变压器荧光光纤温度监测系统研究

汪 晨1连子龙1程 林2邓建钢2陆云才3

（1. 北京东方锐择科技有限公司，北京100085； 2. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430000； 3. 国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京210024）

超高压油浸式变压器内部绕组温度实时监测是保障变压器可靠运行的重要部分，现有的超高压油浸式变压器内部绕组温度是通过绕组温度计算模型推算而来。变压器内部热点温度，除了线圈发热通过热传递引起其他位置温度的变化外，还与变压器线圈附近的磁通量有关，通过模型推算变压器内部温度分布，误差较大。本文论述了基于荧光余晖衰减特性与温度关系，研究出一种荧光光纤温度传感技术，给出了传感器荧光材料特性、结构封装，验证了传感器的测温精度和所使用材料的安全可靠性。该温度监测系统已经成功应用500kV以上超高压等级油浸式变压器中，实现了超高压油浸式变压器内部绕组温度真正意义上的在线监测。

荧光光纤温度传感器；荧光寿命；工频耐压；雷电冲击；500kV以上超高电压等级油浸式变压器

变压器是电网一次设备的重要组成部分，变压器的绕组热点温度是决定其绝缘寿命的主要因素。

油浸式电力变压器温度测量技术受制于变压器内部环境高电压、大电流、高绝缘以及强电磁场干扰的影响，基于传统电信号测量技术使用的热电偶、热电阻传感器无法满足变压器内部绕组热点温度测量的技术需求。目前，适用直接测量变压器绕组温度的传感器只能选用光纤温度传感器。半导体光纤温度传感器属于光强或波长调制型传感器，实际使用过程中容易受到温度、光源强度、光纤微弯效益、耦合损耗等因素的影响，受干扰情况比较严重。基于拉曼/布里渊散射的光纤传感器测量精度、空间分辨率和测温范围相互制约，保持几个摄氏度的测温误差，其空间定位误差在1m左右，对于变压器内部使用误差较大。光纤光栅温度传感器基于波长信号解调，但光纤光栅在原理上会受压力、应力、形变等等其他因素的干扰，对光栅的封装要求非常高。

伴随着光电子技术的发展，荧光光纤温度传感器拥有体积小、耐高温、耐超高压、抗腐蚀、绝缘性能好、性价比高、不受应力振动干扰等诸多优势，能够突破其他光纤测温技术的局限，非常适合油浸式变压器内部绕组热点温度的测量。

目前为止在500kV以上变压器内部绕组温度监测未有直接采用包括光纤测温在内的任何测温手段。针对高等级变压器设计要求，特别设计了耐受高等级电压的光纤温度探头，并经过工频耐压及雷电冲击试验，完全达到变压器内部高等级电压安装要求。

1 荧光光纤温度监测系统构成及传感器基本原理

荧光光纤温度监测系统主要由荧光光纤温度传感器、贯通器、光纤跳线、荧光解调主机、监控软件组成。荧光光纤温度传感器是该系统中的感温部分，也是惟一安装在变压器内部的部件。贯通器被安装在变压器壁上，用于连接内部荧光光纤温度传感器和外部光纤跳线，起到光学联通并能够达到隔油密封的作用，能够承受的压力约7MPa。荧光解调主机用来解调荧光光纤温度传感器传送出来的光学信号解析出温度。温度信号再通过485总线方式输出至上位机监控软件，实时读出、保存、分析温度数据。

荧光物质的发光是能量高的光照射荧光物质，激发出比其能量低的荧光，激发出的荧光强度随时间成指数规律衰减。

式中，0为=0s时的荧光强度；为荧光寿命，即荧光强度从0减小到0/e的时间长度。荧光寿命，即荧光衰落时间，是按指数方式衰减的时间常数，它依赖于不同的荧光材料的特性，有几百ns，几ns，甚至还有亚ns。图1所示是荧光衰减曲线。

图1 荧光衰减曲线

根据《光子学报》，稀土荧光特性与温度关系推算到荧光衰减时间与温度有这样的关系，即

式中，s、T、、D为常数；为热力学温度。

荧光衰减时间是温度参数的单值函数，温度升高，荧光寿命减小，通过测量荧光寿命可以得到温度值，利用该方法测量的温度只取决于荧光寿命，而与其他参量无关。

2 传感器的荧光材料的选择与荧光材料封装及固定安装方式

荧光材料作为光纤温度传感器感温部分，其被激发后辐射出的荧光余晖衰减特性直接影响了整个温度传感器的性能。荧光材料的选择是整个传感器的核心之一，目前市面上荧光粉样式种类繁多，通常在灯具及交通应用中居多。材料大多为卤磷酸盐类和稀土三基色荧光粉，这类荧光粉荧光余晖时间较长，同一温度下荧光余晖衰减曲线的一致性差，并不适用于温度传感使用。

荧光材料的选择需要满足几个要点：①荧光物质能够被特定波长的光所激发，在实际应用中激发光与辐射的荧光波长不能太接近；②荧光材料衰减时间一致性高，当激励光停止时，荧光材料就会立刻停止发光，温度相同时，衰减时间常数相同； ③荧光余辉衰减的时间常数在温度变化时，时间常数稳定变化；④荧光材料化学性质稳定，在空气中长期暴露不氧化、耐腐蚀、高等级耐油性；在常温状态下，荧光材料余辉衰减时间在3～5ms内。

不同温度下荧光寿命随温度变化的速率是不同的，根据理论公式荧光寿命随温度的下降而增长，在温度低于100K之后荧光寿命将趋于一个稳定值，该稳定值即为激发态最低能态度寿命值。在不同温度下荧光寿命随温度变化速率是不一样的，在曲线的两端变化较缓慢而在曲线的中部变化较快。对于不同的荧光材料，变化较快的温度区间是不同的，这可以指导在设计荧光寿命式温度传感器的时候，应根据不同的测温区间选取最合适的荧光材料，提高温度测量的灵敏度和精确度。

Ba3MgSi2O8：Eu2+，Mn2+荧光粉采用非均相沉淀法制备，在进紫外光波段激发条件下，占据Ba3MgSi2O8晶格上Ba2+格位的Mn2+离子的3d5能级的4T1→6A1跃迁发射605nm红光。通过脉冲光源激发测试，该类荧光粉被激发后产生的余辉在25℃时衰减到最大值的20%所需要的时间约为5ms，随着温度的升高荧光余辉的衰减速率越快，在150℃时该时间参数约为3.5ms。硅酸钡镁为基质制备的荧光粉化学特性稳定、光学特性优良，能够满足荧光温度传感器对荧光材料的选材要求。

电力系统的工业应用环境，对传感器的机械强度具有一定的要求，要解决在安装过程中抗轴向拉力的相关问题。传感器采用PFA高等级耐压材料作为光纤的外保护套管，使用特氟龙绝缘块固定在光纤末端作为抗轴向拉力结构件。

荧光材料本身为粉末状，为了不改变荧光物质的物理属性，不宜二次加工。通过玻璃熔接技术将粉末状荧光材料封装在透明玻璃管中，光纤端面被荧光材料包裹住确保荧光材料被激发出的荧光能够耦合入光纤中。通过玻璃熔接方式，能够满足探头在使用过程中的机械强度。

具有绝缘固定块的抗轴向拉力设计，配合油浸式变压器用绝缘垫块的开孔，能够将荧光光纤温度传感器牢固地安装在变压器的线圈内。通常变压器内部线圈绕好后，在套装过程中即可进行荧光光纤温度传感器的安装。在变压器绝缘垫块上根据设定的尺寸进行开孔，随着绝缘垫块一起将荧光光纤温度传感器装在变压器绕组内。荧光光纤温度传感器安装，如图2所示。

图2 荧光光纤温度传感器安装示意图

3 传感器温度精度及可靠性测试

3.1 精度验证

通过解析荧光曲线的衰减函数得到被测温点的温度值，为了验证传感器解析得出温度值的准确性，北京市计量检测科学研究院对传感器进行过校准认证实验。实验通过-50℃～240℃区间进行升温过程，再选取12个温度点让荧光光纤传感器得出的温度值与标准油槽温度值进行对比。

根据测量验证报告，荧光光纤温度传感器温度测量精度能够达到±0.3℃，该精度能够满足电力系统中的测温要求。温度范围涵盖变压器内部温度变化区间，荧光光纤温度传感器解析的温度准确性完全能够满足变压器内部温度的检测。

3.2 工频耐压及雷电冲击试验验证

变压器内部电场环境复杂，传感器是需要安装在变压器内部，其本身所用的材料的安全性显得尤为重要。为了验证荧光光纤温度传感器的绝缘性能，西安高压研究院对荧光光纤温度传感器进行了工频耐压和雷电冲击测试。

空气的绝缘等级要远低于变压器油，被测试样样品进行真空脱气处理。试验过程中模拟油浸式变压器内部的高压环境，使用特制试验工装进行工频耐压和雷电冲击试验。整体工装结构包含电极、均压球、导电杆、支撑架等，工装两端分别接高压导线和接地导线。测试工装示意图如图3所示，工频耐压和雷电冲击试验工装相同，试验参考标准为ASTM D2413、ASTM D149、ASTM D3426。传感器选用的材料均为绝缘强度非常高的氟材料，介电刚性约17～24kV/mm，故工频耐压试验摸底电压参数设定在80kV，雷电冲击摸底电压参数设定在350kV。

图3 高压环境的试验现场

对于工频耐压试验，将电极间距设定为25mm，荧光光纤温度传感器穿过测试工装中左边部分的通孔，荧光光纤温度传感器探头与右边电极接触。工装整体放置在充满变压器油的容器中，工装两端分别接高压导线和接地线。

在试区大气=96.5kPa、=29.4℃、H=33%的条件下，采用逐步加压方式，直至样品达到加压设备的极限或被击穿（极限加压电压为200kV）。起始工频耐受电压为80.2kV之后不经降压而直接逐步升高耐受电压。

表1 工频耐压试验数据表

试验结果表明，荧光光纤温度传感器的工频耐压参数，能够安全可靠地被安装在油浸式变压器 内部。

雷电冲击试验所用的试验工装及安装方式与工频耐压试验是一样的。试区大气=96.4kPa，= 30.6℃，H=46%条件下。起始加压为350kV，同一电压区间加压三次后再提高施加电压。电压频率为50Hz，脉冲波为1.2/50ms，间隔电压为50kV，加压保持20s。最少达到第二级加压未出现击穿，算为有效测试，高于二级加压或目标值出现击穿为有效测试电压值。

试验结果表明，荧光光纤温度传感器能够耐受的电压冲击。

表2 冲击试验数据表

4 实践应用

荧光光纤温度传感器在2016年5月份应用于一台500kV油浸式变压器内部温度监测中，主要监测变压器内部绕组线圈、拉板、压钉、油口等32个位置的热力分布情况。油浸式变压器在出厂前需要进行一系列的出厂检验试验，其中变压器的温升试验是用来验证变压在工作时内部线圈及相关热点温度是否在其正常工作范围内的重要手段。

将500kV变压器的二维电场模型分为上端部、中部、下端部三部分，应用Main-Insulation软件对其尺寸参数分别进行设定，进行自动网格划分，加载第一类边界条件后使用默认求解器求解得出模拟电压数值，光纤温度传感器的工频耐压和雷电冲击等级范围能够安全在该变压器内部安装。

荧光光纤温度传感器在500kV油浸式变压器中的安装过程中可使用手持仪表对荧光光纤温度传感器进行测试，确保安装成功。线圈部分安装完成后，荧光光纤温度传感器随线圈一同进入干燥炉进行干燥。待干燥完成后，安装剩余位置上的荧光光纤传感器。压钉、拉板、油口等位置直接通过捆绑的方式，固定在需要测量的位置上。

荧光光纤测温传感器感温部分需要安装在被检测的变压器内部热点上，连接器端通过贯通器连接到测温主机上，对荧光信号进行解析并实时显示温度值。数据通过485总线传输到监视上位机，上位机能够显示实时温度曲线并将温度保存在后台数据库中。实现整个温度监测系统的运行。

光纤温度传感器被安装到500kV变压器内部，跟随变压器一同进行温升试验。变压器需加载80kV电压，通过改变变压器负载，增大变压器线圈电流使得线圈发热，风机启动同时内部变压器油进行循环散热。整个温升过程需要加压80kV后保持10h以上，再撤销电压测量变压器整体阻抗，然后再加30kV电压保持4h。整个过程线圈温度会快速上升到最大值，由于变压器油的循环散热，所以线圈的温度会相对比较稳定。在撤销电压测量阻抗过程中，线圈内没有电流，线圈温度会下降得比较快，再次加30kV电压后温度再次快速上升。第二次加压的电压值低，在第二次加压后，线圈温度值应低于第一次加压后的温度值。

荧光光纤温度传感器在整个温升过程中实时监测并记录温度数据，每40s记录一个温度值，整个温升试验16h共记录1500个数据，图4横坐标为数据记录个数。温度曲线如图4所示。

图4 线圈位置温度变化过程曲线

安装在高压线圈第30饼的位置荧光光纤温度传感器采集温度曲线为L1，安装在中压线圈第30饼的位置荧光光纤温度传感器采集温度曲线为L2，安装在低压线圈第30饼的位置荧光光纤温度传感器采集温度曲线为L3。

整个温升试验温度变化趋势符合前期推测，并且能够准确地测量出各个热点的具体温度值，为变压器的研究提供可靠的数据来源。荧光光纤温度传感器被安装在变压器内部，与整个变压器一起进行绝缘和耐压试验，试验均能够顺利通过再一次验证荧光光纤温度传感器的安全可靠性。

5 结论

荧光光纤传感器将无源测温方式成功应用到超高电压等级油浸式变压器中，解决了变压器内部由于高压环境的局限难以对温度进行实时监控的难题，克服了传统测温技术在电力系统应用的不足。荧光光纤测温监测系统能够提供动态、实时、安全可靠的高电压内部环境的温度信息，有效地评估变压器运行状态，为变压器设计水平和制造质量提供数据支持。

荧光光纤传感器在变压器公司500kV油浸式变压器中监测温度分布，是荧光光纤传感器在全国最高等级变压器中的首次应用，也是荧光光纤传感器在的电力系统中的标志性应用。

[1] 阳林, 史尊伟, 黄吉超, 等. 基于BOTDR分布式光纤传感器技术的架空线路温度检测现场试验研究[J]. 高电压技术, 2015, 41(3): 925-930.

[2] 钱政, 孙焦德, 袁克道, 等. 电力变压器绕组热点状态的在线监测技术[J]. 高电压技术, 2003, 29(9): 26-28.

[3] 吕政扬, 刘晓安. 变压器在线监测技术的新突破[J]. 西北电力技术, 2003(3): 45-47.

[4] IEC 60076—2. Power Transformers-Temperature Rise.

[5] ASTM D149-97a Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies.

[6] ASTM D2413 Standard Practice for Preparation of Insulating Paper and Board Impregnated with a Liquid Dielectric.

[7] ASTM D3426 Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials Using Impulse Waves.

[8] 丁跃清, 吴高林, 袁静, 等. 基于光纤测温技术的变压器绕组热点温度分析研究[J]. 变压器, 2012, 49(11): 53-57.

[9] 肖冰, 徐迪. 基于荧光衰减原理的光纤绕组测温技术研究[J]. 华北电力技术, 2012(4): 7-9.

Fluorescence Fiber Temperature Monitoring System Reserach Used for Above 500kV Ultra High Voltage Level Oil-immersed Transformers

Wang Chen1Lian Zilong1Cheng Lin2Deng Jian’gang2Lu Yuncai3

(1. Beijing Oriental Rayzer Technolongy Ltd, Beijing 100085； 2. State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan NARI Limited Liability Company, Wuhan 430000; 3. State Grid Jiangsu Electric Power & Research Instiute, Nanjing 210024)

Internal winding temperature real-time monitoring is an important part of guarantee reliable operation in ultra high voltage level oil-immersed transformers, the existing way to measure internal winding temperature through calculation and winding temperature calculation model. The impact of transformers internal hot-spot temperature is not only the coil temperature fever caused by heat transfer to other position changes but also the magnetic flux close to the transformer coil. Through the model calculated the temperature distribution inside the transformer have big error. This paper discusses based on the fluorescent light attenuation and temperature, find a fluorescence optical fiber temperature sensing technology, provide fluorescent sensor material properties and package structure, Verify the temperature measurement precision of the sensor and the safety and reliability of the used materials. The temperature monitoring system has been successfully applied above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers, realize the ultrahigh pressure oil-immersed transformer winding temperature on-line monitoring.

fluorescence optical fiber temperature sensor; fluorescence lifetime; power frequency withstand voltage; lightning shock; above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers

国家电网科技项目（SGTYHT/14-JS-188）

汪 晨（1990-），男，汉族，安徽省桐城市人，硕士研究生，中级嵌入式工程师，主要从事光传感研究工作。