基于BOTDR 的变压器绕组变形检测试验研究

杨名宇，范晓舟，徐永峰，晁智超，李 欢

（1.国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司，黑龙江 哈尔滨 150000；2.华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000）

0 引言

电力变压器是输变电系统中最重要的设备之一，一台大型变压器在运行时发生故障极可能导致电力系统瘫痪或崩溃，造成严重的经济损失。相关变压器事故统计数据显示，110 kV 及以上电压等级变压器损坏事故中由于绕组绝缘损坏造成的事故占70%，由于短路强度不足造成的事故占40%［1-6］。及时了解变压器的运行状态并对可能发生的故障进行诊断及检修，是减小变压器运行故障、保证系统安全运行的重要措施。

基于光电子技术的进步，电力系统监测技术融合传感器、计算机、信息处理等技术，已逐步由离线的定期监测向在线连续监测发展。在线连续监测能实时获取变压器的运行状态，识别不正常运行情况，诊断其内部故障类型，预测故障发展趋势。

脉冲光在光纤内传递产生散射信号，分布式光纤传感技术利用该信号测量沿光纤轴向上的温度和应变。相较于传统的电类和机械类传感器，光纤传感器具有如下优点：①体积小，质量轻，方便应用于狭窄空间及航空、航天领域；②质软可弯曲，可制造成各种外形、尺寸；③可靠性高，光纤传感器利用光波在光纤内产生的散射信号传输信息，光纤电绝缘性能好、耐腐蚀、耐高温，既不受强电磁、雷电干扰，也不对外界电磁场造成影响；④测量距离长、范围大、信息量大，光纤既作为探测元件又作为传输元件，可以实现光纤沿线任意空间连续测量，适合应用于大型设备、建筑的安全隐患监测，相较于传统点式方法能大幅度降低漏检率。目前，分布式光纤传感技术正逐渐应用于土木工程、石油、电力、航空航天等领域。

由于目前国内外关于变压器绕组变形的检测方法仍处于离线检测范围，对绕组变形的具体位置和变形形式无法准确掌握，同时电气测量方法受现场试验环境影响较大，带电测量技术仍处于研究阶段。变压器内部结构复杂、工作电压高、电流大、工作环境特殊，基于电信号的绕组变形检测方法无法满足在线监测的需要。开展基于布里渊散射的光纤应变检测技术研究，将为变压器的运行维护提供理论支持和技术手段，也能对绕组变形的定位、故障诊断等提供新的思路。

1 光纤布里渊散射原理

1.1 OTDR 技术原理

光时域反射技术（Optical Time Domain Reflection，OTDR）的基本原理是通过分析光纤后向散射光的特性测量因散射、吸收现象产生的光纤传输损耗以及各种缺陷引起的结构性损耗，当光纤某一点受到外力作用时，其散射特性将发生变化，因此通过损耗与光纤长度的对应关系进行空间定位，计算公式为

式中：τ 为回波信号到达发送端的时间；c 为真空中的光速；n 为光纤纤芯的有效折射率。

1.2 BOTDR 检测原理

光时域反射计（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR）的本质是布里渊分布传感技术，利用探测自发布里渊散射实现传感。该技术基于对背向布里渊散射信号的探测与处理，为获得中心频率为vB的背向布里渊散射信号，需在光纤一端注入频率为v0的脉冲，结合自发布里渊散射的频移或强度处理获得的背向布里渊散射信号，即实现对应变和温度的分布式传感［3-4］。BOTDR 系统原理如图1所示。

图1 BOTDR 系统原理

1.3 基于布里渊散射的光纤应变检测

布里渊频移受光纤材料中的声速影响，而声速与材料的热光特性与弹光特性有关，因此布里渊频移会随光纤温度和应变等条件改变而变化。

研究表明，布里渊频移与光纤所受外力的作用近似成线性相关，布里渊频移与温度及应变的关系式可表达为［3］

式中：vB为分布式光纤在温度T 和应变ε 下的布里渊频移；vB0为分布式光纤在初始温度T 和初始应变ε 下的布里渊频移；CvT和Cvε为布里渊温度系数与应变系数［3］。

由于布里渊频移同时受周围温度和应变信息的双重影响，为准确检测变压器绕组的变形故障，利用两根不同的分布式光纤共同敷设，对光纤背向的布里渊散射信息进行温度补偿。

为保证两根光纤处于相同的温度和应力变化环境，将两根不同护套材料的紧套光纤贴附于绕组表面，利用温度和应变标定试验同时测量两根光纤的布里渊频移的变化，具体表达式为

考虑到两根分布式光纤的温度系数和应变系数不相同，只要能够保证CvT1Cvε1≠CvT2Cvε2，通过求解此方程组便可以获得光纤的应变信息［7-8］。

本文中未考虑绕组温度变化带来的影响而保持绕组恒温，所以只使用一根光纤来实现对绕组单纯的应变检测。

2 变压器绕组变形检测关键技术

2.1 试验材料和设备

选择G.657A1 型抗拉伸、耐弯曲单模光纤作为传感光纤，其允许弯曲半径为10 mm，护套材料采用ETFE。BOTDR 选用分布式光纤应变监测系统，光纤规格和仪器参数设置见表1［3］。

表1 BOTDR 及光纤参数设置

2.2 光纤复合式变压器绕组的设计及工程实现

试验采用在绕组最外侧导线外径侧表面贴附光纤的方式进行温度传感，如图2 所示。采用滑轮引导装置，为避免光纤直接接触导线，在绕组扁铜线包裹绝缘纸的过程中，先在导体外表面包绕两层绝缘纸，再包绕两层绝缘纸用于光纤固定。这种布置方式既避免光纤对绕组自身结构造成影响，也最大程度上削弱了绝缘油流动、震动和绕组匝间挤压力对光纤的影响；同时，当遭受短路冲击时，光纤也将随绕组的局部形变发生同步变形，通过检测光纤应变量即可获得绕组状态［9-10］。

图2 光纤复合式导线结构

选取一台电压等级为110 kV，容量为31.5 MVA的变压器低压绕组尺寸绕制螺旋式绕组模型，为方便设置变形，采用8 根导线并绕，将最外圈导线换成图2 所示的光纤复合式导线。最终制成外径700 mm，共40 饼，总长约90 m 的绕组模型，模型实物如图3 所示。

图3 粘贴式光纤绕组模型

3 变压器绕组变形检测试验

分别对预埋分布式光纤的绕组第21—25 饼、6—8 饼、12—16 饼以及32—34 饼依次设置4 处微小局部变形，具体变形方向及变形量大小见表2，表中变形程度指绕组外凸中心点相对于原绕组突出的距离，亦即挠度。由于通常绕组受到短路电动力作用发生变形时表现为某一饼或几饼的整体变形，因此以整饼为单位对绕组模型设置局部变形，如图4 所示。测量期间绕组置于实验大厅内，可以认为其温度保持恒定且各部分温度分布均匀，在这种情况下，根据式（2）可知，当ΔT=0 时，布里渊频移vB只与应变量有关。分别测量不同部位发生局部变形前后的光纤应变曲线，将测量结果与正常绕组的应变分布进行比较，如图5 所示。

表2 位置对比

图4 绕组模型局部变形

图5 变形绕组与正常绕组应变对比曲线

从图5（a）—图5（d）中可以看出，绕组不同位置发生的变形均可以在传感光纤应变曲线的变化中表现出来，随着变形部位的增加，光纤应变曲线的变化也呈现累计效应。图5（e）为绕组模型发生4 次变形后的应变曲线相对原始曲线的变化情况，设置的4 次变形量为10～20 mm，可以看出4 次变形均对光纤应变曲线产生超过100 με的变化，同时根据曲线变化的位置可以对变形位置进行推断定位精度可达±1 饼以内。此外从图中还可以看出对于外凸应变，应变量呈现下降。

应用最高频率为3 MHz 的绕组变形测试仪分别对局部变形的绕组进行了测量，并将正常绕组的频响曲线与局部变形的频响曲线进行了对比，结果如图6（a）—图6（d）所示。

从波形比较可以看出，在1 MHz 的范围内，绕组变形前后的幅频曲线没有出现明显的偏移。通过分析计算幅频曲线的相关系数，并依据标准DL／T 911—2016《电力变压器绕组变形的频率响应分析法》判断绕组为正常绕组。通过对分布式光纤与绕组变形测试仪的检测结果进行对比，确定该检测方法比频率响应分析法具有更高的灵敏度，可有效监测到绕组的微小局部变形。

图6 绕组幅频曲线

3 结语

针对传统的变压器绕组变形检测方法的不足，提出一种基于BOTDR 的绕组变形检测方法，并进行了相关的测试试验，根据实际绕组尺寸及材料，并结合光纤的布置方法，绕制完成了光纤复合式绕组模型。通过对光纤复合式绕组施加不同位置和程度的变形，采用基于布里渊散射的分布式光纤传感方法检测绕组变形情况。结果表明，分布式光纤传感技术对绕组微小变形（挠度在1～2 cm）的测量有较高的灵敏度，同时可以实现绕组变形的定位，定位精度能达到±1 饼。