基于双路边沿滤波的变压器绕组温度监测系统设计

黄沥 马文倩 胡志勇 张言 党随虎

摘 要：为避免大型变压器因绕组短路、线路老化、冲击电流等引发变压器事故，对大型变压器设备的在线监测与提前预警成为变压器设备安全与稳定的重要前提。该文提出双路边沿滤波的解调方法，利用FBG光栅反射光强与温度的线性关系，实现了对油浸变压器绕组60～140 ℃范围的温度监测。通过FBG光柵楔形悬空封装设计，保障测温系统在振动、油浸、强电磁环境中对绕组热点位置的温度长时间稳定监测。实验表明由FBG光栅楔形封装传感器和双路边沿滤波解调方法，实现了对变压器绕组多个热点位置温度进行实时监测，系统可靠稳定，测温精度在±1 ℃。

关键词：变压器绕组测温 双路边沿滤波解调 FBG光栅 实时监测

中图分类号：TP277  文献标识码：B

Design of the Transformer Winding Temperature Monitoring System Based on Dual Edge Filtering

HUANG Li  MA Wenqian*  HU Zhiyong ZHANG Yan DANG Suihu

（School of Electronic and Information Engineering， Yangtze Normal University， Chongqing， 408000 China）

Abstract：In order to avoid transformer accidents of large transformers  caused by winding short circuit， wiring aging and impact current， the online monitoring and early warning of large transformer equipment have become the important prerequisite for the security and stability of transformer equipment.This paper proposes the demodulation method of dual edge filtering， uses the linear relationship between the reflected light intensity and the temperature of FBG grating to realize the monitoring of the temperature of oil-immersed transformer winding in the range of 60℃～140℃， and ensures the long-term stable monitoring of the temperature of the winding hot spot in the vibration， oil immersion， strong electromagnetic environment by the wedge-shape dangling package design of FBG grating. Experiments show that the real-time monitoring of the temperature of multiple hot spot positions of transformer winding is realized through the wedge-shape encapsulated sensor and dual edge filtering demodulation method of FBG grating， the system is reliable and stable， and that the temperature measurement accuracy is ±1 ℃.

Key Words： Transformer winding temperature measurement; Dual edge filtering demodulation; FBG grating；Real-time monitoring

在当今电力系统盛行的时代，电力系统几乎支撑了整个社会体系的运转，因此电力系统的安全运行对国家经济发展和社会稳定至关重要。变压器故障具有多样性，但变压器绕组关键部位的故障最为常见，例如：2020年11月，在山东省青岛市北区利群海琴广场东北角一变压器突然发生爆炸，造成巨大的经济损失，经调查，其因变压器绕组故障导致温度过高而引起的爆炸。当变压器内部出现严重过载、短路、绝缘损坏等故障时，绝缘油受到高温或电弧作用，受热分解产生大量烃类混合气体，使变压器内部的压力急剧上升从而引发严重的爆炸事故。因此对变压器绕组的温度实时监测并提前预警具有重要的现实意义。

由于变压器处于强电磁场中，传统的电子温度传感器易受电磁干扰，无法实现线精密测量[1]，而红外辐射测温[2]由于不具备扫描功能和仪器本身测温距离的限制，存在很大的局限性，无法解决变压器内部温度的实时监测问题。

针对变压器绕组所处强电磁场、油浸、震动的工作环境，该文设计了FBG[3]温度传感器楔形悬空封装结构提高温度传感器的稳定性，采用双路边沿滤波解调方法扩展测温范围、提高测温精度，结合光开关实现变压器绕组多个热点位置温度监测。监测系统由测温、解调及预警这3个部分构成，实现对绕组温度进行实时采集监测，根据温度变化趋势提前做出预警。

1 变压器绕组温度监测系统设计

1.1 光栅楔形封装

为了避免变压器内部强电磁场影响，系统选用FBG光纤光栅传感器作为测温器件。如图 1所示，FBG光纤光栅传感器[4]的结构包括光纤光栅本体和基座，其中，光纤光栅本体包括光纤光栅部分和野战光缆部分；基座设计为楔形，基座的采用一体成型，内部有沿基座长度方向衍生的安装腔，腔内能够安装光纤光栅本体。光纤光栅本体通过固定部固定于基座安装腔内，使光纤光栅部分悬空且密封于基座的安装腔内，且光纤光栅传感器本体的野战光缆部分位于基座的安装腔外部。光纤光栅传感器采用聚酰亚胺和硅橡胶分别作为传感器基座材料和粘合剂，这两种材料对传感器既起到保护作用，又满足了绝缘性、对温度的敏感性和导热性的要求。楔子型的外观设计，解决了传感器在绕组线圈不同间隙处固定问题。采用传感器悬空的结构设计，有效避免了温度、应变的交叉敏感，不会受到被测对象的热膨胀和应力场影响。

1.2 双路边沿滤波解调

1.2.1 解调系统整体设计

智能感知系统分为3个模块，分别为温度采集解码模块、光电转化解调模块以及故障预警模块。

第一，温度采集解码模块。FBG反射光栅将带有绕组温度信息的光信号返回，分高低温波段分别进行解码。采用光开关[5]实现对多点温度监测。第二，光电转化解调模块。通过光电转换器进行光电转换，将光信号转化为对应的电流信号，再进入电信号处理。将电流通过IV放大电路将电流转换为电压并放大，随后进行AD转化将电压的模拟量转化成单片机能处理的数字量，单片机提取电压值进行解析为对应温度，利用单片机对光开关的控制实现多路光栅扫描，准确、实时地测量多个定点位置的温度。第三，故障预警模块。在研究出现故障时温度数据异常变化特征基础上[6]，构建变压器运行异常态势温度变化进行感知预警。该系统有效地解决了变压器绕组多个热点位置温度实时监测的问题，系统整体设计思路如图2所示。

1.2.2 温度采集和解码

光信号解调通路，具体如图3所示。将宽带光源（-20 dB光强）与光源入口相接，宽带光源经过三端口环形器，光源进入FBG光栅，光源经过FBG光栅的反射将温度编码的反射光信號再次进入三端口环形器，FBG光栅反射光经另一个端口输入一分二环形器，将反射光信号分成两路分别进入高通滤波和低通滤波，两段波长用两个不同滤波器进行精确滤波，最后将处理后的光信号输出进行光电转化。

1.2.3 双路边沿滤波方法

本系统选用光功率为-20 dB处35 nm左右带宽的宽带光源；30 ℃下Bragg光栅传感器的起始中心波长在1 548.82 nm附近，温度灵敏度[7]在0.011 nm/℃左右，测量200 ℃的范围需要2.2 nm左右的带宽。光学滤波器为高斯滤波器，其最佳线性变化范围较窄，所以采用两个滤波器的并联方式来增加测温的范围；两个滤波器作为边缘滤波器[8]，为整个解调系统提供出了滤波边带，它将光纤光栅传感器反射谱的波长的偏移量转换成了对应的光功率变化量。低温滤波器的变化斜率对应的起止波长范围为1 549.01～1 551.253 nm，可见边缘滤波器之间参数相互衔接，高温段滤波器的线性斜率的起止波长范围为1 549.59～1 552.15 nm，选用合适中心波长光纤光栅来对变化斜率[9]加以利用。光学滤波器带隙如图4所示。

1.2.4 光电转化和解调

PIN光电二极管[10]的输出电流信号很弱，所以采用IV前端放大模块来对电流信号进行转换放大。光信号经过光电转化之后直接进入IV放大电路将电流进行放大以电压的形式输出，单片机对输出电压进行采集。电流进入第一个T型放大器转化为电压后按照T型放大计算公式（1）进行120倍电压信号放大。

其中电阻100 k可调电阻实现100倍增益调节，其电路设计和实物图，如图5、图6所示。信号进入最后一级偏置，通过减法器将交流信号与直流偏置叠加，并保证R7=R11， R15=R16 ，将处理后的信号直接输入单片机进行电压采集，进行电信号处理。在实际使用中可通过增大T型反馈网络中的R2、R3阻值来提高IV前端的增益，并调整其中间级的增益和减法器的参数，使输出电压在单片机的可采集电压范围内。

3 系统测试

在集成了光纤光栅传感器和温度解调系统基础上[11]，制作了变压器绕组温度监测样机，样机显示界面和内部实际布置如图7，图8所示。

将光信号通过光电转换器转化为电流通过IV放大器放大并转化为电压，将FBG光栅与热电偶测温器放置在变压油中，缓慢加热变压油观察电压与温度对应关系进行拟合得出温度电压拟合曲线，具体情况如图9所示。

如图9所示，测试得出电压-温度变化曲线，通过拟合得到高温和低温段温度随电压的变化满足的函数关系及光强与电流关系，具体如公式（2）～公式（4）所示。整个系统通过并联带通波段相邻的两个光学滤波器将测温范围扩展到60～140 ℃，测温精度达到±1 ℃。

4 结语

该文采用双路边沿滤波解調方法使得光纤光栅温度传感器测温范围达到60～140 ℃，满足了大型油浸式变压器绕组测温需求。光纤光栅温度传感器采用了楔形悬空封装结构有效避免了温度、应变的交叉敏感，提高测温系统的稳定性。系统样机在集成光开关和报警模块后，实现对变压器绕组温度进行实时监测并能够对温度异常预警。

参考文献[1] 宗占强.基于卷积神经网络的油浸式变压器故障诊断[D].淮南：安徽理工   大学2021.