电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统及其监测方法

摘要

本发明提供一种电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统及其监测方法。系统包括：激光光源、光纤传感器、频移检测电路、放大电路、滤波采样电路及显示器，所述激光光源发出的光经过所述光纤传感器产生布里渊散射，所述光纤传感器预埋在电力变压器绕组的电磁线内，电力变压器绕组内部的温度和应力影响所述光纤传感器的布里渊散射信号的频率，所述光纤传感器传回的布里渊散射信号经过所述频移检测电路转换为电信号，再经过所述放大电路和所述滤波采样电路，得出绕组内部分布式的温度和应力信息，最后送显示器显示。本发明监测系统可准确测量出变压器绕组内各点温度和应力，真实反应最热点温度和绕组由于形变受到的应力。

说明书

技术领域

本发明属于电力变压器监测中的光纤传感领域，具体涉及一种电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统及其监测方法。

背景技术

目前国内外电力变压器线圈绕组的温度测量方法主要有三种：第一种是通过安装在变压器绕组线圈表面的传感器，测量电力变压器绕组线圈的表面温度，但该方法只能测量电力变压器绕组表面温度，未能真实反映绕组最热点温度。第二种是通过测量介质温度，间接测量电力变压器绕组线圈内部温度，经工程实践证明，该方法得到的绕组内部线圈温度不精确。第三种是通过较为复杂的光纤光栅传感器测量电力变压器绕组线圈的内部温度，该方法的光栅传感器安装复杂，可测点有限。而国内外对线圈绕组内部应力的测量只能通过绕组的形变测试装置即绕组变形仪间接的测量，不但不能实时反应绕组的应力变化，且由于测量结果重复率低，易造成误判。

因此，有必要提供一种能够准确测量出变压器绕组内各点温度和应力的变压器绕组内部温度和应力的监测系统及其监测方法，以满足实际工程需要。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于布里渊散射原理的变压器绕组内部温度和应力的监测系统及其监测方法，经样机试验证明，可准确测量出变压器绕组内各点温度和应力，真实反应最热点温度和绕组由于形变受到的应力，且测量结果重复率高，可极大地提高电力变压器绕组内部温度和应力的测量的精确性和灵活性。

本发明采用的技术方案是：一种电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统，其特征在于，系统包括：激光光源、光纤传感器、频移检测电路、放大电路、滤波采样电路及显示器，所述激光光源发出的光经过所述光纤传感器产生布里渊散射，所述光纤传感器预埋在电力变压器绕组的电磁线内，电力变压器绕组内部的温度和应力影响所述光纤传感器的布里渊散射信号的频率，所述光纤传感器传回的布里渊散射信号经过所述频移检测电路转换为电信号，再经过所述放大电路和所述滤波采样电路，得出绕组内部分布式的温度和应力信息，最后送显示器显示。

如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统，其特征在于，所述光纤传感器为单模光纤传感器。

如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统，其特征在于，所述监测系统的距离分辨率可达到0.1m，温度分辨率可达到0.1摄氏度，应变的分辨率可达到2，可满足50km的光纤范围内的温度与应变测量。

本发明还提供一种采用如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力监测系统的监测方法，其特征在于，当传感器光纤的任意一点或者任意一段有温度和应力变化时，光纤就反射回一个与自身温度和应变相对应的布里渊散射窄谱脉冲光信号，放大电路及滤波采样电路对返回信号列进行放大滤波采样和分析，将时间换算成从布里渊散射光变化产生的位置到光纤末端的距离，并将光频率换算成光纤的温度，即可求出各点的温度和应力。

如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力的监测方法，其特征在于，所述的光纤传感器传回的信号在受到温度和应力作用下布里渊散射光频率发生了偏移，其产生的频率偏移与光纤所受温度和应力呈良好的线性关系。

如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力的监测方法，其特征在于，安装在变压器绕组线圈上的光纤在受到温度和应变作用下，布里渊散射光频率发生了偏移现象，通过试验标定的方法找到布里渊散射频率偏移与温度及应力的映射关系，从而实现对变压器绕组内部的温度和应力直接测量。

如上所述的电力变压器绕组内部温度和应力的监测方法，其特征在于，电力变压器绕组内部的温度和应力与布里渊散射频率偏移试验数据的标定是通过最小二乘的拟合方法实现的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明解决了传统电力变压器绕组内部温度应力不能直接测量的问题，提高了变压器绕组内部温度应力测量的灵活性和精确性。

(2)本发明实现了单根光纤同时测量电力变压器绕组内部温度和应力的问题，整个光纤都是传感器。可以准确地测量到绕组线圈内部最热点和绕组应力分布。

(3)本发明能准确测量电力变压器绕组内部的温度和应力分布，本发明可以测量50km内每0.1m间隔的温度和应力。温度分辨率可达到0.1度，应变的分辨率可达到2με。

附图说明

图1是本发明实施例的电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统的变压器铁心和线圈的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

附图中的符号说明：①、绕制在变压器铁心原方的传感光纤；②、绕制在变压器原方的电磁线；③、绕制在变压器铁心副方的传感光纤；④、绕制在变压器副方的电磁线；⑤、变压器铁心；⑥、变压器原方；⑦、变压器副方；⑧、激光源；⑨、频率检测电路；⑩、信号放大电路；信号处理电路；显示器。

本发明所述的变压器绕组内部温度和应力监测系统主要包括：激光光源，光纤传感器，频移检测电路，放大电路，滤波采样电路及显示器。首先安装电力变压器绕组内部光纤，将传感光纤连接在激光源和测量回路上，激光源发出的光，经过光纤传感器形成闭合的光路。当传感器光纤的任意一点或者任意一段有温度和应力变化时，光纤就反射回一个与自身温度和应变相对应的布里渊散射窄谱脉冲光信号；信号处理部分对返回信号列进行放大滤波采样和分析，将光在光纤中的布里渊散射频率标定到对应的温度值和应力值。标定完成后，将标定数据进行最小二乘拟合获取温度和应力值与散射频率之间的映射关系。然后再将实时测到的光纤布里渊散射频率通过映射关系计算得到温度和应力值。

(1)安装光纤传感器

与传统电力变压器电磁线不同，本发明先将单模或者多模光纤传感器掩埋在裸电磁线中，然后按照常规工艺绕制电力变压器原方和副方的线圈。

(2)测量光在光纤中的基准频率和布里渊散射频率

基准光频率和布里渊散射光频率的测量符合一般光频率测量的方法，首先被测光信号通过频率检测电路(图1中⑨)将光信号转换为电信号，电信号经过信号放大电路(图1中⑩)放大送给信号处理电路(图中1中)进行分析处理获取频率，最后送给显示器(图中1中)显示频率信号。

(3)布里渊散射频率标定

因布里渊散射频率的偏移量与光纤应变和温度的变化有很好的线性关系，因此只需将获取的布里渊散射频率信号转换为温度和应力信号就可获取温度和应力值。下面详细的描述信号标定过程：

首先将装设有光纤的电力变压器放置在常温20摄氏度(x₀＝20)且不受应力的情况下，记下布里渊散射频率的频率偏移为y₀。

其次在不受应力的情况下，温度每升高5摄氏度，分别记录下对应的布里渊散射频率的频率偏移记y_i。一直将温度升高到T摄氏度。这样一共就测量了n组数据。应用最小二乘法进行拟合。

引入平均值：$\bar{x}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i---\left(1\right)$

$\bar{y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i---\left(2\right)$

$\overline{x^2}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i^2---\left(3\right)$

$\overline{\mathrm{xy}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i{y}_i---\left(4\right)$

根据公式(1)、(2)、(3)、(4)则：

$\bar{y}-a-b\bar{x}=0---\left(5\right)$

$\overline{\mathrm{xy}}-a\bar{x}-b\overline{x^2}=0---\left(6\right)$

解得：$a=\bar{y}-b\bar{x}---\left(7\right)$

$b=\frac{\overline{\mathrm{xy}}-\bar{x}\bar{y}}{\overline{x^2}-{\bar{x}}^2}\left(8\right)$

将a、b值带入线性方程y＝a+bx，即得到回归直线方程。得到布里渊散射频率的频率偏移与温度之间的映射关系。

将试验条件改为，保持温度不变。应力每增加5牛顿，分别记录下对应的布里渊散射频率的频率偏移记y_i。一直将应力升高到T牛顿。这样一共就测量了n组数据。应用最小二乘进行拟合。同样可以得到布里渊散射频率的频率偏移与应变之间的映射关系，y＝a₂+b₂x。

(4)变压器绕组温度和应力的计算

记布里渊散射频率的频率偏移与温度之间的映射关系：y＝a₁+b₁x。布里渊散射频率的频率偏移与应变之间的映射关系：y＝a₂+b₂x。根据当前变压器绕组内部光纤的布里渊散射频率的频率偏移就可计算出当前变压器绕组温度T与应力值με。

(5)精度分析

根据实验分析，电力变压器绕组内部温度和应力的监测系统空间分辨率可以达到0.1m。温度的分辨率可达到0.1度，应变的分辨率可达到2με。可满足50km的光纤范围内的温度与应变测量。