基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監(jiān)測方法研究

龍 劍

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421000）

0 引 言

智能電網(wǎng)中，電力變壓器已成為不可缺少的裝備。變壓器的運(yùn)行直接影響人們的生產(chǎn)生活[1-2]。為更好地檢測變壓器的狀態(tài)，需對(duì)變壓器進(jìn)行可控檢測。變壓器的壽命長短主要取決于絕緣能力。變壓器的實(shí)際運(yùn)行中，變壓器的溫度影響其絕緣能力，因此通過檢測變壓器溫度推斷變壓器的壽命[3]。變壓器運(yùn)行時(shí)，鐵心溫度可直接反應(yīng)內(nèi)部溫度，因此急需一種能夠準(zhǔn)確檢測鐵心溫度的檢測方法[4-5]。

目前，檢測鐵心溫度的方法主要分為3種，熱模擬測量法、間接計(jì)算測量法及直接測量法。鮑俊花等人提出使用熱模擬測量法測量繞組溫度[6]。該方法因簡單而被廣泛使用，但模擬過程和溫升過程誤差較大，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不能精準(zhǔn)反應(yīng)繞組溫度。Tajdinian等人提出間接計(jì)算法來測量繞組溫度[7]。該方法簡化了變壓器的熱特性分布，計(jì)算簡單且具有一定精度，但計(jì)算結(jié)果會(huì)受繞組熱點(diǎn)的影響。Gu等人提出使用直接測量法直接測量繞組溫度[8]。該方法能準(zhǔn)確反應(yīng)變壓器內(nèi)部的溫度變化趨勢(shì)。直接測量法主要包括電信號(hào)傳感器測試法、紅外測溫測試法及光纖測溫測試法。

Miczulski等人提出使用電信號(hào)傳感器測量法直接測量變壓器內(nèi)部溫度，但電信號(hào)傳感器壽命短，受電磁影響大，測試結(jié)果不能準(zhǔn)確反應(yīng)內(nèi)部溫度[9-10]。Li等人提出了紅外測溫測試法[11]。該測試法使用紅外線測試，但易受電磁影響，且不能及時(shí)將測試結(jié)果傳回，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。Jiang等人提出了一種光纖測溫測量法[12]。該方法由于測量精度高而得到廣泛應(yīng)用。但該方法應(yīng)用于變壓器測溫時(shí)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來放置光纖傳感器，從而造成測溫點(diǎn)數(shù)量少和測溫點(diǎn)分布不均勻等問題。

針對(duì)目前直接測量法存在的測溫點(diǎn)數(shù)量少、測試點(diǎn)分布不均及不能實(shí)時(shí)傳輸測量結(jié)果等問題，本文提出一種基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監(jiān)測方法。此方法可提高目前的變壓器內(nèi)部溫度檢測水平，增加變壓器的使用壽命，減少變壓器故障率。

1 光柵傳感器原理

光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor）是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長的調(diào)制來獲取傳感信息。光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性能好、體積小及傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

光纖光柵具有熱光效應(yīng)和熱膨效應(yīng)，將會(huì)直接影響光纖光柵的溫度特性。當(dāng)光纖光柵發(fā)生熱光效應(yīng)時(shí)，對(duì)應(yīng)光柵的有效折射率將會(huì)產(chǎn)生改變。如果光柵的柵格周期發(fā)生變化，就表明光纖光柵發(fā)生了熱膨效應(yīng)。如果溫度和布拉格波長發(fā)生變化，就表明熱光效應(yīng)和熱膨效應(yīng)均在光纖光柵上產(chǎn)生[13]。因此，光纖光柵的溫度效應(yīng)可表示為：

其中，α表示光纖光柵的熱膨系數(shù)，取值為5.5×10-7；λ表示光纖光柵的熱光系數(shù)，取值為5.5×10-6。

光纖光柵不僅能測量溫度，還能測量應(yīng)變。光纖光柵的應(yīng)變特性主要受彈性效應(yīng)和彈光效應(yīng)影響[14]。彈性效應(yīng)會(huì)對(duì)光纖光柵的柵格周期產(chǎn)生重要影響，而彈光效應(yīng)會(huì)改變光纖光柵傳感器的有效折射率。因此，光纖光柵的彈性效應(yīng)可表示為：

其中，Pe表示光纖光柵的有效彈性系數(shù)，取值為0.22。

因此，當(dāng)測量變壓器內(nèi)部溫度時(shí)，應(yīng)減小應(yīng)變特性對(duì)光纖光柵溫度特性的影響。

2 設(shè)計(jì)方法

基于光纖光柵傳感器的鐵心溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要分為傳感器嵌入變壓器、溫度檢測系統(tǒng)及傳感器傳輸系統(tǒng)。對(duì)本文提出光纖光柵卷鐵心溫度測量法（Fiber Grating Core Temperature Measurement，F(xiàn)GCTM）、電信號(hào)傳感器測量法（Electrical Signal Sensor Measurement，ESSM）、紅外測溫法（Infrared Temperature Measurement，ITM）及光纖測溫法（Fiber Optic Temperature Measurement，F(xiàn)OTM）進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估各方法的預(yù)測精度。本研究的具體流程如圖1所示。首先進(jìn)行溫度檢測，然后傳輸溫度信號(hào)，并使用計(jì)算機(jī)顯示結(jié)果，最后對(duì)不同測試方法進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)測量方法。

圖1 研究流程圖

2.1 溫度檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)溫度檢測具有測溫難、測溫點(diǎn)少及測試方法抗干擾能力弱等問題。因此，本研究提出了將光纖光柵傳感器嵌入變壓器鐵心的方法，通過光纖光柵傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，并傳輸采集信號(hào)。由于光纖光柵傳感器尺寸小，抗干擾能力強(qiáng)，能在高溫高壓環(huán)境下正常工作，所以完全可嵌入到變壓器內(nèi)部。首先采用光纖預(yù)拉伸工具對(duì)光纖光柵進(jìn)行預(yù)拉伸，然后對(duì)操作后的光纖進(jìn)行鍍金。由于光纖光柵傳感器具有溫度特性和應(yīng)變特性，為提高光纖光柵傳感器的測量精度，需減小應(yīng)變特性的影響，并改善熱膨系數(shù)來提升靈敏度。由于鋁合金的熱膨系數(shù)高，所以可以通過剛性焊接技術(shù)將光纖光柵傳感器和鐵心的鋁合金基底進(jìn)行結(jié)合，從而提升光纖光柵傳感器的測量性能。使用工具對(duì)鐵心的背面進(jìn)行開槽工作，槽的大小適中，不影響鐵心的正常運(yùn)行。銅扁線包紙過程中，采用引導(dǎo)裝置將光纖引入銅扁線所開設(shè)的小槽中，同時(shí)預(yù)留光纖尾纖，用于引出傳感信號(hào)[15]。

2.2 傳感器傳輸系統(tǒng)

本研究采用波分復(fù)用技術(shù)（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和空分復(fù)用技術(shù)（Space Division Multiplexing，SDM）。波分復(fù)用技術(shù)是在一根光纖上讓兩種或者多種信號(hào)均通過不同信道進(jìn)行傳輸，且互相不受影響。這種傳輸方式可使光纖傳輸更多信息。空分復(fù)用技術(shù)是將多根光纖進(jìn)行合并，共同組成多個(gè)信道且每個(gè)信道相互獨(dú)立，信號(hào)在對(duì)應(yīng)信道上進(jìn)行傳輸。通過采用波分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)，可使有限光纖最大化傳輸信息，能有效解決變壓器內(nèi)部測溫點(diǎn)少的問題。首先通過光纖光柵傳感器采集檢測數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)浇庹{(diào)儀，解調(diào)儀將波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)接受信號(hào)后并顯示實(shí)時(shí)檢測結(jié)果。具體流程如圖2所示。

圖2 檢測流程圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證本研究提出的FGCTM測試法的精準(zhǔn)度，將與ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法進(jìn)行對(duì)比仿真。仿真環(huán)境為Matlab 2016a simulink，通過改變溫度來比較不同測試法的精準(zhǔn)度。本研究采用平均絕對(duì)誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）來評(píng)估測試法[16]。其中，MAE反映了不同測試方法的準(zhǔn)確度，RMSE反映了不同溫度下，預(yù)測值與真實(shí)值的偏離程度。MAE與RMSE的定義分別為：

其中，N是測試樣本大小，yi為真實(shí)值為預(yù)測值。

圖3為不同測試法的平均絕對(duì)誤差。由圖3可知，F(xiàn)GCTM測試法的測試性能明顯優(yōu)于ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法。不同溫度下，F(xiàn)GCTM測試法的平均絕對(duì)誤差值最小，即FGCTM測試法的準(zhǔn)確性最高。使用FGCTM測試法測試不同的溫度，平均絕對(duì)誤差值波動(dòng)很小，表明FGCTM測試法穩(wěn)定性很好。

圖3 不同測試法的平均絕對(duì)誤差

圖4為不同測試法的均方根誤差。由圖4可知，通過FGCTM測試法、ESSM測試法、ITM測試法及FOTM測試法的對(duì)比，F(xiàn)GCTM測試法測得的數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)值，誤差更小，測試更穩(wěn)定。不同溫度下，F(xiàn)GCTM測試法波動(dòng)很小，能得到最佳的測試效果。

圖4 不同測試法的均方根誤差

4 結(jié) 論

為解決變壓器測溫難和測溫點(diǎn)少的問題，本文提出了一種基于光纖光柵傳感器的變壓器卷鐵心溫度監(jiān)測方法。將光纖光柵傳感器嵌入變壓器鐵心，采用空分復(fù)用和波分復(fù)用的方法將傳感器信息傳入解調(diào)儀，解調(diào)儀將波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息并傳入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。仿真結(jié)果表明，與ESSM測量法、ITM測量法及FOTM測溫法相比，本文提出的FGCTM測量法能有效提高變壓器內(nèi)部溫度的檢測精度。由于光纖光柵傳感器具有體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)及絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，能持續(xù)完成高密封度、高壓設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，所以可應(yīng)用于其他溫度檢測。