基于分布式光纖傳感的繞組變形程度檢測

劉云鵬 李 歡 田 源 賀 鵬 范曉舟

基于分布式光纖傳感的繞組變形程度檢測

劉云鵬1,2李 歡1,2田 源3賀 鵬4范曉舟1,2

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室 保定 071003 3. 國網河北省電力有限公司電力科學研究院 石家莊 050021 4. 國網河北省電力有限公司石家莊分供電公司 石家莊 050021）

為了實現變壓器繞組輻向變形的定位與程度判斷，將分布式光纖傳感技術應用于繞組變形在線檢測領域。在導線表面開一淺槽，將兩根傳感光纖布置于其中，制造了光纖復合電磁線。使用COMSOL Multiphysics對其進行了靜電場仿真，結果顯示光纖復合電磁線相較正常導線未發生明顯電場畸變和絕緣強度降低。對該導線進行了固體力學仿真，結果顯示在內凹和外凸兩種變形條件下，光纖應變與導線變形程度（以撓度作為指標）之間關系可以用二次函數來描述，2＞0.999。之后使用粘貼光纖的銅排模擬實際繞組，搭建試驗平臺，在仿真結論的基礎上，獲得了繞組撓度與光纖布里淵頻移之間的關系。最后使用光纖復合電磁線繞制了一臺35kV連續式繞組模型，使用該模型借助布里淵光時域反射技術，完成對變形的準確定位，定位精度在1餅之內，并完成了變形程度的檢測，檢測誤差小于10%。

變壓器 繞組變形 分布式光纖傳感 布里淵光時域反射技術

0 引言

電力發展對于經濟發展至關重要，而變壓器作為電能傳輸和轉換中的重要組成部分，其安全穩定運行對電網意義重大。研究發現，大型變壓器因遭受多次區外故障造成繞組變形直至最終發展成為內部匝間故障的事故較為多見，對電網安全影響極大[1-3]。傳統的檢測手段，如短路阻抗法、頻率響應法[4-6]和掃頻阻抗法[7-8]等，具有易受現場環境干擾、無法實現變形定位與程度準確判斷等缺點。在對電網運行安全要求逐漸提高的今天，急需一種能夠準確實現繞組變形定位和變形程度檢測的新型傳感手段。

分布式光纖傳感技術[9-10]在近年逐漸興起，其使用光纖作為信號傳輸媒質和傳感媒質，能獲得沿線各點處的溫度、應變、振動等各種信息，相比于其他點式傳感器具有測量點數多（上千乃至上萬點）、傳感距離遠（數千米至數十千米）等優勢，被廣泛應用于建筑健康監測[11]、橋梁隧道[12]和飛機等航天器狀態監測等各領域。這一技術還具有傳感光纖體積小和材質均為絕緣、不受電磁干擾等優點，使得其在電力設備狀態監測中也能有用武之地[13]。

文獻[14]探討了基于分布式光纖傳感技術的繞組變形檢測的可行性，并提出了基于極限學習機（Extreme Learning Machine, ELM）的變形模式識別算法。文獻[15]研究了基于布里淵光時域反射技術（Brillouin Optical Time Domain Reflection, BOTDR）的變壓器繞組變形檢測技術，將光纖敷設在繞組每餅導線最外匝外表面上，實現了對繞組變形的定位與模式識別，但這種方式每餅上只附著了1圈光纖，有效傳感長度較短，對于文中直徑為700mm的繞組，每餅僅對應約2.2m傳感光纖，由于BOTDR技術空間分辨率只能達到2~5m量級，所以其精確度稍低。文獻[16]研制了一種嵌入裸纖的漆包銅導線的生產工藝，以實現對繞組的應變傳感，使用布喇格光柵（Fiber Bragg Gratings, FBG）對光纖嵌入過程中的應變量進行了監測，結果顯示FBG在嵌入過程中所承受的應變不會對傳感精度造成影響。但這一工藝目前只實現了200m的連續生產，且裸纖沒有護套層的防護，極易發生斷裂，所以其距離實用化還有一定的距離。

上述文獻[14-16]中都未涉及光纖檢測到的應變量與繞組實際變形量之間的關系，使得通過測得的繞組應變曲線只能推斷繞組不同區域是否發生變形，無法判斷變形量大小。

對于分布式和準分布式光纖應變傳感中的應變傳遞機理和傳遞模型，有很多研究者進行了卓有成效的研究。文獻[17-18]研究了FBG粘貼方法與粘貼長度等對應變測量準確度的影響，指出為了實現準確的應變測量，FBG粘貼需要達到一定的長度，如果可能，采取埋入式敷設能達到更好的效果。但這一研究僅適用于FBG等點式傳感器。對于分布式傳感技術，文獻[19]中基于光頻域反射技術（Optical Frequency Domain Reflection, OFDR）研究了在等強度梁上的光纖應變傳遞特性，得出光纖粘貼區域中部應變傳遞率最高，兩側會有低應變區域。OFDR技術空間分辨率高，一般在mm量級或更高，但測量距離很短，常規商業儀器只能實現70m范圍內的應變分布式測量，無法滿足變壓器內部的測量需求。同時OFDR空間分辨率遠小于一般應變區域的空間尺度，而BOTDR空間分辨率在2~5m左右，與應變區域空間尺度接近，所以二者在應變傳遞規律上有較大不同。

文獻[20]中通過試驗和理論計算對變壓器繞組模型變形程度與BOTDR所測得應變值之間關系進行了研究，但其試驗組數較少，未能獲得較為明確的結論。

為繼續探究使用BOTDR技術檢測繞組變形時具體變形程度判斷這一問題，本文使用了一種表面開槽的電磁線作為研究對象，通過在導線表面開槽，槽中鋪設直徑0.5mm的護套緊包纖作為傳感介質。根據此導線的參數建立了仿真模型，對繞組變形的撓度和應變之間的關系進行了研究，并通過建立模擬模型來驗證這一結論，獲得了導線和光纖應變量與變形程度之間的關系。最后使用該導線繞制了1臺35kV連續式繞組模型，搭建了分布式繞組應變檢測平臺，對繞組變形的撓度與應變之間的關系呈現規律進行了驗證，完成了基于BOTDR技術的繞組變形定位和變形程度檢測。

1 測量原理

1.1 光時域反射技術

光時域反射技術（Optical Time Domain Reflection, OTDR）是分布式光纖傳感定位的基礎。當一束激光射入光纖，在光束沿光纖向前傳播的同時，光子會與光纖介質發生相互作用而產生后向散射，根據散射光產生機制的不同，可以分為瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。測量入射光入射時間0和散射光返回的時間，通過式（1）即可得到散射事件發生處距離光纖端部的距離0，從而實現定位。

式中，n為光纖纖芯折射率；c為真空中光速。

1.2 布里淵光時域反射技術

布里淵散射是入射光場與光纖中聲學聲子發生的非彈性光散射現象，其特點是散射光的中心頻率變化量以及峰值功率的相對變化量與光纖溫度和所受應變線性相關，如式（2）所示。

由式（2）可知，通過測定布里淵散射譜，可以擬合出布里淵中心頻率，計算布里淵頻移，從而獲得光纖沿線的溫度和應變信息。但由于布里淵頻移對溫度和應變交叉敏感，需要對其進行溫度補償，常用的方法包括參考光纖法[21]、多參量傳感法[22]、拉曼散射聯合測量法和特種光纖法[22]等，本文采用拉曼聯合測量法進行溫度補償，即使用拉曼光時域反射技術（Raman Optical Time Domain Reflection, ROTDR）測量光纖溫度，從而補償溫度變化引起的布里淵頻移。

1.3 拉曼光時域反射技術

光子與晶體內微觀粒子振動、轉動、各種元激發相互作用而引起的非彈性散射，稱為拉曼散射。該散射譜線包含頻率較低的斯托克斯光（Stokes Light）和頻率較高的反斯托克斯光（Anti-Stokes Light），分布在瑞利散射譜線兩側。這兩種散射光的光強之比只與溫度有關，如式（3）所示，經過推導即可解得光纖的溫度。再結合OTDR技術即可實現分布式測溫。

式中，ass分別為Anti-Stokes光強、Stokes光強；as、s分別為Anti-Stokes散射光子和Stokes散射光子的頻率；Dn為Raman上、下能級差；為Planck常量；為Boltzmann常數；為絕對溫度。

2 光纖所受應變與繞組變形關系研究

2.1 仿真研究

繞組常見的輻向變形主要包括內凹變形和外凸變形。為建立光纖應變量與繞組變形具體形式之間的對應關系，使用了COMSOL Multiphysics軟件進行了固體力學仿真。

仿真模型按照設計的光纖復合電磁線模型搭建。導線尺寸為2mm′6mm，導線中部有寬1.0mm，深0.5mm的細槽，在凹槽邊緣設置倒圓角過渡，經計算，由于開槽導致的載流面積變化量僅為6.19%，可以忽略。電場仿真和擊穿電壓測試均顯示導線開槽對其電氣性能未造成顯著影響。將一根用于BOTDR的應變傳感單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）和一根用于ROTDR的溫度傳感多模光纖（Multi-Mode Fiber, MMF）并排置入凹槽內，兩根光纖外徑均為0.5mm。外側使用絕緣紙進行包裹，外表面尺寸不變。電磁線截面如圖2所示。

圖2 光纖復合電磁線截面圖

同一撐條間隔內的各匝繞組變形方式及應變分布情況十分類似，為了簡化計算及提高仿真效率，只截取了變壓器一個撐條間隔內的一匝繞組進行分析。建立了如圖3所示的三維模型，各材料參數見表1。設置導線兩端截面和兩側撐條為固定約束，在導線外表面均勻施加幅向應力，以指向圓心為正方向，范圍從-2GPa到800kPa，步長為200kPa。

圖3 固體力學仿真結果

表1 仿真材料參數

Tab.1 Simulation parameters

仿真結果如圖4所示，繞組變形區域應變分布較為均勻，未出現局部應力過大的情況。當繞組幅向外凸時，位于繞組內側的光纖受到拉力，應變為正值；當幅向內凹時，內側光纖受到壓力，應變為負值。變形區域應變均值隨彎曲程度的關系如圖4所示，在仿真所選取的繞組變形程度（繞組最突出部分的位移，即圖3中繞組表面坐標的變化量，也稱為撓度）范圍內，繞組變形區域內光纖應變值與撓度呈分段二次函數關系，分段點位于原點處。左右兩側擬合2分別為0.999 4和0.999 8。故在一定變形范圍內，可以根據光纖的應變量大小來定量判斷繞組變形量的大小。

圖4 固體力學仿真結果

2.2 試驗驗證

由于布里淵散射的特性涉及光纖中聲學光子與入射光光子之間的非線性相互作用，使得光纖實際所受應變與通過BOTDR檢測到的布里淵頻移換算得到的微應變值在數值大小和空間分布上有一定的區別。為了初步探究在開槽導線上敷設的傳感光纖的應變傳感特性，設計了模擬模型進行試驗驗證。

在繞組發生輻向變形時一般繞組整餅都會發生內凹或外凸，甚至連續幾餅都在相同位置發生相同的變形，這種變形所導致的應變反映到光纖軸線上為光纖每間隔一段距離就會有一段應變區域。為了研究這種應變分布下使用BOTDR測量應變的可行性，搭建如圖5所示試驗裝置。使用一根長1m、寬30mm、厚3mm的銅排，上邊并排粘貼五回光纖，每回光纖粘貼長度約0.8m，同時在不同回之間留出一定長度的松弛光纖，控制變形區域內光纖總長為8m，以模擬在光纖復合繞組發生變形后光纖的應變分布情況。應變的施加采用全自動拉/壓力試驗機，以銅排向粘貼光纖一側彎曲為撓度的正方向，此時光纖發生拉伸為正應變。

圖5 應變試驗裝置

如圖5所示控制壓力使得撓度從-10mm以10mm為步長變化至-80mm，每組試驗改變壓力后靜置2min使系統穩定，之后使用BOTDR設備采集布里淵頻移信息。再將銅排翻轉在另一面并施加壓力完成撓度10~80mm的數據采集。

BOTDR系統測試參數及技術參數見表2。

表2 BOTDR參數

Tab.2 BOTDR parameter settings

圖6 應變試驗結果

可以看出在3~13m范圍內，光纖的布里淵頻移出現明顯變化，其變化幅度與撓度大小正相關，在布里淵頻移上升下降沿附近有少許波動。布里淵頻移穩定的區間長度（5~11m）與光纖所受應力的長度吻合，將每組試驗中應變區域對應的布里淵頻移平均值與撓度之間關系進行擬合，擬合結果如圖7所示，擬合參數見表3。

圖7 應變試驗擬合結果

擬合結果顯示，在一定變形范圍內，BOTDR測得的應變量與撓度之間呈現分段二次函數關系，分界點位于所取的零應變點。光纖拉伸條件下，對應繞組外凸，BOTDR也檢測到了正應變的發生，反之亦然。這也和2.1節所述仿真結果相吻合。

表3 擬合參數

Tab.3 Fitting parameters

3 繞組變形試驗及結果

3.1 試驗平臺搭建

使用光纖復合電磁線按照某35kV變壓器高壓繞組尺寸進行繞組繞制，繞組外徑為440mm，共40餅，每餅5匝，使用單根導線連續繞制，繞組導線總長約270m，經計算每餅導線和光纖長度均為6.75m。在繞制過程中，保持光纖位于繞組內徑側，以防光纖受到過分拉伸。最后繞組實物圖如圖8所示。

圖8 光纖復合式繞組

為了消除繞組尾部傳感盲區以及光纖末端端面菲涅爾反射對散射信號的影響，在繞組首尾兩端的光纖引出后，分別連接5m長的松弛光纖，之后再連接跳線，以供接入儀器。

按圖9所示搭建試驗平臺，ROTDR技術參數見表4。

表4 ROTDR參數

Tab.4 ROTDR parameter settings

圖9 試驗平臺示意圖

圖10 繞組施加變形

為了探究上文所述二次函數關系能否實現對繞組變形程度的判斷，試驗分為內凹變形和外凸變形兩部分，每部分首先進行四組不同位置、不同程度的變形，之后使用四組數據進行曲線擬合，確定撓度-應變關系，再進行1~2組驗證性實驗，確定由函數關系得到的繞組變形程度與實測值是否相同。

各組試驗變形信息見表5，表中5、6、11組試驗為驗證組。

在采集布里淵頻移信息的同時，使用ROTDR設備對繞組整體溫度分布進行監測，監測發現本試驗過程中整個繞組部分溫度變化小于1℃，可以認為其保持溫度均勻且恒定的狀態，從而忽略溫度對布里淵頻移的影響。對于如何聯合BOTDR和ROTDR兩種測量手段來消除繞組溫度分布不均以及溫度變化造成的影響，在之前的研究[23]中進行了描述，此處不再贅述。

表5 變形試驗信息

Tab.5 Deformation test information

3.2 試驗結果

由于繞組發生的是塑性變形，在前一組變形施加后無法恢復原狀，本試驗中每次變形都將前一組變形所測得的應變曲線作為標準曲線來計算下一組試驗的應變變化。

11組試驗的應變分布曲線如圖11所示，可以發現當某一餅出現變形時，對應位置的應變量將發生明顯變化，相較原始曲線，應變變化區域大致為1~3餅，除第3組24餅內凹和第8組36餅外凸兩組試驗實際測得變形區域為第26餅和第34餅，有2餅左右的誤差外，其余各組應變曲線變化區域與施加變形區域重合，變化的方向也反映了變形的方向，說明BOTDR技術結合繞組上敷設的光纖能很好地實現對繞組變形的定位和識別。

圖11 應變量對比圖

將試驗組中對應變形位置的變形最大值作為此處的應變量檢測值，以撓度作為自變量，分內凹和外凸兩組分別進行二次函數擬合，得到關系式見表6。

表6 試驗數據擬合參數

Tab.6 Experimental data fitting parameters

根據得出的函數關系，將驗證組所測得的應變量代入，求解得出對應的撓度，與試驗中設置的撓度相對比，如圖12所示，使用表6的函數關系得到的撓度預測值與實測值差距在10%以內，可以滿足工程需要[24-25]。

圖12 繞組變形程度判斷

4 結論

為了解決變壓器繞組變形在線監測困難、傳統檢測手段精確度較差等缺點，本文提出了一種基于分布式光纖傳感技術（BOTDR）的變壓器繞組變形檢測手段，以實現對變壓器繞組的變形定位、類型判別和程度檢測。

1）使用COMSOL Multiphysics軟件研究了繞組發生輻向變形時光纖應變量與繞組變形程度之間的關系，結果顯示在一定范圍內，光纖所受的平均應變與繞組撓度呈二次函數關系，2=0.999 4，應變的正負反映繞組變形的方向。

2）通過設計模擬實驗進一步驗證了在繞組變形的條件下，使用BOTDR所檢測到的應變量與繞組模型變形程度之間呈現二次函數關系，為真型繞組試驗提供了依據。

3）使用光纖復合電磁線繞制了一個35kV變壓器繞組模型，并搭建了基于分布式光纖傳感的變壓器繞組變形監測試驗平臺，基于此平臺，對繞組施加11組輻向變形，使用BOTDR技術實現了精度在2餅以內的繞組變形定位。在內凹和外凸兩種變形下，繞組變形程度與應變量之間均呈二次函數關系，2分別為0.964 4和0.999 5，通過這一關系計算出的繞組變形程度與實際值誤差在10%以內，能較好地滿足工程需求。

4）這一技術不易受電磁干擾、振動等影響，可以實現對變壓器內部繞組變形程度、變形位置的準確實時在線檢測，為變壓器的智能傳感和智能運維提供一種新的解決方案。

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Winding Deformation Detection Based on Distributed Optical Fiber Sensing

Liu Yunpeng1,2Li Huan1,2Tian Yuan3He Peng4Fan Xiaozhou1,2

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmis-sion Equipment Security Defense North China Electric Power University Baoding 071003 China 3. State Grid Hebei Electric Power Research Institute Shijiazhuang 050021 China 4. State Grid Hebei Electric Power Co. Ltd Shijiazhuang Power Supply Company Shijiazhuang 050021 China）

In order to locate and evaluate the radial deformation of transformer windings, distributed optical fiber sensing technology is applied to the field of online transformer winding deformation detection. A shallow groove is cut on the surface of the copper wire, where two sensing fibers are arranged to produce a fiber composite wire. The electrostatic field simulation was carried out using COMSOL Multiphysics, and the results showed that compared with normal wires, there was no obvious electric field distortion or insulation strength decrease. The simulation of solid mechanics was also carried out, the results of which showed that under both concave and convex deformation conditions, the relationship between fiber strain and wire deformation (taking deflection as an index) can be described by a quadratic function,2＞0.999. Then, the actual windings were simulated using copper bars pasted with fibers, and a test platform was built on the basis of the simulation conclusions to obtain the relationship between the winding deflection and the Brillouin frequency shift. Finally, a 35kV continuous winding prototype was wound with fiber-composite wire s. Using this winding, with the help of brillouin optical time domain reflection (BOTDR) technology, accurate positioning of the deformation was completed, with an accuracy within 1 turn.The determination of deformation degree is also implemented, with an error less than 10%.

Transformer, winding deformation, distributed fiber sensing, Brillouin optical time domain reflection

TM41

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200542

河北省重點研發計劃資助項目（19212110D）。

2020-05-25

2020-12-07

劉云鵬 男，1976年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣設備在線監測及故障診斷E-mail：liuyunpeng@ncepu.edu.cn

范曉舟 男，1990年生，工程師，研究方向為電氣設備在線監測及故障診斷E-mail：fxz@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）