基于光纖光柵的變壓器繞組溫度檢測(cè)方法

1、基于光纖光柵的變壓器繞組溫度檢測(cè)方法1 緒論在電力系統(tǒng)中，溫度過(guò)高是導(dǎo)致火災(zāi)產(chǎn)生的重要原因。因此，對(duì)變壓器繞組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度進(jìn)行預(yù)警并采取有效措施，則可以減少相應(yīng)的事故發(fā)生。光纖傳感技術(shù)是一門新興的、多學(xué)科交叉的高科技應(yīng)用技術(shù)，以傳感技術(shù)為核心的大型設(shè)備健康監(jiān)測(cè)逐漸成為一個(gè)重要的研究方向。相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器，光纖Bragg光柵傳感器具有體積小、重量輕、可植入結(jié)構(gòu)、可復(fù)用以及無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因而成為設(shè)備健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用前景最好的核心傳感元件之一。在各類光纖傳感器中，光纖Bragg光柵傳感器由于適應(yīng)于惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，成為最具前景的電類傳感器的替代品。2 變壓器繞組溫度在線監(jiān)

2、測(cè)的研究現(xiàn)狀2.1 直接測(cè)量法對(duì)于變壓器繞組溫度的監(jiān)測(cè)，工程中主要采用直接測(cè)量法。這種方法可以直接獲取繞組的溫度情況，原理就是將測(cè)溫傳感器探頭植入繞組附近，這樣便可以較準(zhǔn)確地得到繞組的溫度分布情況。從理論上分析，這種測(cè)溫方法的結(jié)果應(yīng)該較為準(zhǔn)確，但是考慮到變壓器內(nèi)部的封閉性，植入變壓器繞組中的傳感器探頭可能會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)，影響絕緣性，進(jìn)一步影響變壓器的正常運(yùn)行，所以這種直接測(cè)溫法對(duì)傳感器和變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。2.2 光纖技術(shù)測(cè)量法光纖技術(shù)的引入為測(cè)量變壓器繞組的溫度提供了很好的一個(gè)途徑。當(dāng)傳感器溫度發(fā)生變化時(shí)，光的一些物理參數(shù)會(huì)隨之改變，所以我們可以對(duì)光進(jìn)行調(diào)制得到測(cè)溫探頭周圍的溫度分布情況

3、，光的調(diào)制有很多種類比如波長(zhǎng)調(diào)制、振幅調(diào)制、頻率及相位調(diào)制等，所以根據(jù)不同的調(diào)制方法，就產(chǎn)生了基于光纖的不同測(cè)溫傳感器。但是每種調(diào)制方法都有其優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，因此其應(yīng)用場(chǎng)合也有較大區(qū)別。2.2.1 基于半導(dǎo)體材料的光纖傳感器半導(dǎo)體材料的溫度和光吸收之間存在的關(guān)系，利用半導(dǎo)體材料的這種特性可以制造出強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器，強(qiáng)度調(diào)制的方法比較多，比如反射式或者透射式調(diào)制，以及折射率和吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制。大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度呈現(xiàn)出線性的負(fù)相關(guān)性，即當(dāng)周圍的溫度升高時(shí)，其禁帶寬度出現(xiàn)線性的減小，光吸收帶的波長(zhǎng)就會(huì)隨著溫度的升高而增大。如果選用輻射譜與吸收帶相對(duì)應(yīng)的光源，溫度升高，半導(dǎo)體的光強(qiáng)下降，然后根據(jù)光強(qiáng)

4、和溫度的函數(shù)關(guān)系就可以通過(guò)反射光強(qiáng)度的數(shù)值求出半導(dǎo)體材料溫度的數(shù)值。現(xiàn)階段，半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器已經(jīng)被用于國(guó)外大型電器設(shè)備的溫度檢測(cè)中，而且其測(cè)量效果較為良好。圖2.1傳感器測(cè)溫探頭結(jié)構(gòu)這種溫度傳感器也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的親睞，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。這種光纖溫度傳感器主要有三部分構(gòu)成：光電轉(zhuǎn)換器件、光源和敏感元件。砷化鎵半導(dǎo)體是常用的敏感元件，價(jià)格廉價(jià)的發(fā)光二極管可以作為光源使用，光電轉(zhuǎn)換器可以采用光電二極管。這種光纖溫度傳感器具有低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且制作時(shí)容易完成。傳感器的性能受到光強(qiáng)度的影響較大，這是其主要缺點(diǎn)，同時(shí)測(cè)量之前還需要對(duì)溫度和光照強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定工作。除了溫度對(duì)光強(qiáng)度產(chǎn)生影

5、響外，測(cè)量光強(qiáng)的光探測(cè)器、光源光照是的不穩(wěn)定、耦合損耗、光纖受到彎曲時(shí)引起的隨機(jī)起伏等因素都有可能造成影響，所以僅僅根據(jù)事先標(biāo)定的溫度-光照強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系無(wú)法很好的提高其測(cè)溫性能。2.2.2 熒光光纖測(cè)溫技術(shù)近些年在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，熒光光纖測(cè)溫技術(shù)成為了一種研究熱點(diǎn)。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于ABB，通用電氣等公司的變壓器中。熒光光纖測(cè)溫儀經(jīng)常被使用，將這種測(cè)溫儀埋入變壓器繞組中便可以進(jìn)行溫度測(cè)量。熒光光纖傳感器自上世紀(jì) 80 年代以來(lái)就被用來(lái)進(jìn)行變壓器繞組的溫度測(cè)量，該傳感器類型較多，WTS-11型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由美國(guó)Luxtron公司研發(fā)，其正常監(jiān)測(cè)的溫度范圍為0-200，速度最快是可

6、以每10秒鐘進(jìn)行一次測(cè)量，而且其溫度分辨率達(dá)到了1，10米左右的測(cè)溫探頭也比較有優(yōu)勢(shì)，因而高壓開(kāi)關(guān)柜母線開(kāi)關(guān)、負(fù)載的抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和電力變壓器等監(jiān)測(cè)環(huán)境廣泛地應(yīng)用此類傳感器。圖2.2熒光光纖測(cè)溫裝置原理圖熒光光纖測(cè)溫法是以物質(zhì)所發(fā)射的熒光強(qiáng)度與濃度之間的線性關(guān)系及以熒光光譜的形狀和熒光峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)進(jìn)行定性分析。熒光材料具有耐高溫和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，光脈沖由LED光源發(fā)出，通過(guò)光纖傳輸?shù)竭_(dá)傳感器進(jìn)行對(duì)溫度的測(cè)量，探頭中的熒光物質(zhì)受到了光譜照射，這些化學(xué)物質(zhì)的分子因?yàn)槲展鈴亩患ぐl(fā)到電子激發(fā)態(tài)，它就會(huì)向外輻射熒光，使本身的能量降低到電子基態(tài)。周圍的環(huán)境溫度和熒光的衰減時(shí)間呈現(xiàn)一種函數(shù)關(guān)系，通過(guò)溫度和

7、熒光的衰減時(shí)間確立該函數(shù)，被測(cè)物體的溫度值就可以得到，傳感器探頭需要在變壓器繞組制造或者改進(jìn)是進(jìn)行操作，將多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)埋設(shè)于變壓器繞組就可以盡可能的得到更準(zhǔn)確的繞組溫度。因此這樣方法獲取的溫度值準(zhǔn)確，但埋入的傳感器探頭影響了變壓器的絕緣性，而且此種方法后期維護(hù)困難，需要拆開(kāi)變壓器，很容易影響變壓器性能，消耗很大的人力物力。上面講到了強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器和熒光光纖傳感器在變壓器繞組測(cè)溫中的應(yīng)用。但在實(shí)際測(cè)溫中，只能布置單一的溫度傳感器探頭，而且這兩類傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)光路的空分和波分復(fù)用，如果放置太多的傳感器探頭，會(huì)造成變壓器繞組中的測(cè)量線路多而且復(fù)雜，嚴(yán)重影響了變壓器的性能，也比較浪費(fèi)資源。因而分布式

8、的光纖溫度傳感器可以克服一些上面提到的傳感器的不足之處。2.2.3 分布式的光纖溫度傳感器當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，分布式的光纖溫度傳感器通常將光纖放置于與溫度場(chǎng)平行的方向，由于光在傳輸過(guò)程中具有光時(shí)域的后向散射特性，這樣被測(cè)量物體的溫度信息就包含在散射光中，分析光纖中的散射光就可以知道被測(cè)物體周圍的溫度分布。這種傳感器最大的優(yōu)勢(shì)就是進(jìn)行分布式測(cè)量，這對(duì)于傳統(tǒng)的電類傳感器來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的，所以其應(yīng)用價(jià)值比較明顯，市場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了多種該類型的傳感器?；谌鹄≧ayleigh）散射和布里淵（Brillouin）散射原理的光纖傳感器便是光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)的代表。這些測(cè)溫系統(tǒng)在空間中的定位誤差在1m

9、左右，溫度誤差一般為幾攝氏度，由于其具有定位功能，電纜的溫度測(cè)量中較廣泛地使用此類測(cè)溫系統(tǒng)。如果應(yīng)用于變壓器繞組的測(cè)溫，則由于變壓器的結(jié)構(gòu)有別于電纜，定位誤差太大，而定位誤差和溫度誤差相互制約，因此降低定位誤差之后，溫度分辨率的誤差便增大了。所以說(shuō)，就目前的技術(shù)而言，分布式光纖溫度傳感器不太適合應(yīng)用于變壓器繞組測(cè)溫。圖2.3 分布式的光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架圖由于變壓器的健康狀況對(duì)大型企業(yè)的作用越來(lái)越明顯，我國(guó)的科研人員已經(jīng)將其溫度監(jiān)測(cè)作為了一項(xiàng)研究重點(diǎn)。有些變壓器在制造時(shí)就安裝了測(cè)量繞組的監(jiān)測(cè)裝置，這樣為后續(xù)對(duì)變壓器溫度測(cè)量打下了較好的基礎(chǔ)，其中一部分已經(jīng)投入使用，效果良好，現(xiàn)實(shí)意義明顯。光纖溫

10、度傳感器已經(jīng)被國(guó)內(nèi)的很多生產(chǎn)廠商作為研發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目，而且不同型號(hào)的分布式光纖溫度傳感器已被生產(chǎn)，例如山東微感光電子公司生產(chǎn)的型號(hào)為MSP-2000的光纖變壓器繞組溫度測(cè)量系統(tǒng)等。國(guó)外的此類產(chǎn)品也比較多，比如加拿大Neoptix公司生產(chǎn)的型號(hào)為T/Guard光纖測(cè)溫系統(tǒng)。中國(guó)一些企業(yè)也采購(gòu)了此類設(shè)備，但在實(shí)際應(yīng)用中，缺點(diǎn)也是非常明顯的，系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，探頭體積大而且數(shù)目多，不容易放置。2.2.4 光纖Bragg光柵溫度傳感器光纖Bragg光柵溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在此顯現(xiàn)的更加明顯，由于這種溫度傳感器的感溫裝置是光柵，光柵是通過(guò)紫外光技術(shù)寫(xiě)入光纖中的，所以傳感器探頭實(shí)際上就是光纖，非常容易安裝。總體來(lái)說(shuō)

11、，光纖光柵溫度傳感器相比于其他類型的傳感器，優(yōu)勢(shì)明顯，由于不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行供電，所以變壓器周圍的強(qiáng)電磁干擾不會(huì)影響溫度的測(cè)量，測(cè)量的分辨率和精度高，響應(yīng)速度很快，可以長(zhǎng)時(shí)間的放置于腐蝕性強(qiáng)、高濕度、高溫度的測(cè)溫環(huán)境中，線路損耗和光源衰減也不會(huì)造成影響，傳感器可以實(shí)現(xiàn)分布式布置，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。2.3 光纖光柵理論2.3.1 光纖Bragg光柵模式理論在研究光纖布拉格光柵的光學(xué)特性時(shí)，雖然有很多的理論分析方法，但是最常用的是模式耦合理論，此理論可以用多個(gè)耦合方程比較容易地和無(wú)微擾光波導(dǎo)中的微擾正反向傳輸模場(chǎng)。這種方法一開(kāi)始僅僅適合應(yīng)用于均勻結(jié)構(gòu)光柵，后來(lái)隨著研究的深入，此理論拓展到非周期結(jié)構(gòu)的光柵

12、。由于光敏光柵具有光致折射率改變的特性，光纖光柵的制作方法便是依據(jù)此特性，用紫外光曝光進(jìn)行照射，光纖中就會(huì)發(fā)生折射率的擾動(dòng)現(xiàn)象，這樣就可以形成光纖光柵，用neff代表總導(dǎo)模的有效折射率，其變化可以表示如下：neffz=neff(z)1+scos2z+(z)s代表?xiàng)l紋可見(jiàn)度，代表光柵周期，(z)是光柵周期的相移，不同的光纖光柵，其(z)和neff也不同。圖2.4裸光纖光柵的反射波長(zhǎng)與溫度變化曲線由于目前光纖光柵的制作方法大多是用紫外光曝光，在曝光區(qū)形成干涉條紋，但是這種方法形成的折射率不能嚴(yán)格的服從于正弦分布。但對(duì)于光纖光柵的理論分析和研究具有非常重要的價(jià)值，而且這也是研究其他光纖光柵的理論基礎(chǔ)

13、。2.3.2 光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于光纖Bragg光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的基本原理是,溫度的改變會(huì)引起光纖光柵后向反射光中心波長(zhǎng)的改變，通過(guò)探測(cè)波長(zhǎng)的變化量進(jìn)而求出溫度的變化。整個(gè)光纖光柵溫度測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖2.5如下圖所示，其構(gòu)成包括激勵(lì)單元、耦合單元、傳感單元、解調(diào)裝置和PC機(jī)。圖2.5 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖由于光纖傳感器可以采用復(fù)用技術(shù)，所以在含有多個(gè)傳感光柵的測(cè)溫系統(tǒng)中要求激勵(lì)光源除了能夠輸出能量較高的輸入光，還要求其輸出光的帶寬也較寬。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，各個(gè)傳感光柵的中心波長(zhǎng)不能夠重合，加上每個(gè)傳感光柵受到溫度的變化，中心波長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)漂移，所以各個(gè)傳感器之間的間隔也需要預(yù)留，結(jié)合

14、以上幾點(diǎn)，選擇ASE光源作為激勵(lì)單元，其輸出的光能量可達(dá)到13dBm，輸出的波長(zhǎng)帶寬可以達(dá)到40納米，并且包含C波段區(qū)域，在此區(qū)間光纖光柵中心波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)關(guān)系接近于直線，適合應(yīng)用。2.4 小結(jié)在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，中心波長(zhǎng)與溫度變化有很好的線性關(guān)系，證明了光纖光柵具有很好的溫度響應(yīng)特性，是一種理想的溫度傳感元件。由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優(yōu)越性，因此，自GMeltz等人首次報(bào)道將光纖布拉格光柵應(yīng)用于傳感器以來(lái)，已經(jīng)在電力工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結(jié)構(gòu)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電力工業(yè)中的應(yīng)用光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低損耗傳輸，從而成為

15、電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測(cè)量。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對(duì)電線施加的過(guò)量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測(cè)電線壓力非常重要，特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測(cè)到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距

16、離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光纖相干層析成像技術(shù)(OCT)主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視以及用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測(cè)提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國(guó)家都開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。德國(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測(cè)量(1mm)的優(yōu)勢(shì)，并已有實(shí)例應(yīng)用于對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)。智能橋梁建筑材料應(yīng)用智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、以及故

17、障的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將光纖應(yīng)用于橋梁測(cè)試中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼索的索力及預(yù)應(yīng)力連續(xù)混凝土梁內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變特性的測(cè)量和測(cè)控，從而構(gòu)成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復(fù)性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內(nèi)部，對(duì)應(yīng)變、位移、裂縫、空隙壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；我國(guó)的繆延彪教授建立了一種新的波長(zhǎng)干涉儀試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較大范圍的絕對(duì)距離測(cè)量。航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用上世紀(jì)90年代，Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了I-FOG原理，同時(shí)通過(guò)采用消偏結(jié)構(gòu)、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術(shù)，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優(yōu)勢(shì)，故在航天及軍事領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度