【光纖光柵溫度監(jiān)測方案設(shè)計12000字（論文）】

光纖光柵溫度監(jiān)測方案設(shè)計1緒論 11.1變壓器繞組溫度監(jiān)測目的與意義 11.2國內(nèi)外繞組熱點溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 11.3主要研究內(nèi)容 52變壓器繞組熱點溫度及故障研究 62.1影響繞組溫升的因素 62.1.1漏磁是產(chǎn)生負載損耗的主要外因 62.1.2電流密度直接影響發(fā)熱量 62.2油溫冷卻方式 62.3變壓器繞組故障原因及防范措施 72.4本章小結(jié) 83繞組溫度監(jiān)測的方法研究 93.1光纖光柵溫度傳感器 93.2溫度測量方法的選擇 93.2.1間接計算測量法 93.2.3熱模擬計算法 103.2.3直接測量法 103.3本章小結(jié) 114光纖光柵溫度監(jiān)測方案設(shè)計 124.1變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀總體設(shè)計 124.2器件的選擇 124.2.1可調(diào)F-P濾波器的選擇 124.2.2光纖光柵傳感器的選擇 134.2.3光電接收模塊 134.2.4電源 144.3變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀應(yīng)用實驗 154.3.1溫度示值誤差實驗 154.3.2溫度靈敏度實驗 154.4本章小結(jié) 165總結(jié)與展望 17參考文獻 181緒論1.1變壓器繞組溫度監(jiān)測目的與意義不管是變壓器的生產(chǎn)廠商還是其使用者，都需要時常監(jiān)測繞組的熱點溫度。因為隨著時代進步，人們的生活水平提高，需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，電力的穩(wěn)定性與變壓器息息相關(guān)，因此，變壓器的安全和繞組的熱點溫度監(jiān)控就顯得非常重要。電力變壓器造價不菲，如果受到損害，不但造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且還會危及人們的生命。自從變壓器產(chǎn)生以來，其安全性、穩(wěn)定性一直是電力工程師研究的熱點問題。想要提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，就必須定期監(jiān)測變壓器是否正常工作，而繞組熱點溫度是反映變壓器是否處于正常工作狀態(tài)的一個重要指標。變壓器長期處于工作狀態(tài)，一般不會停機。長時間的連續(xù)工作，變壓器內(nèi)部部件均會有不同程度的發(fā)熱，尤其是繞組局部發(fā)熱的問題。繞組過熱會導(dǎo)致一系列的連鎖反應(yīng)，輕則導(dǎo)致變壓器發(fā)生內(nèi)部故障使其停機，重則導(dǎo)致變壓器發(fā)生爆炸，造成大面積的電網(wǎng)事故。絕緣能力受繞組熱點溫度的影響。經(jīng)查詢資料及研究分析，絕緣狀態(tài)深深影響著變壓器的可靠運行。變壓器的壽命降低離不開絕緣能力的下降，絕緣老化會加劇繞組的溫度升高[1]。若繞組最熱點的溫度低到一定的值，變壓器的性能就不能得到充分發(fā)揮，創(chuàng)造經(jīng)濟效益的能力也會下降，拉低了生產(chǎn)能力。然而實時監(jiān)測繞組熱點溫度可以平衡處理經(jīng)濟效益和變壓器壽命二者之間的關(guān)系，達到最優(yōu)的狀態(tài)。只有準確的測量繞組熱點溫度，才能使變壓器的壽命延長和發(fā)揮出變壓器的最大經(jīng)濟效益。變壓器在工作時，內(nèi)部具有很強的電磁場，以前的測溫方法，只能測量油的溫度，或者分析變壓器內(nèi)部氣體成分的含量，間接得出繞組的熱點溫度。無法準確的得出發(fā)熱點的溫度。這樣測量的溫度，具有很大的不確定因素。因此，不能精確地預(yù)測可能發(fā)生的事故，也不能對變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化提供有意義的指導(dǎo)。所以，必須尋找一種能夠?qū)崟r、精確地反映繞組熱點溫度的方法?；谝陨戏治?，采用光纖光柵溫度傳感器對繞組的熱點進行了監(jiān)測。1.2國內(nèi)外繞組熱點溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)工程上常采用直接測量方法來監(jiān)控變壓器的繞組溫度[2]。這種方法，探頭直接跟繞組相接觸，從而直接獲取的是繞組的表面溫度。其原理：在繞組周圍預(yù)先安裝了測溫探測器，得到了繞組的真實溫度分布。從理論上來說，這樣的溫度測量方法是比較精確的，但因為變壓器的內(nèi)部密封太過緊密，如果將溫度傳感器放入變壓器繞組，很有可能會損壞變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致變壓器的絕緣性能下降，從而影響到變壓器的工作。所以實際實行起來比較困難，需要對一些技術(shù)發(fā)展完善。直接測量法要求傳感器非常小，這樣封裝在變壓器內(nèi)部里面才不會對變壓器造成大的破壞。因此對溫度傳感器的尺寸要求比較嚴格。以往，國內(nèi)外采用直接測量繞組溫度的方法，但因其精度較低，導(dǎo)致其測溫效果不佳。通常使用鉑電阻儀和液位計[3]。一般采用鉑電阻和液體測溫。液體測溫使用的范圍比鉑電阻廣，該裝置采用一根毛細管連接溫度探測器和測量壓力的原件，探針內(nèi)部的液體溫度與變壓器的溫度相同，并根據(jù)熱脹冷縮，由毛細管向傳感元件施加壓力。感壓原件感應(yīng)到壓力后，將壓力信息傳給轉(zhuǎn)換原件，轉(zhuǎn)換原件在把壓力轉(zhuǎn)換為溫度值。這樣得到的繞組溫度是間接得到的，是以油溫為基準，按套管ct二次輸出電流，換算成銅油差，再加上油溫。相對而言，油溫較為精確，繞組的溫度因為經(jīng)過了很多中間環(huán)節(jié)換算得出因此不夠精確。此外，一般情況下，油溫監(jiān)控設(shè)備還包括數(shù)字溫度顯示設(shè)備。采用數(shù)字溫度顯示器，將4~20mA的模擬量輸出到整個工廠的電腦監(jiān)測系統(tǒng)，并且還需要將一對線圈的過熱信號和一對線圈的升溫信號連接到變壓器保護系統(tǒng)。如果使用電流測量方法，使用電壓等級為0.2的“光纖型”和GPRS無線傳輸式的溫度傳感器的傳感系統(tǒng)，會出現(xiàn)某些問題。比如，由于電池和其它部件長時間處于高溫下，會出現(xiàn)使用壽命變短，維修難度變大等問題。這會導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)的可靠性降低，同時也會降低它的使用價值[4]。氣壓式溫度測量系統(tǒng)由于溫度容器內(nèi)的壓力泄露而使整個溫度測量系統(tǒng)失效?？傊瑹犭娕?、熱電阻等電子元件的溫度測量都是通過金屬絲來實現(xiàn)的。在強電磁環(huán)境下，金屬零件、導(dǎo)線因受到電磁干擾而出現(xiàn)嚴重的渦流損耗等問題，難以長期保持高壓絕緣的穩(wěn)定性，因而在高壓電力溫度監(jiān)控中有先天缺陷。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，對變壓器繞組溫度的測量提出了一種新的方法[5]。在原有的直接測量方法上使用光纖傳感器。美國的一家公司首位采用光纖測溫技術(shù)來測量變壓器繞組溫度，該公司早在1979年，就對第一代熒光光纖測溫儀進行研究并取得了一定的成果。隨著研究工作的深入，全球的許多公司也開展對該方面的研究工作。有瑞典的SAEA公司、貝爾實驗室等。在對第一代光線測溫儀基礎(chǔ)上升級發(fā)展，在1985年，第一代光線測溫儀的研制者威克西姆博士(K.A.Wickersheim)和好友孫(M.HSun)博士率領(lǐng)團隊參與研究，研制出了第二代光纖測溫儀。在當時,第二代光纖測溫儀廣泛運用于變壓器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的新變壓器和對原有的變壓器進行升級改造[6]。之后更多的外國科研人員加入到光纖測溫技術(shù)的研究當中，使得光纖測溫技術(shù)飛速發(fā)展。由于變壓器在我們的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，從很早開始，我國的科研人員對如何監(jiān)測繞組熱點溫度，就已經(jīng)開始了多方面的研究。國家也將其列為重點研究項目。有些變壓器在制造的過程中就已經(jīng)封裝了測溫裝置，雖然這樣對后續(xù)溫度的測量提供了比較好的平臺，效果比較好，但其中要求的技術(shù)比較高。如何在變壓器狹小的內(nèi)部通道里安裝測溫裝置，對變壓器和傳感器都需要比較優(yōu)秀的制作工藝。在封裝時一定不能破壞絕緣保護，不然的話，測溫目的沒有實現(xiàn)，反而影響變壓器的正常運行，甚至發(fā)生危險事故。在國外的二代測溫儀研制出來后幾年，我國的科研人員才慢慢的注意到光纖測溫技術(shù)并對其開始一定的研究。伍企舜最早對外文文獻進行翻譯，并對此技術(shù)開展研究。此后更多的學者開始加入到此項研究，并取得了一些成果。如陳軍、張維力、陳紅軍等。在這一時期，許多變壓器廠商和國家電力部門也開始對此項技術(shù)進行研究并運用。但這時的光纖技術(shù)還不夠成熟，他們生產(chǎn)的光纖溫度傳感器都有些明顯的不足，在實際的環(huán)境中測量繞組熱點溫度，缺點慢慢的就顯露出來了。比如，探頭體積大不易封裝、調(diào)試困難、需要的探頭數(shù)目多、易受電磁干擾?，F(xiàn)在光纖光柵測溫技術(shù)的快速發(fā)展，為解決上述所描述的缺點提供了比較好的方案。因為這種溫度傳感器采用了光柵作為感溫裝置，并將光柵采用紫外線技術(shù)寫入光芯，因此，它實質(zhì)就是一根光纖，所以安裝起來很方便。總的來說，光纖光柵溫度傳感器相對于其它類型的溫度傳感器有很大的優(yōu)越性，它不會對測量的溫度產(chǎn)生任何的影響；測量精度和分辨率都很高；反應(yīng)速度非常快可以快速的反應(yīng)出溫度的值；可以長期放置在強腐蝕性、高濕度、高溫度的溫度環(huán)境中。而且不會對線路損耗、光源的衰減產(chǎn)生任何的影響。目前常用的光纖測溫技術(shù)有三種。它們的性能對比如表1.1所示。表1.1三種光纖測溫技術(shù)的比較圖項目光纖熒光測溫光纖半導(dǎo)體測溫光纖光柵測溫測溫主機測點數(shù)量2/4/6/8個點2/4/6/8個點幾百個點溫度范圍-30到200℃-40到225℃-40到300℃測量精度±2℃±1℃±1℃測量影響受光強影響受光強影響受光強影響溫度探頭耐壓水平>50kV/mm>50kV/mm>50kV/mm測量距離20m20m可達20km光纖類型500um復(fù)合型光纖200um復(fù)合多模光纖160umPolyimide單模光纖壽命溫度傳感器20年20年30年由表1.1可以清晰看出，光纖光柵測溫優(yōu)點很多，比如它的測點數(shù)目多、可測量的距離遠、可壽命長、體積小便于調(diào)試等。可以比較好的解決上文所提及到的測量繞組溫度的難點。國外，很早就開始了對光纖光柵的研究，我國對光纖光柵傳感技術(shù)的研究起步比較晚[7]。最早的光纖光柵是由加拿大人Hill帶領(lǐng)的實驗小組，在1978年研制出來的，并小范圍的投入使用，還取得了一些成果。之后11年間，在他研究基礎(chǔ)上，光纖光柵受到很多人的關(guān)注并參與研究，貢獻較大的是美國人Meltz和Morey，他們利用紫外寫技術(shù)在光纖芯內(nèi)刻寫了一種空間位相光柵。在1993年，Hill發(fā)明出了運用相位掩膜法刻寫空間相位光柵的技術(shù)，Lemaire提出了光線載氫技術(shù)。后來美國一直是這項技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，并因為光纖光柵具有的優(yōu)異性質(zhì)，美國軍方將其列為重點研究項目。國內(nèi)，雖然起步比較晚，但是步子邁的快，對光纖光柵的技術(shù)研究也做出了杰出的貢獻。我國對于光纖光柵測溫技術(shù)的研究，廣泛運用在眾多的實驗室和各項工程中。2008年，重慶大學的研究生趙濤在陳偉根教授的指導(dǎo)下，開展了運用光纖光柵溫度傳感器測量變壓器的內(nèi)部溫度的實驗研究，能夠及時的反應(yīng)溫度的變化，能夠有效的測量變壓器的內(nèi)部溫度[8]。同年，重慶大學的研究生張銳，運用光纖光柵溫度傳感器對寧夏大壩發(fā)電廠變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測進行研究[9]。2014年，華北電力大學的研究生李凱在王艾萌教授的指導(dǎo)下，就開展了光纖光柵技術(shù)測量繞組溫度的系統(tǒng)研究，并將繞組溫度在線監(jiān)測裝置在營口花英臺變電站進行安裝及優(yōu)化。2016年，徐曉剛、李鑫等廣東電力公司員工，在35kV/4000kVA變壓器的電磁線路中，安裝了一臺光纖光柵溫度傳感器，對線圈的熱點進行了有效的測量，結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，且在可接受的范圍之內(nèi)。1.3主要研究內(nèi)容研究內(nèi)容如圖1.1所示。圖11研究內(nèi)容本文基于如圖1.1所示的流程圖，開展運用光纖溫度傳感器，監(jiān)測變壓器繞組熱點溫度的方法的分析，主要內(nèi)容如下。第一部分分析了變壓器繞組熱點溫度監(jiān)測的現(xiàn)在與發(fā)展動態(tài)；第二部分研究了變壓器繞組熱點溫度，并對變壓器典型熱故障進行詳細分析；第三部分對采用光纖光柵傳感器的溫度監(jiān)測方法展開了研究然后將光纖光柵傳感器引入變壓器繞組熱點溫度監(jiān)測，并對其進行了設(shè)計分析及驗證。

2變壓器繞組熱點溫度及故障研究2.1影響繞組溫升的因素2.1.1漏磁是產(chǎn)生負載損耗的主要外因變壓器的磁場通常分主磁通和漏磁通，而在磁芯內(nèi)部的磁通叫做主磁通，其余的磁通統(tǒng)稱為漏磁通，而兩個線圈之間的間隙叫做主磁通。線圈的尺寸也直接影響到線圈的渦流損失，而線圈的電流損失與經(jīng)過線圈的磁通的平方成比例。所以，主通道漏磁對繞組的熱點溫度有很大的影響。2.1.2電流密度直接影響發(fā)熱量繞組電流密度的程度對繞組的發(fā)熱有很大的影響，電流密度是繞組溫度上升的主要因素。所以，同一繞組結(jié)構(gòu)形式下，繞組的電流密度值大小對繞組熱點溫度的影響很大，但要注意的是，繞組電流密度高并不一定代表著它的熱度高，這要與繞組型式、線寬、絕緣厚度、油道大小等因素結(jié)合起來，并加以計算。2.2油溫冷卻方式變壓器的溫升既與發(fā)熱源的大小有關(guān)，又與制冷效果有關(guān)。所以，要使其溫度保持在規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，就必須要使其具有一定的熱輻射能力，使其能夠?qū)⑵漭椛涞街苓叺睦鋮s介質(zhì)中。因為變壓器的熱源，會隨著變壓器自身的體積增大而增大，所以它的損失與變壓器的重量或者它的線徑的大小成比例，因此當變壓器的體積增大時，它的損失要大于它的散熱器面積。ON表示油通過自然對流換熱來冷卻繞組；OF表示油通過強制對流冷卻繞組；OD表示在帶有引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的變壓器中，以強制對流冷卻的方式冷卻繞組。按散熱模式分為三類：AN、AF和WF。AN是以空氣的自然對流形式來進行散熱器的輻射，AF是通過空氣的強制對流來進行散熱，而WF是以水為介質(zhì)來進行散熱器的散熱。通過將變壓器內(nèi)部和散熱器兩種方法的結(jié)合，得出了不同的制冷模式。常用的油浸式變壓器冷卻方式如下：1）油浸式自冷式：6300kVA及以下的變壓器，通常采用自然油循環(huán)，自然空氣冷卻。它是通過油罐壁或者在油罐壁上焊上散熱用的管子或散熱片，或者是扁平的管子（或散熱板），從而增加散熱面積，增加冷卻性能。2）油浸風冷卻（ONAF)：用于中、大型變壓器，其容量在8000~40000kVA或110kV~220kV的高壓下，常采用自然油循環(huán)、吹風冷卻。通過在自冷散熱器上增加空氣吹風機，進一步改善其散熱和制冷性能。3）強制油循環(huán)：根據(jù)強制油循環(huán)的冷卻模式，可將其分為強油空氣（OFAF）和強油水冷（OFWF）。在31500kVA以上的大容量變壓器中，通常使用的是具有高熱輻射的風冷器或水冷器，與變壓器的水箱直接相連，實現(xiàn)循環(huán)冷卻。為使強制油循環(huán)冷卻器的冷卻效果得到最大程度的發(fā)揮，針對變壓器繞組輻向尺寸大、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大容量變壓器，可以采取強制引導(dǎo)油循環(huán)風冷（ODAF）或強制引導(dǎo)油循環(huán)水冷（ODWF），其特征是迫使油流在繞組內(nèi)迂回引導(dǎo)，從而使冷卻效率得到進一步提高[10]。2.3變壓器繞組故障原因及防范措施變壓器本身的質(zhì)量問題是造成變壓器繞組故障的根本原因，在變壓器生產(chǎn)過程由于設(shè)計不合理、生產(chǎn)過程的管理不嚴格，材料選擇的不恰當就會導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)質(zhì)量問題。其次在變壓器運輸過程中遭受顛簸，和變壓器在安裝過程中遇到碰撞都會造成變壓器繞組受到不同程度的損害變形，致使變壓器在后續(xù)的運行中發(fā)生繞組故障。根據(jù)多年電網(wǎng)事故中變壓器損害的情況分析，總結(jié)出造成繞組短路故障發(fā)生的主要原因如下。1）短路事故中，引發(fā)變壓器損害的根本原因是其沒有優(yōu)良的抗短路能力。電網(wǎng)的不斷擴展延伸，短路電流和系統(tǒng)總量隨著負載的改變而改變，一旦發(fā)生外部短路故障，電流超過其限值也就是電力變壓器實實在在能承受的最大短路電流，繞組就會發(fā)生形變從而使變壓器損害的概率加大。以前國內(nèi)外的變壓器廠家大多設(shè)計的抗短路能力的性能不足。并且給出的抗短路電流值大多是理論計算值，在實際運行中只能起到參考意義，用處不大。而現(xiàn)在的理論實踐經(jīng)驗已經(jīng)很豐富了，變壓器的性能發(fā)生了巨變，上述出現(xiàn)的情況大大減少。2）在制作和檢修過程中，局部絕緣皮可能出現(xiàn)破損，遺留下故障隱患；長期處于過負載的運行狀態(tài)或其散熱裝置安放的不合理導(dǎo)致散熱不充分；繞組內(nèi)掉入異物，致使繞組散熱不到位溫度過高，從而影響絕緣老化；制作工藝粗糙，機械硬度不足，難以抵擋短路沖擊帶來的影響，使繞組因沖擊力而變形；繞組處于潮濕的環(huán)境下，絕緣皮吸收水分而膨脹變大，致使堵塞油管，引起局部過熱。由于上述原因，在運行過程中一旦發(fā)生絕緣擊穿，就可能導(dǎo)致繞組短路。3）累積效應(yīng)也會造成繞組損害。變壓器發(fā)生出口短路時，會同時遭受機械力和電動沖擊力的作用，一旦超出繞組的承受范圍，繞組就會發(fā)生形變，且這種形變不可逆轉(zhuǎn)。繞組變形包括軸向和徑向變形、器身位移、鼓包等等。這些故障都會給電力系統(tǒng)帶來潛在的危害必須及時處理。繞組發(fā)生變形后，變形不嚴重、影響不大時變壓器還可以繼續(xù)運行一段時間，若變形嚴重必須切機立馬停止運行，以免發(fā)生嚴重的電力事故。變壓器一旦發(fā)生繞組變形，其帶來的危害是很大的，會降低機械強度，進而產(chǎn)生累積效應(yīng)，給變壓器帶來一些不利的影響。4）變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或者制造工藝存在缺陷，如絕緣間距過窄、繞組加固不穩(wěn)、繞組加緊后出現(xiàn)縱向收縮等。這些因素都會影響變壓器的絕緣能力。嚴重會使繞組端部發(fā)生震動，最終造成繞組股間發(fā)生絕緣損害而造成股間短路。根據(jù)上面對繞組短路損害故障的原因分析可知，提出下面幾條繞組故障的防范措施。1）對變壓器的運行時常檢測，一旦出現(xiàn)故障要盡早整修，比如變壓器繞組是否短路，局部放電量是否超標，繞組是否露銅發(fā)生過熱。對這些狀態(tài)需要定時監(jiān)測，可以讓我們提前預(yù)見潛伏性故障，并有針對性的去處理這些不正常運行故障。從而保證變壓器安全穩(wěn)定的運行。2）重點進行油色譜分析和繞組變形情況的檢查。在實際運行中只要發(fā)生短路，都應(yīng)該立馬對變壓器油進行色譜分析，而不是等到電流達到變壓器可耐受的短路電流的60%才進行分析。而且還要根據(jù)分析的結(jié)果，對變壓器做出適當?shù)恼{(diào)整，判斷是否要立即停電檢查并檢修變壓器，還要判斷繞組的變形情況。變形嚴重就需立馬切機停止運行，以免發(fā)生不可挽回的電力事故。3）保證變壓器有良好的抗雷電沖擊能力，首先廠商應(yīng)有良好的制造工藝，選用優(yōu)質(zhì)的材料。其次在輸電設(shè)計中要加入防雷裝置進行防雷。2.4本章小結(jié)本章對繞組熱點溫度的影響因素和繞組故障進行了一定的分析。并歸納出了幾種油溫冷卻方式和應(yīng)對繞組故障的防范措施。

3繞組溫度監(jiān)測的方法研究3.1光纖光柵溫度傳感器布拉格光柵是在光導(dǎo)纖維上加工而成，當光到達光柵后，會反射一定波長的光，反射光其溫度呈很好的線性關(guān)系，從而可以通過反射光的波長計算出被測點的溫度[11]。光纖光柵的結(jié)構(gòu)見圖3.1。光纖光柵波長漂移與溫度變化的關(guān)系如式（3.1）。?λB=其中，λB圖3.1光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖3.2溫度測量方法的選擇變壓器繞組溫度關(guān)乎變壓器的壽命和其是否能穩(wěn)定的工作，因此國內(nèi)外科研人員和變壓器公司不斷尋求測量繞組溫度的好辦法，并且取得了很多成果?，F(xiàn)在，在此介紹下面3種測量繞組熱點溫度的方法。3.2.1間接計算測量法間接計算測量法其基本原理是：運用一定的數(shù)學公式，間接計算得出繞組的熱點溫度。間接計算測量法的計算模型總的來說有三種：基于技術(shù)標準、基于熱路和基于熱阻。對技術(shù)標準模型的分析：主要工作是研究導(dǎo)線電阻損耗和渦流損耗，弄明白二者是如何使變壓器繞組溫度升高。這種模型與變壓器的實際運行情況類似。計算值與實際值相差不大。對熱阻模型的分析：因為變壓器的內(nèi)部材料的材質(zhì)有很大的差異，這些材料，發(fā)熱散熱的機理各不一樣，因此分析起來比較復(fù)雜。故研究人員根據(jù)實際情況分析，基于熱傳導(dǎo)理論，提出了一種可靠的估算模型。對熱路模型的分析：用電氣過程模擬熱量在變壓器內(nèi)部的傳遞。用電路中的電流、電壓和電容等模擬替代變壓器內(nèi)部的熱流量、溫度和熱容，并用對應(yīng)的熱點參數(shù)代替。得到等效的熱路模型[12]。3.2.3熱模擬計算法將變壓器頂部的油溫與運行電流進行比較，得出繞組溫度的仿真結(jié)果，但這個結(jié)果不是繞組的實際溫度。以一個油溫計為基礎(chǔ)，配有一個電加熱元件和一個電流匹配器進行溫度的測量，變壓器繞組溫度計顯示的是變壓器頂部油溫和線圈對油溫的總和。這種方法簡單實用，但存在著很大的誤差（無論是毛細管壓型還是鉑電阻型），尤其是在動態(tài)負載的情況下，其自身的溫升特性與電加熱元件的溫升特性存在很大的差異，從而增加了讀數(shù)的誤差。3.2.3直接測量法變壓器由繞組、鐵芯、油枕、散熱器等構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜[4]。處于運行狀態(tài)的變壓器，其內(nèi)部的環(huán)境充斥著高電磁場。傳統(tǒng)的測溫方法受不了高電磁場的干擾，因而測量溫度的效果沒有預(yù)期的那么好，往往不能準確反映出繞組的熱點溫度。直接測量法的具體操作是在變壓器繞組里鋪設(shè)傳感器，通過測溫平臺傳輸給顯示屏，在顯示屏上直接讀取繞組的實時溫度，鋪設(shè)的傳感器越多，測量的結(jié)果越準確。目前通常采用光纖傳感技術(shù)，在制造變壓器時就提前把熒光式溫度傳感器或者半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器鋪設(shè)到繞組中去，傳輸介質(zhì)為光信號。用光電轉(zhuǎn)換器，對接收的光信號進行處理，光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，然后接著對電信號進行處理，通過放大電路和整形電路，最后得到探頭測得的實際溫度值。雖然直接測量法的測溫特性好，但需要優(yōu)異的工藝使得傳感器足夠的小，才能穩(wěn)定的放入到變壓器中，若工藝不好很容易影響變壓器正常運行。而且由于測量點的位置可能不是繞組的最熱點，為克服此類情況的出現(xiàn)，需要多點布置，安裝幾個傳感器探頭，進行比較，最大的溫度值近似為繞組的熱點溫度。但這種測量方法所需的探頭多。因而成本較貴，而且不易維護。因為變壓器內(nèi)部部件之間距離小，線餅之間的距離更小，大型變壓器內(nèi)部繞組線餅之間的距離通常不會大于10毫米。所以在如此狹窄的區(qū)域里想要精確測量，繞組的熱點溫度，傳感器的探頭必須能夠在繞組線餅靈活活動，這就要求探頭的體積足夠小，同時因為變壓器內(nèi)部的溫度很高，這就要求探頭要有超高的耐熱性。后來光纖光柵溫度傳感器的誕生，為解決上述問題提供了新的道路。因為光纖光柵溫度傳感器探頭的體積小而且重量輕，便于安裝調(diào)試。所以在以往的直接測量法基礎(chǔ)上，使用光纖光柵溫度傳感器可以解決這些問題[13]。光纖光柵傳感方案有諸多的優(yōu)點。①有良好的抗干擾能力。光纖光柵傳感器自身具有優(yōu)良的物理性能，能夠抵御多種光強度波動造成的干擾。②光纖光柵傳感器的尺寸小，易于鋪設(shè)?？梢詽M足大部分變壓器繞組所處環(huán)境的要求。③它具有良好的重復(fù)性④可以根據(jù)現(xiàn)場情況和用戶要求，跟其他器件搭配，組成滿足條件的光纖光柵測溫網(wǎng)絡(luò)，靈活多變。⑥光纖光柵的制作工藝比較成熟，已經(jīng)有很多配套的軟硬件方案，可以滿足用戶的很多要求，而且其生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；；谏鲜鼋榻B的諸多優(yōu)點，光纖光柵測溫在諸多領(lǐng)域里都有應(yīng)用，尤其是在電力系統(tǒng)中用來測量繞組的熱點溫度。光纖光柵傳感系統(tǒng)包括寬帶電源、耦合器、鋸齒波發(fā)生器、可調(diào)F-P濾波器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡等。耦合器用于從寬帶電源中接收光學信號，并將光分為2路，一路送到參考光纖光柵通道，另一路送到實際測量光纖光柵通道。參考光柵放到適宜的溫度環(huán)境里作為對照。通過分析比較，數(shù)據(jù)采集卡接收電壓，然后把電壓信號輸入計算機進行計算，然后用校準得到光纖光柵的波長，從而得到被測點的溫度。3.3本章小結(jié)本節(jié)對光纖光柵溫度傳感器進行了介紹，并對溫度測量的幾種方法進行了分析，綜合考慮，采用光柵光纖溫度傳感器的直接測量法。

4光纖光柵溫度監(jiān)測方案設(shè)計4.1變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀總體設(shè)計圖4.1光纖光柵溫度測溫平臺示意圖變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀總體設(shè)計見圖4.1，2×2光纖耦合器接收寬帶電源發(fā)出的光，并將光分為2路，一路送到參考光纖光柵通道，另一路送到實際測量光纖光柵通道。參考光柵放到適宜的溫度作為對照。通過分析比較，數(shù)據(jù)采集卡接受電壓信號，然后將輸出的電壓信號輸入計算機進行計算，最后校準得到光纖光柵的波長，進而獲得被測點的溫度。4.2器件的選擇寬帶電源、2×2光纖耦合器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機是構(gòu)成光纖溫度測溫系統(tǒng)主要的器件。4.2.1可調(diào)F-P濾波器的選擇可調(diào)F-P濾波器必須滿足下列條件：1）通過的譜線每次只能有一條，且譜線的寬度不能太寬，要足夠小。2）腔長與時間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系最好比較簡單，太復(fù)雜處理起來比較麻煩，最好滿足線性關(guān)系，從而簡化運算。3）所有的光纖光柵反射光都能在F-P濾波器腔長變化的范圍內(nèi)依次通過。4）在實際的光纖光柵傳感方案中，應(yīng)該考慮到，所用的寬帶電源發(fā)出的功率一般都很小，光電探測器感應(yīng)的光信號非常弱，以至于不能很好的對信號進行處理，從而給信號處理的過程增加不必要的工作量，所以，要解決這個問題，首先要解決的是，系統(tǒng)的光強度和濾波器的頻譜寬度的關(guān)系。綜上考慮，本文選用北京東方譜光科技有限公司研制的光纖可調(diào)濾波器，其不僅可以手動切換還可自動切換，切換的光譜范圍在10nm到100nm，與之對應(yīng)的帶寬為0.1nm到1.0nm。而且還有具有插入損耗小（低于2.5dB）的特點。其技術(shù)參數(shù)見表4.1。表4.1可調(diào)濾波器技術(shù)參數(shù)參數(shù)數(shù)值中心波長1550nm可調(diào)范圍（自由光譜區(qū)）10nm到100nm帶寬0.1nm到1nm響應(yīng)時間<1ms掃描速度<500HZ插入損耗<2.5dB工作溫度-5℃到65℃存儲溫度-40℃到85℃工作電壓（帶驅(qū)動器）+5Vdc4.2.2光纖光柵傳感器的選擇本文測量的是繞組的熱點溫度，變壓器里面內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對光纖溫度傳感器的尺寸有非常高的要求。因為光纖光柵不僅具有體積小、抗電磁干擾強、安全環(huán)保等優(yōu)點，還可以實現(xiàn)不同功能的傳感器（如，溫度、壓力、壓強、加速度、振動、電磁場等）同時區(qū)分測量，十分適合用于測量繞組的熱點溫度。綜上考慮，本論文采用泰達爾公司研制的高壓環(huán)境型光纖光柵溫度傳感器（FBG-HV-T01)。它在高電壓的環(huán)境還保持著優(yōu)良的特性。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積?。ㄖ睆郊s為6mm）精度高便于鋪設(shè)。測溫范圍在-50℃到150℃之間。4.2.3光電接收模塊光電接收裝置在測溫系統(tǒng)里很重要，他主要起的是信號轉(zhuǎn)變的功能。它最核心的部件是光電探測器。只有通過它才能將從上一級接收到的光信號，轉(zhuǎn)變成下一級能識別的電信號。對光電探測器的選擇應(yīng)考慮下面幾點：工作的波長范圍應(yīng)與寬帶電源的波長一致。靈敏度好，還需要良好的抗噪聲干擾能力。工作電壓低，便于便捷式系統(tǒng)的搭建?；谏鲜龇治觯疚倪x擇PFTM911型PIN-FET光電接收模塊，工作帶寬在1100nm到1650nm之間，典型靈敏度為-53dBm。4.2.4電源光纖光柵溫度傳感方案中光源是不可缺少的一個部件，一個合適的光源對溫度準確的測量至關(guān)重要。對光源的選擇應(yīng)該滿足下列要求：1）體積要小到可以與光纖耦合。2）出纖功率要大，選擇合適的中心波長和頻帶。3）能長時間工作，使用壽命要長。4）噪聲要小，寬帶范圍內(nèi)波形變化不能太劇烈。5）出纖功率和波長要很穩(wěn)定，不能受環(huán)境的強烈影響。6）考慮到建設(shè)成本方面，要經(jīng)濟，不能太貴。目前可用于光纖光柵溫度傳感方案的光源大致有三種：發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管以及放大自發(fā)輻射光源。發(fā)光二極管雖然便宜，但發(fā)出功率低，在光功率性能方面不能很好的滿足要求。半導(dǎo)體激光二極管效率高、體積小、波長范圍比較寬、價格可觀。但其有一些致命的缺點，就是其性能會隨著工作時間的增加而不斷的下降，甚至有些功能會發(fā)生變質(zhì)且是不可逆轉(zhuǎn)的，最終導(dǎo)致激光二極管不能重復(fù)使用。因此也不太合適。放大的輻射源的輸出功率比較高，可達到10mW，價格比較適中，這類光源滿足要求，且它可以減少系統(tǒng)的相干噪聲?；谏鲜隹紤]，本文選擇上海瀚宇VENUS系列臺式單模2.0um波段放大自發(fā)輻射光源。其光源測試數(shù)據(jù)見表4.2。表4.2光源的測試數(shù)據(jù)測試參數(shù)測量結(jié)果輸出功率20mW波長范圍1820nm至2020nm存儲溫度范圍-40℃到+85℃輸出光纖類型SM1950輸出光纖長度1m4.3變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀應(yīng)用實驗4.3.1溫度示值誤差實驗實驗方法：1）先把溫度標準器和在線監(jiān)測儀中的光纖光柵溫度傳感器一起放在氣候試驗箱里面。然后給監(jiān)測儀通上電，看指示燈是否正常，正常后，方可繼續(xù)實驗。2）然后設(shè)定氣候試驗箱的溫度，從較小值往上調(diào)，并將穩(wěn)定的溫度保持一定的時間，然后分別記錄溫度標準器和光纖光柵溫度傳感器的溫度值。實驗數(shù)據(jù)見表4.3。表43變壓器繞組溫度監(jiān)測儀示值誤差實驗結(jié)果序號溫度實測值/℃監(jiān)測儀顯示值/℃監(jiān)測儀溫度示值誤差/℃1-41.0-40.90.1225250.0380.180.3-0.24120.0119.8-0.2結(jié)果說明：從表4.3可以看出，在常溫下溫度測量儀的示數(shù)與溫度實測值相差無幾，但隨著溫度的上升或下降，誤差都有不同程度的增加。4.3.2溫度靈敏度實驗實驗方法：1）先將變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀放在常溫下。2）再將光纖溫度傳感器放在80℃的恒溫環(huán)境中。3）每隔10分鐘記錄一次溫度在線監(jiān)測儀的讀數(shù)，記錄10次。4）整理數(shù)據(jù)，計算出實驗數(shù)據(jù)的靈敏度值。實驗數(shù)據(jù)如圖4.2所示。圖42變壓器繞組溫度在線監(jiān)測儀敏感度實驗曲線圖結(jié)果說明：從圖4.2可以看出，在10到100分鐘時間段里，測量溫度與實際的溫度相差無幾，最大的相對誤差值才0.3。說明變壓器繞組溫度在線監(jiān)測儀具有較高的敏感度。4.4本章小結(jié)本章主要對溫度監(jiān)測方案的一些器件做了詳細的介紹，然后對光纖溫度監(jiān)測儀進行了溫度示值誤差實驗和溫度靈敏度實驗。得出繞組溫度在線監(jiān)測儀的測溫性質(zhì)比較好。

5總結(jié)與展望一直以來變壓器對生產(chǎn)和生活都尤為重要，對變壓器故障檢測和繞組溫度監(jiān)測要求不斷提高，在充分分析大量的文獻、新理念、新技術(shù)后對繞組溫度監(jiān)測有了比較直觀的看法。本課題通過大量文獻，以及各位老師的指導(dǎo)，尤其是指導(dǎo)老師給予了我很多幫助。通過查詢資料，對各種理論進行分析，對變壓器繞組溫度光纖監(jiān)測進行研究分析。本論文，首先對繞組熱點溫度的影響因數(shù)及繞組故障作了一些分析，并提出應(yīng)對繞組故障的一些防范措施。還總結(jié)了一些油溫的冷卻方式。然后對傳感器和測溫方法進行分析比較，找到適合測量繞組熱點溫度的方案。其次對測溫平臺的一些器件進行了選擇。最后對變壓器繞組光纖溫度在線監(jiān)測儀作了溫度示值誤差實驗和溫度靈敏度實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析，總結(jié)出此測溫儀具有比較好的測溫性能。采用光纖光柵溫度傳感器對繞組熱點溫度進行監(jiān)測的研究，所涉及的知識很多，是一個綜合性的課題。作者學識淺薄，文中一定有一些方面研究不夠深入，望老師和各位同學不吝賜教，給我提出一些建設(shè)性的建議。

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