采用光纖光柵應變傳感器的變壓器繞組變形在線監測系統的制作方法

本發明屬于電力變壓器安全監測技術領域，特別涉及一種采用光纖光柵應變傳感器的變壓器繞組變形在線監測系統。

技術背景

電力變壓器是發、輸、配電系統中的重要設備，其性能和質量直接關系到電力系統運行的可靠性和運營效益，繞組又是變壓器的重要組成部分。

變壓器繞組載流后會在其所處空間及其周圍空間建立起軸向和輻向的漏磁場；處于該磁場中的繞組本身又要受到“洛倫茲力”或者稱之為電磁力的作用，電磁力在變壓器繞組材料中產生機械應力，并部分地傳到變壓器其它元件上。在正常運行時，電磁力并不大，但是發生短路時，繞組受到的短路電磁力將劇增，達到正常值的幾十倍，甚至幾百倍，足以引起變壓器繞組產生變形；即電力變壓器在運行過程中不可避免地要遭受各種故障短路電流的沖擊，一旦短路故障發生在變壓器出口附近，如果繞組內部機械結構存在薄弱環節，必然會產生繞組扭曲、鼓包或移位等變形現象，嚴重時會導致突發性損壞事故。因此，開展變壓器繞組應力、變形測試研究勢在必行，對防止變壓器事故的發生有重要的作用。

目前電力系統中常用的監測變壓器繞組變形的方法是短路阻抗法、頻率響應法、振動監測法等。

短路阻抗法、頻率響應法都需要安排設備停電進行試驗，無法做到在線監測。振動監測法雖然可以在線監測，但該方法是通過監測油箱壁上振動來反映繞組振動繼而反映繞組變形情況，無法做到直接監測，易受變壓器的運行方式、制造工藝、環境和溫度變化的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種采用光纖光柵應變傳感器的變壓器繞組變形在線監測系統，其特征在于，該變壓器繞組變形在線監測系統包括：寬帶光源、M-Z干涉儀、耦合器、光纖光柵應變傳感器、分波器、光電探測器、信號處理單元、和工控機；其中，寬帶光源1分別連接耦合器2和M-Z干涉儀4，耦合器2后面串聯1-n個光纖光柵應變傳感器3；在M-Z干涉儀4后面依次串聯分波器5、光電探測器6、信號處理單元7和工控機8；所述M-Z干涉儀為馬赫曾德干涉儀；

所述寬帶光源為該系統主要光源，可穩定發出特定波長范圍內的光的光源。

所述M-Z干涉儀包括輸入、輸出兩個耦合器，兩個耦合器之間并聯測量臂和參考臂，測量臂和參考臂為光程不同的兩臂，用于對光進行相位干涉。

所述分波器具有波分復用功能，將不同波長的光按波長進行分離。

所述光電探測器用于將反射光轉換為電信號。

所述信號處理單元將收到的電信號處理后傳輸至工控機。

所述工控機為終端平臺，用于呈現變壓器繞組變形位置壓力信號，實現變壓器繞組變形的在線監測。

所述光纖光柵應變傳感器采用耐油橡膠—丁腈橡膠作為封裝物，丁腈橡膠將光纖光柵應變傳感器封裝成薄片，然后“嵌入每相繞組底部壓靴處對稱開的3個槽”中，在線監測變壓器繞組的形變狀況，將得到變壓器繞組變形位置的壓力信號通過耦合器傳輸至M-Z干涉儀，實現實時監測變壓器繞組整體軸向形變。

所述丁腈橡膠封裝的光纖光柵應變傳感器適應變壓器繞組特殊的油環境，滿足傳感器的壽命要求。

所述在每相繞組的接近頂部的、中間位置、接近底部的三個位置對稱3個線餅中釘入傳感器，這些傳感器外形與墊塊相似，以替代墊塊。這些傳感器可實時監測線圈之間的軸向形變。“將光柵封入片狀的丁腈橡膠，并在內繞組撐條上開槽，將其嵌入撐條上的上中下3個位置”，這些傳感器可實時監測繞組整體幅向形變。

所述變壓器繞組變形在線監測系統將光柵反射后的光信號經M-Z干涉儀干涉后，進行相位調制，經過分波器將干涉后的光按波長分離并分別進入光電探測器轉變為電信號，再經過信號處理單元處理后傳輸至工控機。

本發明有益效果是所構建的在線監測系統可以直接在線監測繞組壓力變化情況，了解繞組變形情況，保障變壓器正常安全運行。不同于傳統方法的停電檢查和間接在線測量，本發明將成熟的光纖傳感技術應用于變壓器狀態監測領域內，測量結果直接明了準確，減少誤差，更是減少延時，做到真正的實時監測。

附圖說明

圖1為變壓器繞組變形在線監測系統結構示意圖。

圖2為變壓器繞組模型圖，其中a為變壓器繞組單相的結構；b為繞組的局部AA放大示意圖。

圖3為應用丁腈橡膠封裝光柵應變傳感器結構示意圖

具體實施方式

本發明提供一種采用光纖光柵應變傳感器的變壓器繞組變形在線監測系統，該變壓器繞組變形在線監測系統包括：寬帶光源、M-Z干涉儀、耦合器、光纖光柵應變傳感器、分波器、光電探測器、信號處理單元、和工控機；下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述。

圖1所示為變壓器繞組變形在線監測系統結構示意圖。圖中，寬帶光源1分別連接耦合器2和M-Z干涉儀4，耦合器2后面串聯1-n個光纖光柵應變傳感器3；在M-Z干涉儀4后面依次串聯分波器5、光電探測器6、信號處理單元7和工控機8；所述M-Z干涉儀為馬赫曾德干涉儀。

實施例1

由于繞組所處于變壓器油中，目前一般的光纖光柵應變傳感器無法適應變壓器油環境，無法滿足至少10年的壽命要求，本發明采用一種耐油性極好的橡膠—丁腈橡膠對光纖光柵進行封裝，以期滿足其壽命要求，封裝結構如圖3所示，可根據具體位置將丁腈橡膠加工成不同形狀大小，使其滿足空間要求，裝入變壓器繞組壓靴和線餅中。

實施例2

圖2是變壓器繞組單相的結構圖，圖中a為變壓器繞組單相的結構，壓靴10位于繞組底部，隔離繞組使其不直接接地；撐條9位于繞組與繞組之間和內繞組與鐵芯之間，是隔離內外繞組、內繞組與鐵芯的，作為繞組的層間支撐和絕緣，并形成散熱油道或風道；墊塊11是單個繞組中線圈與線圈之間的絕緣物，作為支撐和絕緣用(如圖中b為繞組的局部AA放大示意圖所示)；在內繞組與鐵芯間中的撐條9上縱向開條槽，這條槽在變壓器效果圖上來說是由上至下的，在分別對應上中下繞組位置的安裝傳感器。每相繞組上有3個撐條，即每相9個傳感器，總共27個；經常在變壓器繞組變形時發生于短路，即變壓器繞組經受短路電動力發生變行。短路電動力是由漏磁場和短路電流相互作用產生的，短路電動力被分為輻向電動力和軸向電動力。軸向電動力在變壓器繞組端部最大，輻向電動力在變壓器繞組中部最大，因此變壓器繞組中兩個端部和中部三個位置是監測重點。

為了有效測量整體變壓器繞組軸向形變，將裸光柵封裝入丁腈橡膠中，并將橡膠制成薄片狀(如圖3所示)，并在壓靴10上開槽，每相繞組的兩個端部和中部三個位置對稱嵌入3個應變傳感器。

為了有效測量線圈之間軸向形變，將丁腈橡膠加工成墊塊大小，并向其中封入裸光柵，每相每繞組分別選取上中下3個位置，每個位置對稱打入3個傳感器(此時不需打入墊塊)。

為了有效測量繞組輻向形變，將丁腈橡膠加工成片狀，并在內繞組撐條上開槽，將其嵌入在撐條中對應上中下3個位置。

實施例3

對于繞組在線監測系統，實施如下：

本發明所使用繞組在線監測系統如圖1所示，包括：M-Z干涉儀、耦合器、分波器、光電探測器、信號處理單元、工控機。

所述寬帶光源發出具有穩定帶寬的光波，射入光纖中，在準分布式光纖光柵傳感器周圍應變發生變化，使反射光波的波長發生變化。

所述耦合器將不同波長的反射波耦合在一起傳入M-Z干涉儀；M-Z干涉儀通過將光分為兩束經過不同光程的兩臂后完成干涉，得到干涉光。

所述分波器將完成干涉后的光按波長分為不同光分別傳入光電探測器，光電探測器將反射的光信號轉換為電信號。

所述信號處理單元對電信號進行算法處理，得到光波長，繼而得知每個傳感器的壓力值，并傳入工控機。工控機通過軟件匯編呈現結果。