高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及輸配電設備在線監測技術，更具體地說利用準分布式光纖光柵溫度傳 感器，測量配電變壓器熱點溫度，并進行配電變壓器壽命周期預測。
【背景技術】
[0002] 農村電網具有負荷分散、季節性強、平均負荷率低、峰谷差大的特點，從運行情況 分析，農村電網在特殊時期（如春節、農忙時）負荷增長迅猛，各地區農配網變壓器因短時 過載而發熱問題非常突出。變壓器內部繞組熱點溫度與其絕緣性能及老化壽命有直接的關 系，超過溫度的允許值會降低變壓器的使用壽命，尤其是過負載運行情況下產生的高溫會 加快變壓器的絕緣老化，縮短其使用壽命。對變壓器進行溫度監測和壽命預測計算是一種 改善變壓器老化狀況、提高經濟效益的有效途徑。
[0003] 目前應用于變壓器溫度直接測量的方法主要有：1)電信號傳感器測量法，如熱電 偶、熱電阻等，該類傳感器易受電磁干擾，且使用壽命有限，測量效果不理想；2)紅外測溫 法，該方法為非接觸測量，便于人工操作，但無法實現在線實時測量，且易受背景噪聲及電 磁環境干擾；3)基于RAMN散射或布里淵散射原理的分布式光纖測溫方法，其測溫精度、空 間定位精度和響應時間之間相互制約，目前尚不能滿足變壓器內部精確測溫的要求；4)采 用熒光光纖或半導體砷化鎵測溫探頭光纖的點式測溫，測量點少，該類光纖傳感器在變壓 器測溫中已有實際應用，然而經驗表明，在正常繞組頂部不同位置處可能會有大于IOK的 溫差，只放入1到3個傳感器很難檢測出真正的熱點，因此，其在變壓器內部的布置往往需 要經驗估計，在實際應用中存在一定的局限。
[0004] 光纖光柵測溫通過在單根光纖上串聯多個不同中心波長的光纖光柵組成光纖光 柵傳感陣列，通過波分復用技術，實現單根光纖上多個傳感器的應用，可以實現變壓器內部 多點細致分布的監測，同時光纖光柵的傳感測量通過頻譜分析完成，受光強的影響極小；通 過合理布置傳感器的位置，傳感器被直接安裝在測點附近，完全可以實現變壓器內部準分 布式的高精度溫度監測。
[0005] 鑒于光纖光柵測溫的優點和技術的發展，目前在大型變壓器內部完成光纖光柵測 溫的案例比較多見，但在IOkV配電變壓器內部完成光纖光柵測溫的案例極少見諸報道。考 慮高過載配變特殊時期的負荷特征，所采用的測溫技術在測溫分辨率、靈敏度及精度方面 應該能夠較好地反映高過載配變繞組熱點溫升連續變化的過程。因此，高過載配電變壓器 溫度監測系統技術方案應采用光纖光柵測溫技術。
[0006] 現有專利中申請號為2013102675399,公開了一種基于光纖光柵測溫系統進行變 壓器壽命預測的方法，是針對大型油浸式變壓器進行在線測溫和壽命預測，由于其負載曲 線較為平滑、變化規律性較強，未考慮負載突變情況下測溫系統的靈敏度及精度。配電變壓 器直接與用戶相連，其負載曲線波動性較大，尤其是農網配變負荷具有不規律的時變特征， 現有專利"基于光纖光柵測溫系統進行變壓器壽命預測的方法"在測溫靈敏度及精度方面 并不能夠實時、準確地反映高過載配變繞組熱點溫升連續變化的過程。
【發明內容】
[0007] 為解決現有技術存在的不足，本發明公開了高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系 統及方法，本發明利用準分布式光纖光柵測溫技術，實現對高過載配電變壓器熱點溫度的 高精度測量，將壽命損失的微分方程變換為差分方程降低計算復雜程度，明顯提高計算效 率，實現高過載配電變壓器剩余壽命周期的快速、高效預測。
[0008] 為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
[0009] 高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系統，包括：
[0010] 寬帶光源，用于產生連續掃描的窄帶光譜；
[0011] 可控鋸齒波發生電路，用于在工控機的控制下產生鋸齒波；
[0012] F-P腔可調濾波器，根據可控鋸齒波發生電路輸出的鋸齒波電壓驅動對寬帶光源 產生的窄帶光譜的進行解調，解調為散光譜信號；
[0013] 光分路器，用于將F-P腔可調濾波器輸出的散光譜信號分為所需數量的光路并與 光纖光柵溫度傳感器通信；
[0014] 校準裝置，用于實時確定鋸齒波發生電路提供的可調光源的電壓跟F-P腔出射波 中心波長的關系；
[0015] 光電探測模塊，將每一個傳感光柵反射回的與之唯一對應的反射波從光信號轉換 成電信號并傳送至數據采集卡進行A/D轉換，A/D轉換后的數據傳送至工控機進行處理。
[0016] 基于上述高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系統的高過載配電變壓器壽命周期 預測方法，包括：
[0017] 設定變壓器相對老化率，得到變壓器在一定時間內的壽命損失，對變壓器在一定 時間內的壽命損失變形得到其微分方程形式；
[0018] 根據高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系統監測到離散的熱點溫度數據；
[0019] 由監測到離散的熱點溫度數據根據《GB 1094. 7-2008電力變壓器第7部分：油浸 式電力變壓器負載導則》中相對老化率計算公式求取每個時間間隔內的相對老化率Vw;
[0020] 根據每個時間間隔內的相對老化率Vw及各時間段之間的間隔時間得到每間隔時 間段內的壽命損失用差分方程形式；
[0021] 根據每間隔時間段內的壽命損失用差分方程疊加得到達到區域時間段tn時總的 壽命損失。
[0022]
[0023] 進一步的，變壓器相對老化率用V表示，則變壓器在一定時間內的壽命損失L與相 對老化率V的關系用微分方程形式表示為：
[0024]
[0025] 根據高過載配電變壓器的光纖光柵測溫系統監測到離散的熱點溫度數據：
[0026]
[0027] 用Dt表示各時間段之間的間隔時間，熱點溫度是由光纖光柵測溫系統測量得到 的，由熱點溫度Θ h根據負載導則中相對老化率計算公式可求取每個時間間隔內的相對老 化率Vw，則每間隔時間段內的壽命損失用差分方程形式表示為：
[0028] DL(n)= V (n) XDt
[0029] 達到區域時間段tn時總的壽命損失為：
[0030] L(n)= L (n d+DL^j
[0031] 為了得到一個精確的結果，時間間隔Dt應盡可能小，不能大于變壓器熱特性參數 中的繞組時間常數（由變壓器出廠試驗數據確定）的一半。
[0032] 本發明的有益效果：
[0033] 本發明考慮配變負載突變情況下測溫系統的靈敏度及精度，測溫系統增加工控機 對鋸齒波發生電路的反饋環節，同時增加校準裝置，在變壓器負載突變時能夠實時、準確地 反映高過載配變繞組熱點溫升變化。同時對壽命損失的計算方法作了改進。
[0034] 本發明利用準分布式光纖光柵測溫技術，實現對高過載配電變壓器熱點溫度的高 精度測量，獲得配電變壓器熱點溫度監測數據，對高過載配電變壓器進行老化評估及其剩 余壽命周期預測；壽命評估時將壽命損失的微分方程變換為差分方程明顯降低計算復雜 度、提高計算效率，實現高過載配電變壓器剩余壽命周期的快速、高效預測，對運維部門制 定科學有效的配電變壓器運維策略具有重要指導意義