对使用布拉格光纤光栅传感器的电力变压器的内部温度监测系统的研究

第一篇：对使用布拉格光纤光栅传感器的电力变压器的内部温度监测系统的研究

对使用布拉格光纤光栅传感器的电力变压器的内部温度监测系统的研究

摘要

温度的空间分布的精确信息对调查分析电力变压器和评估它的寿命是重要的，因为电力系统故障会导致巨大的有形资产的损失和社会损失。

已经被研究了近十年的布拉格光纤光栅传感器对于上述目的应用可以是非常有效的。因为它们不受电磁干扰，并且可以高度的多路复用，这使得有效的准分布式温度能传感到数万公里的范围。

我们提出了一种一组超过4个传感器光栅的光纤温度监测系统。温度引起的布拉格波长的变化是通过扫描可调波长的滤波器来准确的监控的。温度稳定的参考光栅和高斯曲线拟合算法的微分测量已经被用来提高计量精度，获得了~0.6℃的温度分辨率，线性误差小于0.4%。介绍

电力系统，如发电机，GIS，传输电缆等，就它们的绝缘类的特性而言，应当在操作时明显低于它们的极限温度。为了保护它们免受由于过热而引起的异常磨损故障，一个可靠的分布式温度监控是非常重要的，因为电力系统的故障将导致电力行业巨大的利润损失。然而，由于在正常操作下，高电压通常超过几万伏，直接测量的热点温度不可能与常规的传感器一样。此外，严格的物理尺度和严酷的安装环境使的操作庞大的常规传感器更加困难。光纤光栅传感器看上去则十分适合这样的应用。自从第一次观察到光敏性的纤维，FBGs的使用在通信和传感的应用在过去的20年中，得到了集中的研究，因为它有许多重要的优势。首先，FBG只反射了布拉格波长，转换感应到的物理量来移动反射的布拉格波长。由于波长编码的这一特点，感知的信息独立于源电力波动、总的发光水平、连接纤维和耦合器的损失以及其他环境的噪声来源。其次，FBGs可以很容易的在连续的方式下多路复用，允许它们中的许多使用单一纤维，这使得准分布式传感有效。此外，反射的布拉格波长的移动显示了对光纤光栅性质改变的线性响应，这意味着任何应用于光栅的外部物理量，如应变、压力、温度或振动，能够从测量的布拉格波长的移动中恢复。由于这些特点，FBGs作为对多种感应应用的光学传感器，一直在被集中的研究着，它可以用于民用建筑的健康监测、复合材料的无损检测，智能结构、传统的应变、压力和温度的传感。图1是FBG温度传感器系统构造的实验装置。一个光谱范围为1530nm~1610nm的ASE宽带元被用来照亮光纤光栅传感器阵列，它是由名义中心波长为152.09~1558.96nm的10个传感器光栅组成。一个拥有4GHz宽带，4000 nominal finesse 和 80nm的FSR 的MEMS FP滤波器被用作波长扫描的滤波器。反射的灯光从FBGs通过FP滤波器，这个滤波器的通频带是由一个坡道信号调制的。然后，经过了FP滤波器之后，灯光被检测到，把波长域配置文件转换为时间域配置的文件。现在，布拉格波长的变化是通过定位在PD信号的峰值来测量的。

图2显示了PD信号峰值，对应了布拉格波长在12个时态的分布。在两个峰值的结尾是参考光栅信号（RG）和其他传感光栅信号（SG）。我们使用两个参考光栅信号（RGs）来抑制可能的非线性作用的FP滤波器产生的错误。光栅信号（SGs）波长变动的计算是相对于在每个扫描周期内，2个参考光栅信号的波长区间来衡量的。图3显示了在8个小时内，在一定的温度下，3个光栅传感器的测试结果。在测量期间，整体10个光栅的随机游走的测量值小于0.6℃

正如早起提到的，温度测量的准确性依赖于峰值位置的精度。由于一些原因，如作用于传感器光栅的应变梯度和不规则应力分布，光栅传感器的反射光谱可能会被扭曲，导致不准确的峰值位置。为了缓解这个问题，如图4所示，我们将高斯线性拟合的算法运用到时间响应的特性上。光纤光栅反射峰被认为是高斯形状，当高斯曲线与时态峰之间的均方差（MSE）最小时，最优拟合曲线就确定了。这也增强了测量的分辨率，因为与量化误差相比，高斯峰的中心位置可以在更小的规模上确定。根据温度变化在25℃~70摄氏度之间，我们测量了传感光栅信号的波长的改变，结果如图6所示。热电偶用作参考的温度传感器。光纤光栅传感器与参考的温度之间的线性误差计算小于0.4% 结果与讨论

在实验室，开发的光纤光栅传感器系统运用20kVA充油的极变压器来模拟电源变压器。极变压器的温度可以通过过载试验电源来控制。除了4个FBG传感器，相同号码的常规热电偶被安装在毗邻相应FBG传感器的点上。

图7 的（a）和（b）分别是通过FBG传感器和热电偶传感器的极变压器测量温度的例子。它表明来自FBG传感器的数据比来自热电偶传感器的随机噪声小，FBG传感器更不易受噪声的影响，如开关或功率半导体的操作。

图8显示了10个光纤光栅传感器善附着3000kVA模变压器，以及2个月的操作中连续监测的温度分布。在这期间，所有的传感器成功地测量了温度。表8（a）是10个监测和记录的结果之一。

在这一阶段，所有的传感器成功的测量了温度，表9（a）是10个监测和记录的结果之一。从5月到7月进行了测量。作为天的函数，温度曲线是上升。在监测期间，日常电力的消费是稳定，那么测量的温度的上升可能是由于环境温度的上升。图9是从韩国气象局获得在监测期间环境温度的平均值，它与监测的数据曲线显示了一致的趋势。结论

为了在电力变压器上可靠的监测温度，一个光纤光栅阵列被提出并得到开发。温度引起的布拉格波长的变化是通过波长扫描的FP滤波器检测的，两个参考光栅是用来弥补任何非线性作用的波长滤波器。通过实验可以看到，解调方案显示随机游走小于0.6℃，线性误差小于0.4% 在实验室，我们使用光纤光栅传感器和常规的热电偶传感器来监控20kVA充油的极变压器的温度。结果显示FBG传感器能够在更少的随机噪声和更少的由于切换或半导体操作而产生的电噪声的影响的情况下测量温度的。

开发的FBG传感器系统已经被运用到3000kVA的模变压器上，这一应用在实际分布网络中操作了两个月。FBG传感器的性能已经被证明在实际规模应用时是足够的稳定的。