本發(fā)明屬于電力變壓器安全監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用光纖光柵應(yīng)變傳感器的變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)背景

電力變壓器是發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營(yíng)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(huì)在其所處空間及其周圍空間建立起軸向和輻向的漏磁場(chǎng)；處于該磁場(chǎng)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(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，并部分地傳到變壓器其它元件上。在正常運(yùn)行時(shí)，電磁力并不大，但是發(fā)生短路時(shí)，繞組受到的短路電磁力將劇增，達(dá)到正常值的幾十倍，甚至幾百倍，足以引起變壓器繞組產(chǎn)生變形；即電力變壓器在運(yùn)行過(guò)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(fā)生在變壓器出口附近，如果繞組內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，必然會(huì)產(chǎn)生繞組扭曲、鼓包或移位等變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性損壞事故。因此，開展變壓器繞組應(yīng)力、變形測(cè)試研究勢(shì)在必行，對(duì)防止變壓器事故的發(fā)生有重要的作用。

目前電力系統(tǒng)中常用的監(jiān)測(cè)變壓器繞組變形的方法是短路阻抗法、頻率響應(yīng)法、振動(dòng)監(jiān)測(cè)法等。

短路阻抗法、頻率響應(yīng)法都需要安排設(shè)備停電進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法做到在線監(jiān)測(cè)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)法雖然可以在線監(jiān)測(cè)，但該方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)油箱壁上振動(dòng)來(lái)反映繞組振動(dòng)繼而反映繞組變形情況，無(wú)法做到直接監(jiān)測(cè)，易受變壓器的運(yùn)行方式、制造工藝、環(huán)境和溫度變化的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種采用光纖光柵應(yīng)變傳感器的變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：寬帶光源、M-Z干涉儀、耦合器、光纖光柵應(yīng)變傳感器、分波器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理單元、和工控機(jī)；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(lián)1-n個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器3；在M-Z干涉儀4后面依次串聯(lián)分波器5、光電探測(cè)器6、信號(hào)處理單元7和工控機(jī)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(tǒng)主要光源，可穩(wěn)定發(fā)出特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的光源。

所述M-Z干涉儀包括輸入、輸出兩個(gè)耦合器，兩個(gè)耦合器之間并聯(lián)測(cè)量臂和參考臂，測(cè)量臂和參考臂為光程不同的兩臂，用于對(duì)光進(jìn)行相位干涉。

所述分波器具有波分復(fù)用功能，將不同波長(zhǎng)的光按波長(zhǎng)進(jìn)行分離。

所述光電探測(cè)器用于將反射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

所述信號(hào)處理單元將收到的電信號(hào)處理后傳輸至工控機(jī)。

所述工控機(jī)為終端平臺(tái)，用于呈現(xiàn)變壓器繞組變形位置壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變壓器繞組變形的在線監(jiān)測(cè)。

所述光纖光柵應(yīng)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(yīng)變傳感器封裝成薄片，然后“嵌入每相繞組底部壓靴處對(duì)稱開的3個(gè)槽”中，在線監(jiān)測(cè)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(hào)通過(guò)耦合器傳輸至M-Z干涉儀，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yīng)變傳感器適應(yīng)變壓器繞組特殊的油環(huán)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(gè)位置對(duì)稱3個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線圈之間的軸向形變?！皩⒐鈻欧馊肫瑺畹亩‰嫦鹉z，并在內(nèi)繞組撐條上開槽，將其嵌入撐條上的上中下3個(gè)位置”，這些傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繞組整體幅向形變。

所述變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將光柵反射后的光信號(hào)經(jīng)M-Z干涉儀干涉后，進(jìn)行相位調(diào)制，經(jīng)過(guò)分波器將干涉后的光按波長(zhǎng)分離并分別進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元處理后傳輸至工控機(jī)。

本發(fā)明有益效果是所構(gòu)建的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直接在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行。不同于傳統(tǒng)方法的停電檢查和間接在線測(cè)量，本發(fā)明將成熟的光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，測(cè)量結(jié)果直接明了準(zhǔn)確，減少誤差，更是減少延時(shí)，做到真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；b為繞組的局部AA放大示意圖。

圖3為應(yīng)用丁腈橡膠封裝光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種采用光纖光柵應(yīng)變傳感器的變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：寬帶光源、M-Z干涉儀、耦合器、光纖光柵應(yīng)變傳感器、分波器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理單元、和工控機(jī)；下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述。

圖1所示為變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(lián)1-n個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器3；在M-Z干涉儀4后面依次串聯(lián)分波器5、光電探測(cè)器6、信號(hào)處理單元7和工控機(jī)8；所述M-Z干涉儀為馬赫曾德干涉儀。

實(shí)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(yīng)變傳感器無(wú)法適應(yīng)變壓器油環(huán)境，無(wú)法滿足至少10年的壽命要求，本發(fā)明采用一種耐油性極好的橡膠—丁腈橡膠對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，以期滿足其壽命要求，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，可根據(jù)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(shí)施例2

圖2是變壓器繞組單相的結(jié)構(gòu)圖，圖中a為變壓器繞組單相的結(jié)構(gòu)，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(nèi)繞組與鐵芯之間，是隔離內(nèi)外繞組、內(nèi)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(fēng)道；墊塊11是單個(gè)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(nèi)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(lái)說(shuō)是由上至下的，在分別對(duì)應(yīng)上中下繞組位置的安裝傳感器。每相繞組上有3個(gè)撐條，即每相9個(gè)傳感器，總共27個(gè)；經(jīng)常在變壓器繞組變形時(shí)發(fā)生于短路，即變壓器繞組經(jīng)受短路電動(dòng)力發(fā)生變行。短路電動(dòng)力是由漏磁場(chǎng)和短路電流相互作用產(chǎn)生的，短路電動(dòng)力被分為輻向電動(dòng)力和軸向電動(dòng)力。軸向電動(dòng)力在變壓器繞組端部最大，輻向電動(dòng)力在變壓器繞組中部最大，因此變壓器繞組中兩個(gè)端部和中部三個(gè)位置是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

為了有效測(cè)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(gè)端部和中部三個(gè)位置對(duì)稱嵌入3個(gè)應(yīng)變傳感器。

為了有效測(cè)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(gè)位置，每個(gè)位置對(duì)稱打入3個(gè)傳感器(此時(shí)不需打入墊塊)。

為了有效測(cè)量繞組輻向形變，將丁腈橡膠加工成片狀，并在內(nèi)繞組撐條上開槽，將其嵌入在撐條中對(duì)應(yīng)上中下3個(gè)位置。

實(shí)施例3

對(duì)于繞組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施如下：

本發(fā)明所使用繞組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，包括：M-Z干涉儀、耦合器、分波器、光電探測(cè)器、信號(hào)處理單元、工控機(jī)。

所述寬帶光源發(fā)出具有穩(wěn)定帶寬的光波，射入光纖中，在準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器周圍應(yīng)變發(fā)生變化，使反射光波的波長(zhǎng)發(fā)生變化。

所述耦合器將不同波長(zhǎng)的反射波耦合在一起傳入M-Z干涉儀；M-Z干涉儀通過(guò)將光分為兩束經(jīng)過(guò)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(zhǎng)分為不同光分別傳入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

所述信號(hào)處理單元對(duì)電信號(hào)進(jìn)行算法處理，得到光波長(zhǎng)，繼而得知每個(gè)傳感器的壓力值，并傳入工控機(jī)。工控機(jī)通過(guò)軟件匯編呈現(xiàn)結(jié)果。