光纤测温技术在变压器改造中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 173 光纤测温技术在变压器改造中的应用 冯鹤超 何欣怡 周 帅 高 宁 保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071000 摘要：摘要：电力变压器在电网中扮演着至关重要的角色，其安全、稳定的工作对于电网的稳定供电至关重要。为了实现降低成本和节能的目标，根据中国节能技术政策大纲，对常规变电所进行改造是必要的。然而，在改造后的电力系统能够保持良好运行状态的同时，需要一种准确可靠的温度测量技术来监测电力系统的温度。本文通过对110 kv 变电站的改建实践，探讨了光纤测温技术在变压器改建中的应用，旨在给相关从业人员提供一些有益启示。关键词：关键词：光纤测温技术；变压器改造；应用 中图分类号：中图分类号：TM412 随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，对电力方面的需求也越来越大。在此背景下，国家提出中国节能技术政策大纲，其中提出的要求需强迫对油循环风冷式变压器完后改造，从而降低其维护成本以及运行能耗，最终实现环保节能的目的1。而设备的改造是否会影响绕组、铁心的散热，也直接关系着变压器的稳定运行以及供电系统的平稳顺利供电，所以，采取可靠的测温技术来对变压器绕组进行有效精准的温度监控监测尤为重要。1 光纤测温技术的概述 过去，变压器的温度测量方法是在箱盖顶部的长轴两端安装两个油面温度计，并且每一端还需要安装绕组温度计。这种方法可以方便地测量变压器上层的绕组焦点温度和油温。然而，这种方法存在一些限制。首先，在测量油面温度时，主要依赖于通过压力感应的温度传感器，而这种方式可能导致油包中的液体或气体等工作介质泄漏的问题，从而导致油温测量的灵敏度和准确度大幅下降，此外，还会降低绝缘油的品质；而绕组温度计通常依靠模拟测量法，测量的精确度很难把控2。除此之外，以往的变压器测温方式仅仅只能对变压器内部的绕组放电、过热等问题进行判断，当检测出温度异常时，并不能判断故障出现的准确区域，只能利用油色谱实验的方式进一步排查故障的实际位置以及发生故障的原因目前已有几家大型电力变压器制造商在其产品中应用了基于光纤测温技术。这种技术使用高效率的磷光材料作为测温传感材料，具有可靠的数据传输、化学稳定性、无电磁干扰和耐高温等特点。尽管其性能价格较高，但在工业测温应用中，它能够显著降低成本。光纤测温系统采用低能 LED 作为照明光源，荧光粉传感器发射的荧光被光检测器接收后，经过信号处理器和单片机的运算，以温度的数据形式显示所收到的荧光强度。2 变压器改造的必要性 随着我国社会的不断进步和发展，人民的物质生活水平正在持续提高。因此，电器在人们的日常生活中扮演着重要角色。这也对我国电力系统的发展和电网供电效率提出了更高的要求。目前，国内新投入使用的变压器通常具备有载调压功能。只有应用这种带电时具有可调节电压能力的变压器，才能充分满足调节负荷、联络电网以及稳定电压的需求。但目前阶段，我国各区域的在役运行电网，绝大多数还在使用早年生产的虽在使用寿命之内却已经较为落后的无励磁调压变压器，其又名无载变压器。由于无载变压器不具备带电调压的功能，为满足社会发展需要，急需对其进行更换，但以目前的情况来看，更换如此巨量的变压器不但需要大量的资金成本，对于被更换下来的大量的无载变压器也会造成非常大的浪费，并不符合可持续发展的政策目标。而将目前还在使用寿命期限内且还在使用的无载变压器通过改造，使其具备带电调压的能力，成为功能上的有载调压变压器，就不再需要购买并更换新的变压器也可以实现调压与变压的目的。变压器的改造不仅节约了购置新变压器的资金成本，还极大地节省了更换变压器的人力成本，并满足了社会用电需要，是目前工业用电单位和电力系统务必执行的措施3。中国科技期刊数据库 工业 A 174 3 对变压器进行测温的具体方法 3.1 WTI 绕组测温模拟测温法 目前，传统的变压器测温方法使用线圈温度计来测量温度。该方法的基本工作原理是先测量线圈顶部的油温，然后根据线圈电流产生的温度热量计算线圈的温升。WTI 绕组测温拥有很多不同的类型，其中最典型的是将感温包插入热电偶套管中，为了更真实的对绕组温度进行模拟，还需为套管安装发热软件，在其通电后自行散发热量。用液体或气体填充感温包，再利用毛细管将感温包与螺旋形的弹簧管进行连接，每当温度升高，液体或气体带动感温包膨胀，从而将弹簧管轻轻推开，而弹簧管所呈现的张力也会在温度刻度盘中有所展现。总结一下，WTI 绕组测温采用了内置的加热元件，通过将电流信号浮动在变压器上层油温中传递到微处理器，再进行适当的计算，可以模拟出绕组热点的温度，通过计算变压器上层油温和绕组热点温升增量的重叠部分来估算绕组热点的温度。但在实际应用上，由于变压器的类型不同，其负荷曲线与冷却方式也各不相同，因此，在利用 WTI 绕组测温来对变压器进行测温时，会出现很大的数据误差，其主要原因有：第一，变压器顶层油温温度不及绕组冷却油道的温度；第二，变压器顶层油的时间常数要比冷却油道中的油的时间常数要长；第三，油循环系统并不能对负载的突然变化立刻做出反应4。由此可见，以往的 WTI 绕组测温方法在精准度上有所欠缺，即便在校准后的稳定状态下，其测算出的温度数据与实际数据还保有 10K 上下的误差，而在更为苛刻的负载条件下，此方法已经无法模拟绕组的真实温度，因此，利用更为先进的光纤测温技术，在光纤探头的帮助下，才可以更长期、精准的对变压器的绕组温度进行检测。3.2 光纤测温直接测量法 光纤测温技术是目前最佳的变压器线圈温度检测方法。它能够在变压器负荷不同的情况下对线圈温度进行准确检测。该方法的应用可以有效地消除温度测量可能出现的误差。具体包括以下几个方面：首先，可以避免热斑的散失和涡流的计算误差；其次，可以获取热区的温度和石油流量信息；第三，可以估计线圈在油表面的温度；第四，可以调整冷电平和抽头的位置；第五，可以模拟线圈的时变特性；第六，可以了解上层油液粘度对油液流动的影响。通过光纤测温技术，可以更准确、可靠地监测变压器线圈的温度情况5。在光纤测温法下利用光纤探头进行直接测温，可有效避免以上的不确定因素和难题，并且光纤测温法在任何苛刻的负载情况下，依旧可以对变压器的绕组温度进行监测，另外其使用寿命也远超变压器的工作周期，保障了变压器改造工程的稳定推进。4 光纤测温的应用系统 4.1 光纤光栅 纤维光栅是通过充分利用其材质的光敏性，通过UV 光的曝光将入射光的相干场模式写入纤芯中。这样，在纤芯中就会引起沿纤芯轴线方向的周期性折射率改变，从而形成一个永久的相位光栅。基本原理就是在纤芯中创建一个窄带的反射镜或过滤器。当一束较宽的光线经过纤维光栅时，符合布拉格准则的光线会被折射，而不符合准则的光线仍然会穿过纤维光栅。4.2 光纤光栅对于温度的灵敏性和应力 在外部压力和环境温度的变化下，光纤光栅中符合布拉格定律的波长会发生相应变化。当光线穿过 FBG时，符合布拉格准则的光线会被折射回入 FBG，而不符合准则的光线则会透过 FBG。如果将 FBG 嵌入到介质中，外部环境的温度变化就可以通过 FBG 传输到介质中，从而对介质中的光波进行调制。通过测量回波的波长，可以实现对变压器线圈的温度监控。研究结果表明，所研制的 FBG 具有较高的工作效率和稳定性。4.3 光纤光栅测温系统 光纤光栅温度测量系统包括信号解调器、光纤光栅传感器和宽频光源。它采用宽频带光源为温度计提供电力，并通过光纤光栅接收光源发送的数据，最后通过信号解调器将数据输出给外部设备。4.4 光纤探头传感器技术 光纤温度测量中常采用半导体材料 GaAs 作为传感元件。GaAs 是应用于电力变压器温度测量的先进技术，它利用半导体材料的吸光偏移和带隙波长等特性进行工作。随着环境温度升高，砷化镓的能隙波长宽度减小，吸收的本征波长增大，透过率曲线趋于长波，但形态不变。相反，随着外部温度下降，砷化镓的本征吸收波长减小，透过系数向短波偏移，但形态不变。当外部光源的光谱辐射强度不变时，砷化镓的总透射率随温度变化而变化。因此，通过测量透过砷化镓的光量强中国科技期刊数据库 工业 A 175 弱可以实现温度测量，这是半导体砷化镓纤维传感器的应用原理。该方法具有无需校正、稳定、精确等特点。光纤测温探头由石英纤维和砷化镓传感器构成，具有耐化学腐蚀、耐高温和绝缘性能。它能长期兼容变压器油，并在强微波、高射频、强磁场、高无线电波和高电压条件下正常工作，不受干扰，可实现精确温度测量6。5 光纤设备的制作与安装 5.1 光纤探头 在对变电设备进行改进时，用化学性能稳定，不易腐蚀，耐高温的光纤测温传感器代替了常规的温度表测量部件。另外，因为测温光纤是缠绕在变压器的内部，所以它大部分的时间都是在绝缘油的作用下，从而大大的缩小了光纤在进行绕组时的直径，缩小了其弯曲半径，并且大大的便于了安装。光纤测温传感器的引入为变电设备的改进带来了许多优势。首先，光纤测温传感器具有化学性能稳定、不易腐蚀和耐高温的特点，使其成为理想的替代品。相比于常规的温度表测量部件，光纤测温传感器能够提供更准确、可靠的温度测量结果。此外，由于测温光纤被缠绕在变压器的内部，它大部分时间处于绝缘油的保护下。这不仅使光纤测温传感器的直径大大缩小，也降低了其弯曲半径，从而方便了安装。在传统的温度测量装置中，由于受限于空间和形状的限制，安装和维护常常变得复杂和困难。而光纤测温传感器的引入解决了这些问题，使得安装变得更加简便和高效。5.2 制作垫块 在安装光导纤维探测器之前，必须先准备好光导纤维探测器所需的衬垫。确保衬垫的边沿要光滑平整，避免毛刺和尖锐的棱角，以免损坏光纤。在安装光纤探针时，要仔细准确地插入衬垫的沟槽，并确保光纤保持笔直光滑，防止在安装过程中出现打结和扭曲的情况。5.3 内外光纤的安装 可以将内部和外部的光学纤维固定在罐壁上。首先，在罐壁适当位置挖出一定数量的圆锥螺纹，以方便后续的罐壁贯穿件的装配。然后，在罐壁上进行钻孔，以便焊接连接片。最后，确保内部和外部光缆的连接便捷。5.4 绕组及铁心加光纤方案 某电力公司在本次变压器的改造过程中，使用了 8个光纤通道作为光纤测温的产品。根据变电所的实际条件，我们采用了 A、B、C 三相的高、中压方法进行了测温。具体的施工工艺如下：首先，在进行线圈套筒的施工之前，需要在三个高电压线圈的末端分别增加三根光缆。确定好纤维的定位后，将纤维探测器的末端进行紧固。接着，在靠近每个相位的地方分别加入了三根光导纤维。这些光导纤维的精确定位应该在与中压探头等效的纤维末端附近，并且以仪器为圆心的范围应该在 60-80 毫米之内。5.5 器身引出光纤方案 待确定好绕组引出的光纤位置后，在进行走线作业以及固定作业时，应保证光纤尽量远离可能致其损坏的尖角，从而确保光纤的完整性，为日后的顺利运行做保障。6 光纤测温的功能测试及效果应用 6.1 兼容性评估 电力公司完成变压器的改造后，对其电力设备改造后的硬件兼容性以及性能进行了评估。其实验结合了 高压试验中的一半技术要求 来实现验证。其具体的操作方法是在高温的油箱中放入温度传感器以及光纤探头，在进行一段时间的运行后，实验结果为并未发现光纤探头以及温度传感器等材料出现龟裂现象。6.2 温度测量的使用效果 电力公司在完成变压器的改造后，其电力设备在2011 年开始投入运行。多年来，其设备的各项指标均平稳安全。光纤测温法所测温度十分精准，传输速率极高，且通过安装在外部的光纤测温显示屏可直接观测变压器内部的实际温度，使用起来十分便捷。总结来说，该电力公司在进行变压器改造后，其设备在变压器测温方面具有了更高的准确性与灵敏性，且对于变压器内部的油温以及铁心检测变得更为方便。从实际运行该技术至今，该公司的电力设备始终保持良好运行，并在多年的使用后，其对于温度测量的精度以及对于数据传输的速率依旧保持在较高水准。7 结语 随着我国科学技术的不断发展，光纤测温技术是把先进的测量传感技术应用于电力系统的关键手段，其设备体现了我国电力行业正向智能变电发展的特征。作为变压器的智能组件，变压器的光纤测温系统满足中国科技期刊数据库 工业 A 176 了保护、监测、计量、控制、测量等功能。随着我国电力系统不断向智能化发展，光纤测温技术开始越来越广泛的应用于各类变压器，其重要性有目共睹，在不久的将来，光纤测温技术将会完全取代 WTI。参考文献 1付欢球,黄华,董玉明.光纤测温技术在高阻抗电力变 压 器 中 的 应 用 实 例 分 析 J.变 压器,2022,59(09):64-70.2鲁佳慧,万成功,金恺.分布式光纤测温系统精度和实时性优化研究J.激光杂志,2023,44(01):62-67.3张建华.分布式光纤测温系统的原理及应用J.设备管理与维修,2022,(08):125-127.4黄长江,肖家宾,李新堂.光纤测温技术现状研究及发 展 趋 势 J.电 力 信 息 与 通 信 技术,2022,20(02):102-108.5任赟,吴忠平,贺艳华.分布式光纤测温技术在电力管 道 火 灾 监 测 中 的 应 用 J.中 国 新 通信,2022,24(02):90-94.6王淼.油浸式变压器绕组热点预测及光纤测温J.东西南北,2020(4):163.