1、光纤光栅温度监测仪在变压器热点远程监测中的应用第 21 卷第 6 期2008 年 12 月山东科学SHANDIDNGSCIENCEVoj.21No.6Dec.2O08文章编号:l(XI2-4(N(200800-0055.03光纤光栅温度监测仪在变压器热点远程监测中的应用魏玉宾,王哲,刘统玉,李淑娟,王昌(1.山东省科学院激光研究所,山东济南 250014;2.山东微感光电子有限公司 ,山东济南 250014)摘要:介绍了一种新型光纤光栅温度监测仪用于变压器热点的温度监测 ,仪器采用先进的光纤光栅传感技术,具有不受电磁干扰,远程监测,精度高等优点,尤其适合变压器这种高压,强磁场的环境.在多个变电
2、站投入使用,取得令人满意的测量效果,较好地解决了传统变压器测温设备测温不准的缺陷.关键词:光纤光栅;在线监测;远程监测;变压器热点中图分类号:TM930.126 文献标识码:ATheApplicationofaFiberBraggGratingTemperatureDetectorintheLong-DistanceSurveillanceofTransformerHotspotsWEIYubin,WANGZhe,LIUTongyu,LIShu-juan,WANGChang(1.InstituteofLaser,ShandongAcademyof,J/nan250014,China;2.Sha
3、ndongMicro-sensornLimited,J/nan250014,Ch/na)Abstract:Atransformerisakeyequipmentofanelectricalsystemanditslong-termonlinesurveillanceisquitesignificant.ThispaperintroducesanewffierBragggratingtemperaturedetectortosurveilthetempematreoftheatransformerhotspot,inwhichweemployanMvancFBGsingtechnology,an
4、dwhichhassuchpositivesaselectromagneticinterferenceimmunity,long-distancesurveillanceandhJghaccuracy,especiallysuitablehasbeenforsuchsce/la/loashiglvdtageandstrongmagneticfield.Itputintopracticeinmanysubstationsandthesatisfactoryresultshasbeenachieved,anditisabetterthesolutiontotheproblemoftheinaccu
5、racyofothertraditionaltemperaturedetectors.Keywords:fiberBragggrating;onlinesurveillance;long-distancesurveillance;transforlTlerhotspot电力变压器是供电系统中的一个重要设备,变压器自身温度变化会直接影响变压器的安全运行以及电网系统的稳定,因此实时监控变压器的运行温度对电网系统显得非常重要.随着无人值守变电站的推行,必然使变压器的远程温度监测的需求日益增大.目前的变压器的温度检测设备多是基于热电偶,热电阻等电类传感器,这种测温方式易受电磁干扰,传输距离,导线电阻等
6、因素影响,使测量产生误差,特别是远距离传输经常会导致测量产生 1O20误差,由此就不能起到很好保障变压器安全的作用_1I2.本文研制的光纤光栅温度监测仪采用先进的光纤光栅测温技术,具有绝缘度高,不受电磁环境影响,适合远距离,高质量信号传输,测量精度高等优点,特别适合电力这种高电压,强磁场的环境使用,从根本上解决了传统变压器测温设备的缺陷,为电力变压器的安全运行提供可靠的技术保障.收稿日期:2008-08-09基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(2006AA06Z213).作者简介:魏玉宾(1981 一),男,博士研究生,主要研究方向:光纤传感系统.E-mail:.56 山东科
7、学 2008 盘1 温度检测原理变压器在运行中产生的损耗几乎都转化为热能,一部分散到周围介质中,一部分加热了铁心,绕组,使纯缘强度下降,寿命缩短,甚至发生热击穿.变压器发生短路或冷却系统出现故障时,绕组温度急剧上升,甚至可能烧毁变压器.对温度的监测可以反映缺陷或故障.如果对变压器油温和绕组温度进行实时监测,可及时发现故障的严重程度及发展趋势,提早对故障的发生采取预防措施.光纤传感技术是上世纪 70 年代末兴起一种先进的多学科交叉技术.经过三十多年,特别是过去十月年的发展,目前已经研制出两千多种基于光纤的传感器.光纤传感器与常规的电子类传感器相比有许多猁特之处 J:(1)以光作为传感信号基本不受
8、外界电磁场干扰,长期漂移小,测量精度高,因而可用来作长期可靠的话续在线检测;(2)由于不带电,因而适于在电力,煤矿,石油,天然气及其它化工行业进行安全和生产状态参数的监测(3)由于采用光纤传输,可以超远程监测;复用能力强,可实现对一线多点,两维点阵或空间分布的连监测.光纤传感器的上述独特点,特别是一根光纤可以对多个点做多变量测量的能力,是电子类传感器很难现的.在具有强电干扰,高压,易燃易爆等恶劣环境下,传统的电子传感器有很多局限性.光纤光栅温度监测仪所用温度传感器采用一种叫光纤 Bragg 光栅(FBG)的光学无源器件,是一种反射式光纤滤波器件,通常采用紫外线干涉条纹照射一段 10mill 长
9、的裸光纤,在纤芯产生折射率周期调制,光波导内传播的前向导模会与后向反射模式进行耦合,形成 Bragg 反射,即产生了一个窄带的反射峰.窄带反射峰的中心波长称为 Bragg 波长 ,研究表明: 光纤光栅的空间折射率调制1527.815281528.21528.41528.61528.8波长/nm图 1 光纤光栅中心波长随温度变化曲线周期和纤芯的有效折射率均可引起光栅 Bragg 中心波长的改变.因此,通过一定的封装设计,使外界温度应力和压力的变化导致光栅中心波长发生改变,即可使 FBG达到对其敏感的目的 b.光纤光栅中心波长和温度有着非常好的线性关系,见图 1.由于光纤光栅本身非常脆弱,容易损坏
10、,因此根据变压器热点温度监测的位置,对光纤光栅进行了相应的封装,从而使探头可靠,耐用.光纤光栅本身是一个非常细小的器件,可以根据不同需求进行不同的封装.图 2 是一种用于高图 2 用于变压器油温监测的光纤传感器压变压器油温监测的传感器,可以方便的安装在变压器油温监测孔内.2 光纤光栅温度监测仪光纤光栅温度监测仪主要有测温主机,探头,连接光缆组成.主机采用了山东微感光电子有限公司的 E行研制的低成本光纤光栅温度监测仪,仪器可以实现 18 个光纤光栅传感器的解调,系统具有l的温质测量精度.测温主机具有按键和液晶显示.温度数据可以直接从主机的液晶屏上得到,也可以通过 RS232/RS48:接口和上位
11、主机连接,从而方便地接入变电站现有的监测系统中.通讯软件采用了电力上常用的 CDT 通讦规约,可以直接接人电力监控机房的规约转换器.通过按键可以对主机的一些参数(如主机地址)进行现扬舳如加 mOp赠第 6 期魏玉宾,等:光纤光栅温度监测仪在变压器热点远程监测中的应用 57修改.测温主机的主要技术指标如下:(1)量程:0160oe;(2)精度:1 ;(3)分辨率:0.1 ;(4)光纤传输距离:小于 10km;(5)通讯:RS232 通讯方式,标准电力 CDT 通讯规约;(6)显示:lED 液晶显示器.由于光纤光栅温度监测仪采用全光设计,具有一图 3 系统结构图些独特的性能特点:(1) 传感器到主
12、机全光设计 ,对电力这种高压,强电磁场环境适应性极强;(2) 由于测量距离远,从探头到监测仪器可以有数公里的测量距离,而不影响仪器性能;(3)使用寿命长,可以实现长期的稳定监测.光纤光栅温度监测仪已经在广州供电局景泰等变电站进行了现场应用,用于变压器顶层油温监测,取得了比较好的测量效果.经过长期的监测,仪器显示稳定,和现场的变压器自带铂电阻温度传感器显示值比较,温度趋势基本一致.证明了光纤温度传感系统具有较好的性能,可以在线进行远程温度监测,避免了传统传感器远传造成的较大误差.3 结束语电力变压器是电力系统的关键设备,在变压器运行的过程中,在线监测变压器绕组,油温等热点的温度变化,对保证变压器
13、的安全有着重要意义.光纤光栅温度监测仪利用本身的优良特性完全可以替代现有的变压器温度监测设备,更好的保证电力安全.光纤光栅温度监测仪已经在多个变电站得到应用,实践证明:它的可靠性好,测量精度高.相信随着电力保障安全的加强,光纤温度检测设备一定会得到广泛的应用.参考文献:1周鸥,凌霞 .变压器测温装置的缺陷管理J.变压器,2005,42(2):29 31.2代蓉春.变压器远方测温技术探讨J.中国测试技术,2005,31(6):80 83.3绕云江,王义平 ,朱涛.光纤光栅原理及应用M.北京:科学出版社,2006.4郭碧红,杨晓洪 .我国电力设备在线监测技术的开发应用状况分析J.电网技术,1999,23(8):65685赵勇.光纤光栅及其传感技术M.北京:国防工业出版社,2007.6廖延彪.光纤光学 M.北京 :清华大学出版社,2000.7张志鹏,GAMBLINwA.光纤传感器原理M. 北京: 中国计量出版社,1991.
