主變壓器繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2015-02-12
電力變壓器是變電站的重要設(shè)備，承擔(dān)著電網(wǎng)的升壓、降壓和電壓調(diào)節(jié)等重要任務(wù)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)的不斷提高，變壓器容量的不斷增大，其故障率也有所增加。
１ 傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)存在不足
電力變壓器是變電站的重要設(shè)備
，承擔(dān)著電網(wǎng)的升壓、降壓和電壓調(diào)節(jié)等重要任務(wù)。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)的不斷提高，變壓器容量的不斷增大，其故障率也有所增加。主變壓器（以下簡(jiǎn)稱主變）溫度作為其運(yùn)行狀況的一個(gè)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo) ，特別是變壓器運(yùn)行在高溫、高負(fù)載時(shí)，更加關(guān)系到主變的安全運(yùn)行
。因此
，對(duì)其進(jìn)行在線診斷
，了解主變線圈內(nèi)部的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況
，使得主變測(cè)溫系統(tǒng)倍受重視。在傳統(tǒng)主變測(cè)溫技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛且最具代表性的是熱敏電阻電橋測(cè)溫方式和鉑電阻測(cè)溫方式。雖然傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)在現(xiàn)階段中應(yīng)用普遍，但其仍存在一定的局限。比如，熱敏電阻方式，其變化率為非線性，不適合測(cè)量高溫區(qū)。而Ｐｔ１００（鉑電阻）雖然測(cè)量精度高，線性度好，但熱響應(yīng)慢，耐振動(dòng)和耐沖擊性差。再如，傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)均是基于電信號(hào)傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)，而變壓器內(nèi)部由于存在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)，使得這類電信號(hào)的傳感器極易受電磁干擾，其數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確性很難得到保證。
２ 光纖測(cè)溫新技術(shù)
為了克服傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不足
，推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程，許多設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，性能優(yōu)良而且日益完善。光纖測(cè)溫技術(shù)在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中應(yīng)用，已經(jīng)取得可喜業(yè)績(jī)，其顯著的光學(xué)特性，可使傳感器與系統(tǒng)的其他部分實(shí)現(xiàn)電氣分離，從而提高傳感器設(shè)計(jì)上的靈活性和安全性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)主變?cè)诰€遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量，解決變壓器內(nèi)部線圈熱點(diǎn)溫度盲區(qū)的監(jiān)測(cè)問(wèn)題
。
２．１ 光纖測(cè)溫原理及特點(diǎn)
任何光學(xué)特性隨溫度改變而發(fā)生變化的材料，基本上就構(gòu)成了一個(gè)光學(xué)溫度傳感器的基礎(chǔ)
。其中，隨溫度變化的參數(shù)包括吸收率或其傳輸性能
、反射率
、折射率
、偏振程度以及發(fā)出的熒光或磷光等。光纖測(cè)溫技術(shù)最初是由氧硫化斕作為磷光體傳感器。隨著磷光物質(zhì)的溫度升高，不發(fā)光的馳豫過(guò)程占顯著的地位，因而發(fā)光強(qiáng)度也隨之減弱。稀土元素磷光物發(fā)出的熒光是由三階銪離子不同的激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的光譜線條組成，不同譜線的發(fā)光強(qiáng)度之比與激勵(lì)條件和寄生損耗的波動(dòng)無(wú)關(guān)，但與溫度有關(guān)。因此，該比值可提供準(zhǔn)確的溫度信息。但是該技術(shù)成本昂貴，實(shí)際工程項(xiàng)目不宜采用。
隨著光纖測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展
，目前采用一種能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)按指數(shù)衰減熒光的材料作為傳感器，所使用的材料，具有耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)電磁干擾，數(shù)據(jù)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且性價(jià)比合理，批量生產(chǎn)，適用于工業(yè)溫度測(cè)量領(lǐng)域。高效磷光體傳感器選用４價(jià)錳離子激發(fā)的氟鍺酸鎂作為傳感器材料
。紅色可輻射磷光體傳感器由可見(jiàn)的短波以及紫外輻射所激發(fā)，如圖１所示
，同時(shí)給出用于區(qū)分激發(fā)與熒光輻射的兩個(gè)濾鏡處的透射光譜。
通過(guò)測(cè)量熒光的衰減率可以進(jìn)行溫度測(cè)量
，介于初始信號(hào)電平Ｓ１與衰減信號(hào)Ｓｔ／ｅ的時(shí)長(zhǎng)就是衰減時(shí)間
，如圖２所示。隨溫度變化的衰減時(shí)間的合成變化
，如圖３所示。光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以采用低能發(fā)光二極管作為圖２ 磷光體傳感器的熒光強(qiáng)度與衰減時(shí)間的關(guān)系圖３ 氟鍺酸鎂傳感器的衰減時(shí)間與溫度的關(guān)系光源
，當(dāng)光電探測(cè)器接受到磷光體傳感器所產(chǎn)生的熒光后
，經(jīng)過(guò)微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算衰減時(shí)間后
，將返回的熒光強(qiáng)度按溫度的形式反映出來(lái)
。
２．２ 光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用
沈變作為國(guó)內(nèi)最有影響力的變壓器生產(chǎn)單位
，在線測(cè)溫技術(shù)是其考慮的重點(diǎn)
。設(shè)備狀態(tài)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠更有效地提升設(shè)備運(yùn)行安全性
。為此，沈變采用主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫新技術(shù)
，用以監(jiān)測(cè)主變的常規(guī)油溫以及繞組內(nèi)的熱點(diǎn)溫升
。
２．２．１ 光纖測(cè)溫系統(tǒng)整合
主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采樣和分析報(bào)警功能（包括硬件和軟件）
，并能與智能組件的通信組件進(jìn)行鏈接
。將主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入智能設(shè)備（ＩＥＤ）后，上傳到站控層的數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)主變繞組熱點(diǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行預(yù)診斷分析。站控層主要由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成，提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)界面
，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)（包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)等）和設(shè)備的綜合評(píng)估分析
、輔助決策等功能
，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器與自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)一體化集成
，主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的軟件也整合到狀態(tài)分析系統(tǒng)中
。
２．２．２ 光纖測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)建
由于測(cè)溫光纖需要繞制在變壓器內(nèi)部
，長(zhǎng)期浸泡在絕緣油中
，因此選用聚四氟乙烯與凱弗拉爾制成光纖外套，并采用高功率的發(fā)光二極管
。這樣可以減小光纖繞制線圈的直徑，具有更小的彎曲半徑
，便于光纖在主變繞組內(nèi)的繞制與安裝
。經(jīng)過(guò)對(duì)光纖測(cè)溫設(shè)備市場(chǎng)的調(diào)研
，沈變采用國(guó)內(nèi)西安和其光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖控制器
。該公司是國(guó)內(nèi)光纖測(cè)溫領(lǐng)域的先鋒，擁有數(shù)百臺(tái)變壓器繞組熱點(diǎn)光纖溫控器的安裝經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)
。
１）光纖溫控器 4通道
，測(cè)溫范圍為－３０～２6０℃，測(cè)溫精度為±1℃
，溫度分辨率為０．１℃
，采樣速度為５０ｍｓ，可同時(shí)顯示6個(gè)通道數(shù)據(jù)
，模擬輸出6路（４～２０ ｍＡ）
，環(huán)境溫度為－４０～７０℃，輸入交流電源為５０Ｈｚ
，１１０～２４０Ｖ，光源壽命為３０年
，通信協(xié)議支持ＩＥＣ?div id="jfovm50" class="index-wrap">。叮保福担?div id="m50uktp" class="box-center"> 。
２）光纖傳感器 傳遞變壓器內(nèi)部的溫度信號(hào)
，適應(yīng)各種苛刻的化學(xué)環(huán)境
，不受變壓器高壓及電磁干擾的影響。測(cè)溫范圍為－４０～２6０℃
，響應(yīng)時(shí)間小于０．２５ｓ，溫度分辨率為０．１℃
，光纖護(hù)套采用雙重特弗綸護(hù)套凱弗拉爾保護(hù)
，無(wú)電磁干擾，傳感器內(nèi)徑為１．５ｍｍ
，螺旋外套直徑為2.8ｍｍ，使用壽命為３０年
。
３）殼體貫通器 材料為３０４不銹鋼
，最大壓力為６８９．６ｋＰａ，最大真空小于１３３．３２２×１０－３Ｐａ
，最高工作溫度為１８０℃
。
２．２．３ 光纖測(cè)溫系統(tǒng)安裝
光纖及探頭在主變線圈中的正確安裝，對(duì)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要
。對(duì)于心式主變
，首先選擇所需的徑向墊塊并斜向開(kāi)槽
，再采用ＧＯＲＴＥＸ包裹探頭置于槽中
，以增強(qiáng)探頭的安全性和靈活性，最后將該徑向墊塊放于主變線圈最熱部位的導(dǎo)線相鄰位置
。當(dāng)心式主變壓器線圈裝配接近完成時(shí)
，將嵌入探頭的徑向墊塊裝入線圈
，并在油箱內(nèi)部的光纖外部貼緊套上絕緣紙管
，確保油箱壁貫通器的位置遠(yuǎn)離今后例行檢修的位置。
主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)主變4個(gè)點(diǎn)的溫度
，4根光纖由主變內(nèi)部引至安裝盤(pán)上的貫通器，由4根光纖通過(guò)導(dǎo)線槽引至光纖溫控器
，溫控器上顯示4個(gè)點(diǎn)的溫度。
主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫系統(tǒng)安裝示意圖，如圖4所示
。 
圖 4 測(cè)溫系統(tǒng)安裝
沈變主變繞組熱點(diǎn)的光纖測(cè)溫安裝位置
，根據(jù)運(yùn)行要求并結(jié)合測(cè)溫設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，定為高壓繞組、中壓繞組、頂層油溫、底部油溫，涵蓋了主變的所有重要區(qū)域，讓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷功能得以真正實(shí)現(xiàn) ，從而降低主變繞組遭受破壞的概率
，延長(zhǎng)主變的使用壽命。
３ 結(jié)語(yǔ)
主變繞組熱點(diǎn)光纖測(cè)溫技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)
。光纖具有體積小、重量輕
、柔軟可繞
、電絕緣性能好
、不受電磁干擾
、可在易燃易爆環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的測(cè)量主變頂層或底層油溫的方式不同
，光纖測(cè)溫技術(shù)可以通過(guò)直接放在主變繞組中的傳感探頭
，在線準(zhǔn)確測(cè)量“熱點(diǎn)”溫度
，且毋需校準(zhǔn)
，給電力客戶提供了一種直接、快速的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)
。隨著電子式傳感器信號(hào)處理設(shè)備可靠性的提高，單個(gè)器件價(jià)格的降低
，光纖繞組測(cè)溫技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛
。
2015年2月12日發(fā)布
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