基于光纤光栅传感器的变压器卷铁心温度监测方法研究

龙 剑

（湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421000）

0 引 言

智能电网中，电力变压器已成为不可缺少的装备。变压器的运行直接影响人们的生产生活[1-2]。为更好地检测变压器的状态，需对变压器进行可控检测。变压器的寿命长短主要取决于绝缘能力。变压器的实际运行中，变压器的温度影响其绝缘能力，因此通过检测变压器温度推断变压器的寿命[3]。变压器运行时，铁心温度可直接反应内部温度，因此急需一种能够准确检测铁心温度的检测方法[4-5]。

目前，检测铁心温度的方法主要分为3种，热模拟测量法、间接计算测量法及直接测量法。鲍俊花等人提出使用热模拟测量法测量绕组温度[6]。该方法因简单而被广泛使用，但模拟过程和温升过程误差较大，导致预测结果不能精准反应绕组温度。Tajdinian等人提出间接计算法来测量绕组温度[7]。该方法简化了变压器的热特性分布，计算简单且具有一定精度，但计算结果会受绕组热点的影响。Gu等人提出使用直接测量法直接测量绕组温度[8]。该方法能准确反应变压器内部的温度变化趋势。直接测量法主要包括电信号传感器测试法、红外测温测试法及光纤测温测试法。

Miczulski等人提出使用电信号传感器测量法直接测量变压器内部温度，但电信号传感器寿命短，受电磁影响大，测试结果不能准确反应内部温度[9-10]。Li等人提出了红外测温测试法[11]。该测试法使用红外线测试，但易受电磁影响，且不能及时将测试结果传回，无法实现实时监测功能。Jiang等人提出了一种光纤测温测量法[12]。该方法由于测量精度高而得到广泛应用。但该方法应用于变压器测温时，只能根据经验来放置光纤传感器，从而造成测温点数量少和测温点分布不均匀等问题。

针对目前直接测量法存在的测温点数量少、测试点分布不均及不能实时传输测量结果等问题，本文提出一种基于光纤光栅传感器的变压器卷铁心温度监测方法。此方法可提高目前的变压器内部温度检测水平，增加变压器的使用寿命，减少变压器故障率。

1 光栅传感器原理

光纤光栅传感器（Fiber Grating Sensor）是一种波长调制型光纤传感器，通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、体积小及传输损耗小等优点。

光纤光栅具有热光效应和热膨效应，将会直接影响光纤光栅的温度特性。当光纤光栅发生热光效应时，对应光栅的有效折射率将会产生改变。如果光栅的栅格周期发生变化，就表明光纤光栅发生了热膨效应。如果温度和布拉格波长发生变化，就表明热光效应和热膨效应均在光纤光栅上产生[13]。因此，光纤光栅的温度效应可表示为：

其中，α表示光纤光栅的热膨系数，取值为5.5×10-7；λ表示光纤光栅的热光系数，取值为5.5×10-6。

光纤光栅不仅能测量温度，还能测量应变。光纤光栅的应变特性主要受弹性效应和弹光效应影响[14]。弹性效应会对光纤光栅的栅格周期产生重要影响，而弹光效应会改变光纤光栅传感器的有效折射率。因此，光纤光栅的弹性效应可表示为：

其中，Pe表示光纤光栅的有效弹性系数，取值为0.22。

因此，当测量变压器内部温度时，应减小应变特性对光纤光栅温度特性的影响。

2 设计方法

基于光纤光栅传感器的铁心温度监测系统主要分为传感器嵌入变压器、温度检测系统及传感器传输系统。对本文提出光纤光栅卷铁心温度测量法（Fiber Grating Core Temperature Measurement，FGCTM）、电信号传感器测量法（Electrical Signal Sensor Measurement，ESSM）、红外测温法（Infrared Temperature Measurement，ITM）及光纤测温法（Fiber Optic Temperature Measurement，FOTM）进行对比分析，评估各方法的预测精度。本研究的具体流程如图1所示。首先进行温度检测，然后传输温度信号，并使用计算机显示结果，最后对不同测试方法进行评估，选择最优测量方法。

图1 研究流程图

2.1 温度检测系统

传统温度检测具有测温难、测温点少及测试方法抗干扰能力弱等问题。因此，本研究提出了将光纤光栅传感器嵌入变压器铁心的方法，通过光纤光栅传感器采集温度数据，并传输采集信号。由于光纤光栅传感器尺寸小，抗干扰能力强，能在高温高压环境下正常工作，所以完全可嵌入到变压器内部。首先采用光纤预拉伸工具对光纤光栅进行预拉伸，然后对操作后的光纤进行镀金。由于光纤光栅传感器具有温度特性和应变特性，为提高光纤光栅传感器的测量精度，需减小应变特性的影响，并改善热膨系数来提升灵敏度。由于铝合金的热膨系数高，所以可以通过刚性焊接技术将光纤光栅传感器和铁心的铝合金基底进行结合，从而提升光纤光栅传感器的测量性能。使用工具对铁心的背面进行开槽工作，槽的大小适中，不影响铁心的正常运行。铜扁线包纸过程中，采用引导装置将光纤引入铜扁线所开设的小槽中，同时预留光纤尾纤，用于引出传感信号[15]。

2.2 传感器传输系统

本研究采用波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM）和空分复用技术（Space Division Multiplexing，SDM）。波分复用技术是在一根光纤上让两种或者多种信号均通过不同信道进行传输，且互相不受影响。这种传输方式可使光纤传输更多信息。空分复用技术是将多根光纤进行合并，共同组成多个信道且每个信道相互独立，信号在对应信道上进行传输。通过采用波分复用技术和空分复用技术，可使有限光纤最大化传输信息，能有效解决变压器内部测温点少的问题。首先通过光纤光栅传感器采集检测数据，然后传输到解调仪，解调仪将波长信号转换为数字信号，计算机接受信号后并显示实时检测结果。具体流程如图2所示。

图2 检测流程图

3 仿真分析

为验证本研究提出的FGCTM测试法的精准度，将与ESSM测试法、ITM测试法及FOTM测试法进行对比仿真。仿真环境为Matlab 2016a simulink，通过改变温度来比较不同测试法的精准度。本研究采用平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）来评估测试法[16]。其中，MAE反映了不同测试方法的准确度，RMSE反映了不同温度下，预测值与真实值的偏离程度。MAE与RMSE的定义分别为：

其中，N是测试样本大小，yi为真实值为预测值。

图3为不同测试法的平均绝对误差。由图3可知，FGCTM测试法的测试性能明显优于ESSM测试法、ITM测试法及FOTM测试法。不同温度下，FGCTM测试法的平均绝对误差值最小，即FGCTM测试法的准确性最高。使用FGCTM测试法测试不同的温度，平均绝对误差值波动很小，表明FGCTM测试法稳定性很好。

图3 不同测试法的平均绝对误差

图4为不同测试法的均方根误差。由图4可知，通过FGCTM测试法、ESSM测试法、ITM测试法及FOTM测试法的对比，FGCTM测试法测得的数据更接近于真实值，误差更小，测试更稳定。不同温度下，FGCTM测试法波动很小，能得到最佳的测试效果。

图4 不同测试法的均方根误差

4 结 论

为解决变压器测温难和测温点少的问题，本文提出了一种基于光纤光栅传感器的变压器卷铁心温度监测方法。将光纤光栅传感器嵌入变压器铁心，采用空分复用和波分复用的方法将传感器信息传入解调仪，解调仪将波长信号转换为数字信息并传入计算机，实现实时监控的功能。仿真结果表明，与ESSM测量法、ITM测量法及FOTM测温法相比，本文提出的FGCTM测量法能有效提高变压器内部温度的检测精度。由于光纤光栅传感器具有体积小、抗电磁干扰能力强及绝缘性好等优点，能持续完成高密封度、高压设备的实时温度监测，所以可应用于其他温度检测。