环氧树脂胶封的光纤传感器功能优化与变压器温度测量技术

张 琦

(国网盐城供电公司,江苏 盐城 224000)

近年来,随着我国电力技术的不断提升,电能为人们的日常生活和工业生产等带来了极大的便利。电能传输的重要设备为电力变压器,其是否能够正常运行对电力系统的安全性和稳定性起着关键作用。电能长时间运行和使用量的暴增,使得传统的变压器容量和安全性能无法满足当前范围不断壮大的电网规模。针对电力系统中变压器,已有大量学者和专家进行了深入探究。姚明亮等为实现电力系统中变压器工作状态的实时监测,提出了以双环光电振荡器作为基础传感器,设计并实现了1个光纤光栅传感系统[1]。通过此系统实现了变压器监测信号的频分复用和分析;周舟等提出了基于多模干涉原理,对当前市场上现有的新型光纤传感器特性进行了深入分析和研究[2];罗龙等针对变压器温度监测及故障预测问题,提出了将雾计算和随机森林算法相结合,通过融合算法实现变压器数据采集和特征提取,从而实现数据分类[3]。由以上分析可知,若该位置温度过高会导致变压器绕组间绝缘层材料性质发生破坏,且受到复杂的变压器工作环境干扰。基于此,提出一种基于光纤光栅传感器的变压器温度测量方法,并且在光纤光栅传感器的构建过程中,采用环氧树脂对传感器进行封装,以此提高光栅传感器的质量。

1 试验方案

为实现电力系统中变压器绕组热点温度的准确监测,提出以光纤光栅传感器作为信号数据采集设备,搭建一个变压器温度监测系统。系统主要由光路单元、解调单元和上位机显示单元3个部分组成[4];系统结构如图1所示。

图1 系统整体设计方案

由图1可知,光路单元由宽带光源、光环形器和光纤光栅传感器组成。宽带光源发出入射光后,即可通过光环形器将入射光传输至光纤光栅传感器中进行发射光数据采集;然后将采集的反射光传输至解调系统中[5]。解调系统中的解调单元即为FBGA解调模块,该模块主要负责对接收的入射光进行光—电信号转换,即进行滤波处理与信号放大,A/D信号采集和电信号的处理,并将解调系统与计算机中的上位机显示单元进行串口通信连接。最后即可通过上位机显示单元进行监测信息显示,以实现用户对变压器温度的实时准确监测。

2 系统功能设计

2.1 光路单元设计

2.1.1光纤光栅结构

基于光纤的纤芯,加入一个折射率变化,该变化具备周期性改变特性。由此可得到与光纤相同的分光效果,即光纤光栅。基于变压器绕组热点温度监测的实际需求,提出选用中心波长为1 550 mm,耗损为0.019 dB/m的光纤布拉格光栅[6];光纤布拉格光栅实物如图2所示。

图2 光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅(FBG)是光纤光栅中应用最多的类型,由于其具备的周期恒定和调制幅度不变的优点,可将其应用到变压器温度监测领域中作为传感器进行温度和应力测量[7]。FBG的内部结构主要由涂覆层、包层和纤芯3个部分组成。当FBG接收到入射光后,即可基于耦合理论对入射光进行反射和投射。

2.1.2光学器件

光路单元中,光学器件的选择对光纤光栅传感器的监测效果起着关键性作用。其中,带宽光源主要基于光谱带宽、输出功率和平展性进行光源选择。基于以上3个特性,选用在C波段表现较好的ASE光源作为带宽光源。

2.1.3基于C型弹簧管光纤光栅油位计设计

光纤光栅压力传感器主要分为膜片反射式和锯齿板周期稍微弯曲损耗式2种光强调制结构[8];这2种调制结构会导致监测灵敏度降低和监测范围缩短的问题。基于此,提出将C型弹簧管作为弹性元件,即将光纤光栅封装在C型弹簧管上,从而设计一种基于C型弹簧管的光纤光栅油位计,通过该传感器进行变压器油位变化监测。光纤光栅油位计结构如图3所示。

图3 光纤光栅油位计结构

由图3可知,在该部分中,考虑到光纤光栅的封装问题,在比较常用的粘结剂中采用环氧树脂进行封装。环氧树脂是一种由固化剂、环氧树脂基料、稀释剂等构成的用于工程的粘结剂。本研究利用环氧树脂置于图5的A处。在涂抹一定的环氧树脂后,会在光纤光栅层与弹簧管形成一层较为紧密的胶状结合体,从而提高了光纤光栅油位传感器的质量。

油位传感器的原理为:在变压器储油柜中,由于油位变化极大,不同油位会对储油柜产生相对应的压强,从而生成压强信号。将压强压力施加到C型弹簧管上即可使得C型弹簧管产生应变。将压力信号转换为压强信号,即可获得变压器油位变化信息[9];最后将此信息转化为对应的光纤光栅中心波长漂移变化,实现变压器油位实时监测。

2.2 FBGA调解单元设计

FBGA调解模块是一种测量光谱的器件,也可称之为FBG分析仪。FBGA模块具备体积小、携带方便、能耗低和可靠性高的优点,在光纤光栅测温系统中得到广泛应用。该模块可采用USB或RS232串口进行数据传输,作用是采用其内部结构中的准直透镜、聚光透镜和光探测阵列等将光信号转换为电信号,然后采用电处理单元对转换后的电信号进行处理[10]。FBGA调解模块内部结构如图4所示。

图4 FBGA调解模块内部结构

FBGA调解模块主要采用50针连接器与主机进行连接。

2.3 上位机单元设计

为实现光纤光栅传感器的变压器光谱图和温度显示,提出采用Labview软件编程进行上位机软件设计和开发。该开发环境中,主要采用具备便捷性和高效性的虚拟仪器技术进行变压器温度测量;具体结构如图5所示。

图5 虚拟仪器组成结构

由图5可知,虚拟仪器系统由2个部分组成,分别为硬件部分和软件部分。其中,2个部分的主要作用分别为捕获、传输信号和基于用户需求设计出相应的测试仪器[11]。上位机程序中进行数据采集前,需进行模块初始化操作,即打开设备后,获取设备序列号、设备像素、设备固件版本和DLL版本。然后对DLL进行调用并配置参数,以得到光谱波长和光功率信息;之后即可采用上位机程序对峰值波长进行检测[12]。

3 试验结果与分析

3.1 温度测量误差分析

为验证本系统对变压器的温度测量效果,实验将对该系统进行测温实验误差分析。其中,实验从20 ℃开始不断地增加15 ℃。分别进行4次温度值测量,由此得到本系统测量值与实际测量值的平均误差曲线,结果如图6所示。

图6 误差曲线图

由图6可知,在温度为35 ℃时,系统测温最低误差为0.19 ℃;在温度为80 ℃时,系统测温最大误差为0.42 ℃,且多次测量后的误差均控制在0.5 ℃以下。由此说明,采用本系统可实现变压器温度准确测量,采用光纤光栅传感器可取得较高的温度测量精度。进一步证明系统标定结果具备准确性和可行性。

3.2 油位测定结果

3.2.1光纤光栅油位计传感实验设置

为验证设计的光纤光栅油位计传感效果,实验将选择承受压力设置在0～0.1 MPa的C型弹簧管作为光纤光栅封装基底。光纤光栅应变传感实验结果如图7所示。

图7 光纤光栅应变传感实验

由图7可知,光纤光栅应变传感实验主要由充气泵、压力表校验器、引压导管、光纤光栅油位计、光纤光栅解调仪和计算机组成。油位计的传感元件选用中心波长为1 535.97 nm和光栅长度为10 mm的光纤光栅传感器。该传感实验通过光纤光栅调解仪进行光纤光栅波长变化采集,采用计算机接收传感器数据。

3.2.2光纤光栅油位计传感实验数据分析

为验证油位计的传感效果,实验将环境温度设置为24 ℃,在C型弹簧管上进行加压。分别从0 MPa开始,至0.1 MPa停止施压,每增加0.05 MPa 做一次实验记录,重复加压实验3次;然后从0.1 MPa开始,至压力表读数为0 MPa停止放压,每减少0.05 MPa做一次测量并记录,分别进行3次加压和减压试验。由此得到压强拟合数据和中心波长漂移量拟合数据,结果如表1、表2所示。

表2 光纤光栅油位计油位实验拟合数据Tab.2 Fitting data of fiber bragg grating oil level gauge oil level experiment

由表1可知,该油位计3次加压和3次减压的拟合度线性拟合度均值分别为0.965 4和0.978 5,均接近于1。3次加压和减压的灵敏度均值分别为5.13、5.06 nm/ MPa。由此说明,该油位计加压和减压的误差控制在合理范围内。

由表2可知,油位计3次油位升高和降低的线性拟合均值分别为0.982 5和0.961 7,均接近于1。油位上升和下降的灵敏度均值分别为5.18、5.52 nm/ MPa。综合分析可知,油位计油位升高和下降的线性拟合值控制在误差允许范围内,灵敏度较高,满足变压器温度测量需求。

4 结语

基于光纤传感器的变压器温度测量系统具备可行性和有效性,可通过光纤光栅传感器进行变压器温度准确测量,提升了变压器温度测量精度,降低了电力安全事故的发生率。其中,将光纤光栅测温系统硬件部分与软件部分进行连接后,可实现变压器测温系统整体搭建,进行标定试验后可知,传感器监测温度与波长二者间具备正相关关系,通过波长变化可实现温度分析。进行油位计传感实验分析可知,变压器温度计的线性拟合度和灵敏度均控制在合理范围内,线性拟合度十分接近于1。综合分析表明,该温度和油位计可实现变压器的准确测量。