光纤测温

干式变压器荧光式光纤温控器解决方案

干式变压器荧光式光纤温控器解决方案概述 传统以Pt100作为测温传感器的《变压器用电子温控器》(JB/T7631-2016)规定的测量范围只能局限在1000V以下，且该传感器为金属材质，存在安全隐患。因此测量变压器绕组温度的温度传感器探头及引线有更高要求。 光纤温控器使用我公司自主研发的荧光式光纤温度传感器作为测温传感元件。此测温传感元件对电磁干扰免疫、耐高压（100KV/光纤对地引出线距离0.4m）。荧光式光纤测温从测温源头上彻底解决了可能存在的安全隐患问题，提升了变压器的安全等级。 干式变压器荧光式光纤测温系统目标 针对干式变压器的运行环境，从供电电源、信号输入端、信号输出端和温控箱外壳，实现与外界电气干扰信号的隔离与屏蔽。 无任何金属物质，本质安全。 针对震动、灰尘、潮湿、油污等现场工作环境，采取多层的防护措施使光纤温控器具有良好的电磁兼容性，保证了温控器的运行稳定、可靠。 干式变压器荧光式光纤测温主机设计原则 实用性原则 系统建设坚持实用性原则，在实用的基础上考虑了先进性和前瞻性，选用符合标准的，先进成熟的产品和开发平台，构建一个切合实际、解决实际问题的系统。 标准化原则 应用建设所采用的系统软硬件平台和应用开发工具应符合国家标准、信息产业部标准、公司相关技术规范和要求。 统一性原则 遵循信息集中管理、统筹规划、整体设计、分步实施的方针，在实施过程中体现四统一原则：统一领导、统一规划、统一标准和统一组织实施。 可靠性原则 软硬件资源需要保障光纤测温系统的7×24小时不间断、可靠运行，因此必须配备完善的可靠性措施设计，保证系统运行的高度可靠，充分考虑系统关键应用的可靠性要求。 可靠的安全机制 本系统采用一系列安全的加密措施，内置64位加密算法,系统的安全性更高能够有效防止数据的泄漏和窃取，保证系统的数据安全、准确和完整，防止非法操作员的操作和合法操作员非法的操作。 操作界面简洁、友好，智能化程度高 系统对输入的数据自动进行合法性检查，对操作人员的误操作也进行了友好的提示。 运行稳定，数据可靠。 平台操作简便，易于掌握，安装过程简单。可以将数据按需要自动生成各种报表，提高管理效率。 荧光式光纤测温原理 光纤探头由ST接头、光纤光缆、末端感温端三部分组成。ST接头是与光电模块的连接部分；光纤光缆为传光部分，内部为石英光纤，石英光纤外部有涂覆层和包层，最外部为特氟龙保护套；末端感温端含有感温稀土材料，受固定波长光线照射后激发荧光。激励停止后，荧光余辉的衰变时间常数和温度的关系是类指数函数。通过测量余辉的时间常数即可求得温度；光纤整体耐200℃高温，外表直径为3mm。长期弯曲半径13.2cm。短期弯曲半径4.4cm 传感器探头材质稀土荧光物质，相比其他光纤温度测量原理，其最大优点就是温度测量与光强无关。在硬件上对荧光强弱、光路衰减以及电路漂移的不一致性具有较强兼容性。也因此不受电磁场干扰、耐受高压，非常适用于高电压、强磁场、易燃易爆的测温场合。 干式变压器光纤温控器布线安装介绍 1.1 结构框架 系统由荧光式光纤温控器、荧光式光纤探头及光纤通讯软件三部分组成。 结构拓扑图如下： 后台系统与测温终端之间的数据传输采用RS485通讯方式。 所有的数据采集、管理、温度显示都由通讯软件来完成，系统主要实现对测量温度的数据采集及监控。光纤测温终端集成多通道荧光式光纤，提供对外的RS485通讯，抗干扰，耐腐蚀设计。 干式变压器光纤温控器系统应用功能 1.1 实时监测 可根据客户需求设定数据采集密度，系统根据设定的参数定时采集数据，然后将以表格形式显示或绘制曲线方式显示，达到实时监测的目的。实时监测设备工作状况;实时监测记录电抗器温度情况。 1.2 基本功能 1）温度数据查询 1、可以查询指定日期的温度数据，可以浏览、打印、导出到EXCEL。 2）历史温度数据存储 1、永久记录温度数据 干式变压器光纤温控器介绍 2.1 主要特点 光纤温控器为嵌入式安装。该产品在高电压、强电磁干扰、等特殊环境下测温有着独特的技术优势。荧光式光纤温度传感器的温度热点与测量信号接收部分没有使用电气连接，能长期高精度和高稳定度工作，这大大提高了其应用范围。光纤温度控制器的精度及灵敏度高且耐高压可远程监测、寿命长，体积小、使得仪表维护简易方便，运输安全。 2.2 主要功能 提供三路绕组测温；自动/手动启停冷却风机功能；各通道显示值数字补偿功能 数码管显示巡回显示变压器热点温度； 提供黑匣子功能,能记录三次掉电前的温度数据和历史最高温度； 提供变压器门柜点开启报警功能； 提供超温报警、故障报警、跳闸等功能 提供RS485通讯功能，通讯带时标可接收对时或MODBUS-RTU协议（F功能） 2.3 附加功能 提供4路独立的4-20mA模拟电流输出功能；（E功能） PTC非线性电阻传感测温保护功能；（C功能） 绕组温度上升率和铁芯温度上升率报警功能； 通讯协议可采用Profibus、IEC60870-5-103、以太网通讯等方式； 干式变压器光纤温控器技术参数 环境温度 -10℃～+75℃ 环境湿度 <90% 工作电压 AC220V；DC110V；DC220V(可选) 测温范围 -30℃～+200℃ 分辨率 0.1℃ 测量精度 ±1%FS(温控器0.5级；传感器B级) 测温通道数 1-4路（可拓展） 光纤探头耐压 100KV(40mm耐压长度、5min耐受时间) 光纤探头直径 3.0mm 光纤光缆长度 3m（可定制） 光纤类型 石英光纤 安装方式 嵌入式或壁挂式 控制触点容量 5A/DC220V或5A/DC110V或5A/AC250V 风机触点容量 7A/AC250V 温度补偿范围 -19.9℃～+19.9℃ 工作环境 环境温度：-20℃～+55℃ 环境湿度：＜90% 默认通讯配置 通讯地址 通讯波特率 通讯校验位 1 9600 无校验 管理认证标准 ISO9001:2008国际质量管理体系认证 生产标准 JB/T7631-2016《变压器用电子温控器》行业标准 检验实验标准 IEC61000-4:1995国际标准 GB/T17626-2008《电磁兼容试验和测量技术》标准

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干式变压器铁心温度监测解决方案

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。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。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。 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。使用热模拟测量法测量绕组温度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。间接计算法来测量绕组温度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。使用直接测量法直接测量绕组温度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。 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。红外测温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。光纤测温测量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。 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。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。 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。 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。 2.2 传感器传输系统 本研究采用波分复用技术和空分复用技术 。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。 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。

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光纤温度传感器的应用范围

光纤温度传感器在电力设备监测中的应用 光纤温度传感器在电力设备的监测领域有巨大的发挥空间, 在设备的温度监测, 减少设备故障, 促进安全生产上具有重要作用, 电力系统中的各种电力设备比如变压器、开关柜、电缆等由于电压极高, 通过的电流极大, 因此相应地形成了巨大的磁场。传统的温度传感器在这样的环境下难以工作, 测量精度不足, 同时在一些易燃易爆、腐蚀性较强的环境中也很难工作。同时, 若要对电力设备的温度进行分布测量, 传统的点式温度传感器在安装、布线以及维护方面会比较困难。光纤温度传感器由于具有抗干扰能力强、耐腐蚀、绝缘的特性在温度分布测量中比较适用并且实现了实时监测。随着光纤温度传感技术的研究愈发深入, 其技术也越来越成熟, 测温范围、空间分辨率、精确度等相比传统温度传感器均有很大的提升, 因此在电力系统的电力设备监测领域光纤温度传感器得到了广泛的应用。 光纤温度传感器在高压开关柜中的应用 电力系统的高压开关柜的断路器可以分为两个部分:开关柜和移动小车, 在高压开关柜上有6个触头, 在上下两侧各分步3个, 只有对这些触头进行实时的监测才能有效确保系统安全性, 因此监测高压开关柜的系统需要由一个电路信号处理以及六个探头组成, 光经过光纤的传输, 通过温度传感头, 然后通过光纤的传输再回到光电探测器, 经过对信号的转换和处理后发送至单片机, 单片机利用特殊装置对发送来的信号进行采集以及一系列的处理, 得到温度值, 最终通过RS485串行总线将数据发送至监测中心。在此以某化工厂的高压开关柜的使用为例, 对光纤温度传感器在高压开关柜中的应用进行探索。 在使用前进行了实验测试, 测试光纤温度传感器的探头对恒温箱的控制。实验开始, 恒温箱内的温度从常温开始缓慢上升, 在每一个温度点相应的记录系统测试的温度值以及恒温箱的温度值, 以温度计的测量温度作为参考。实验测试结束后进行数据的收集与处理作图, 结果发现光纤温度传感系统测量的温度值与温度计的参考温度值存在线性关系。为进一步保证系统的稳定性, 随后又进行了时长为十个小时的连续性监测, 同样收集数据并做出相关曲线图, 得到结论:温度的测量具有很好的时间稳定性, 精确度较好, 在高压开关柜中可以正常的运行。 将进行测试后的光纤温度传感系统安装在高压开关柜中时需要尽量保证光纤的完整性, 以免信号传输的精确度不足, 测量的数据经光缆传送, 经过特定仪器的转换与处理后, 发送至监测中心, 当开关柜的温度升高超过临界值时, 监测中心能够及时收到温度信息的变化, 从而及时发出预警信息, 系统发出警报。 光纤温度传感器在变压器监测中的应用 变压器在运行过程中如果绕组温度过高而不能及时发现, 将会发生烧毁、击穿等严重的电力事故。变压器分为干式和油浸式变压器, 干式变压器价格较低, 结构较简单, 传统的铂电阻温度传感器即可满足工作要求, 安装光纤温度传感器反而会导致价格大幅增高, 难以广泛推行。油浸变压器在运行的过程中, 温度每升高6℃, 变压器的运行寿命将会减少一半, 因此油浸式变压器中应用光纤温度传感器十分必要, 在此以光纤光栅温度传感器的应用为例。 油浸式变压器中应用光纤温度传感器要求传感器的材料要与变压器内部的油化学环境兼容, 以保证传感器的长期可持续工作。特种耐高温光纤在高温条件下的光学以及机械性能均有良好的稳定性, 不会影响油浸式变压器的机械强度以及整体的密封性, 能够适应电力设备的运行。用于光纤光栅的封装材料为感温陶瓷材料, 由于这种材料具有绝缘、抗油污、耐高压的特点, 同时可以与油浸式变压器内的油化学环境兼容;在尾纤的设计上采用双层护套, 充分满足了工作过程中的高温、油污的特点。 光纤光栅温度传感器通过贯通器将尾纤引出, 定制的贯通法兰盘与油浸式变压器上预留的圆孔相固定, 贯通器是用特殊工艺使机械组件与光学组件相组合, 耐油性能很强并且密封性能较好, 使变压器箱体内外的光纤相连接。然后整个贯通器用一防护罩加以保护, 以免受到外部的损伤。变压器一般很少有集中安放的情况发生, 因此需要监测的点数较小。为节约成本, 目前光纤光栅温度传感器在监测电缆实时温度的领域中比较成熟, 因此可以将电缆以及变压器的温度测定结合, 将二者集成为一个系统, 以提升资源的利用效率, 降低成本。因此, 监测变压器与电缆的光纤光栅温度传感器可以用串联或者并联的方式连接, 使温度的监测实现网络化, 每个光纤温度传感器将温度信息通过光缆发送至相应的仪器, 经过信号的转换使光信号转变为电信号, 进而将温度信息传给监控中心。 总之, 光纤温度传感器由于抗干扰能力强, 能够耐受电力设备高电压高电流的工作环境, 在电力系统具有广泛的应用前景, 随着研究的不断深入, 将会研发出性能更佳的光纤温度传感器, 为人们的生产生活带来更大的便利。

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