光纤传感器在变压器应用中的安全监控系统

第一部分
1.绕组热点温度位置确定及传感器布放
1.1绕组热点温度位置确定
在传感器埋设前，可用计算机对变压器绕组热点温度的分布情况先作分析
计算，确定最热点所在的大致位置：变压器绕组沿高度方向的温度分布基本上都
是上部高，下部温度逐渐降低，但最热点并不在绕组的最顶端，而在最顶端稍下
一点的地方，一般在绕组总高的2/3以上部分。
1.2传感器类型及布点数
采用光纤光栅温度传感器，对高压绕组和低压绕组各预埋5个光纤探头，如
图1：

1.3测量原理
由光纤光栅元件将被测温度信号转换成光信号输出，信号传输到光纤光栅分
析仪显示温度值。
2.变压器绕组短路时的压应力变化及变形状况
2.1压应力变化分析
变压器受短路冲击时，如果短路电流大，绕组受力状态如图2、图3所示。
由于绕组中漏磁的存在，载流导线在漏磁作用下受到电动力的作用，特别是在绕
组突然短路时，电动力最严重。漏磁通常可分解为纵轴分量月和横轴分量月，纵
轴磁场月使绕组产生辐向力，而横轴磁场月使绕组受轴向力。轴向力使整个绕组
受到张力P1，在导线中产生拉伸应力。而内绕组受到压缩力P2，导线受到挤压
应力。
图2 变压器绕组漏磁及受力示意图 图3 变压器绕组受力分析图
轴向力的产生分为两部分，一部分是由于绕组端部漏磁弯曲部分的辐向分量

与载流导体作用而产生。它使内、外绕组都受压力：由于绕组端部磁场B’最大
因而压力也最大，但中部几乎为零，绕组的另一端力的方向改变。轴向力的另一
部分是由于内外安匝不平衡所产生的辐向漏磁与载流导体作用而产生，该力使内
绕组受压，外绕组受拉；安匝不平衡越大，该轴向力也越大。
因此，变压器绕组在出口短路时，将承受很大的轴向和辐向电动力。轴向电
动力使绕组向中间压缩，这种由电动力产生的机械应力，可能影响绕组匝间绝缘，
对绕组的匝间绝缘造成损伤；而辐向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳定性，
造成相间绝缘损坏。电动力过大，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。
2.2短路电动力引起绕组变形故障
由短路引起压、应力的变化，从而引起绕组变形。
2.3传感器类型及布点数
采用光纤光栅应力传感器及光纤光栅压力传感器，对绕组各埋2个光纤探
头，分别用于测量应力和压力。
2.4测量原理
光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上，同时进行保护
封装。反射光的波长对应力和应变非常敏感，当弹性体受到压力时时, 光纤光栅
与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移
量的度量来实现对应力和应变的感测。
3.变压器绕组位移测定及传感器布放
3.1传感器类型及布点数
采用光纤光栅位移传感器，将2个光纤探头预埋入绕组；
3.2测量原理

光纤布拉格光栅的谐振方程为，其中λ表示传输光的中心波
长；A表示光栅周期；为纤芯模的有效折射率。可见，光纤光栅的谐振波长
取决于光栅周期A和纤芯模的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的
物理过程都将引起光栅谐振波长的偏移。
4.铁心温度测定及传感器布放
4.1传感器类型及布点数
采用光纤光栅温度传感器，将4个光纤探头预埋入铁心；
4.2测量原理
由光纤光栅元件将被测温度信号转换成光信号输出，信号传输到光纤光栅分
析仪显示温度值。
5.变压器油温测定及传感器布放
5.1传感器类型及布点数
采用光纤光栅温度传感器对油箱油面温度、油箱底部温度、环境温度进行监
测；将各2个光纤探头埋在油面、油箱底部及环境中；
5.2测量原理
由光纤光栅元件将被测温度信号转换成光信号输出，信号传输到光纤光栅分
析仪显示温度值。
6.变压器光纤光栅传感测量安全监控系统：

计算机
波长解调仪
宽带光源
耦合器 光纤光栅应力传感器 光隔离器
扫描电压

抖动信号
可调F-P滤波器

混合器 LP滤波器
图变压器光纤光栅传感测量安全监控系统
光纤光栅技术是利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而

形成的。光纤光栅中折射率分布的周期性结构，导致某一特定波长光的反射，从
而形成光纤光栅的反射谱。光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹
性体上，同时进行保护封装。反射光的波长对温度、应力和应变非常敏感，当弹
性体受到压力时时, 光纤光栅与弹性体一起发生应变，导致光纤光栅反射光的峰
值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力、应变和位移的感测。
系统结构可分为三层：
第一层为：传感器层，在这一层中，将各通道传感器布设于高压变压器内；
第二层为：监测层，通过光缆将上层中传感器采集到的数据传递给光纤传感
分析仪和监测计算机，实现实时监测；
第三层为：监控层，将第二层的数据通过局域网传给变压器控制系统，以实
现联动保护和控制。
变压器光纤光栅传感测量安全监控系统由四个部分组成，第一部分为宽带光
源，第二部分为光纤光栅应力、压力、温度传感器，第三部分为基于可调F-P滤
波器的波长解调仪，第四部分为计算机及软件分析处理系统。图中给出等间隔分
布多个光纤光栅应力传感器，这些光纤光栅通常要进行串接。由宽带光源发出的
宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的传感光栅上，经过这些光纤
光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB耦合
器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，得到一组应力传感
信息，当边坡内部应力发生变化时，通过光栅解调器检测出波长的变化即应力变
化，之后输入到计算机进行数据分析处理，最后得到绕组受到压力的分布状况，
根据监测对象内部变化情况，起到报警作用。系统具有声、光报警、短信报警三
种报警方式。当发生报警时，主监控计算机能自动弹出报警窗口，显示出报警时
间、报警测点名称和部位，在屏幕上显示测量点分布画面，相应报警点会变色。
测试数据、报警信息可按一定的时间间隔（由系统软件设定）记录在数据库中，
以备查阅和分析。
第二部分
实施方案