变压器绕组形变分布式在线监测系统及方法与流程

本发明涉及变压器绕组形变测试领域，尤其涉及一种变压器绕组形变分布式在线监测系统及方法。

背景技术：

电力系统中，变压器是非常重要的设备，尤其是大型高等级变电站，一台变压器通常负责很大一片区域的供电，其稳定运行对于电网的安全具有十分重要的意义。从导致变压器故障的因素来看，绝大部分是由于绕组的变形引起，如绕组位移、扭曲，轴向与径向尺寸变化，鼓包等等。这些故障通常是变压器长期运行老化及过载导致，从而引起变压器故障甚至发生爆炸。因此实时监测变压器绕组的形变非常必要，具有重要的现实意义。

目前常用变压器绕组形变检测方法有频率相应法、振动分析法、阻抗分析法等，但这些方法都需要断电后进行检测，不能在线实时监测，并且不能准确的定位绕组形变位置和形变量。而分布式光纤光栅技术(申请号：201410255155.X)虽然能够实时监测，但属于准分布式传感技术，并不能对整个绕组进行监测，存在大量监测盲区，并且光纤光栅比较脆弱，在布设的过程中极易损坏。由于变压器绕组周长通常4米左右，小型变压器绕组周长甚至只有1～2米，因此传统的分布式光纤应变传感技术空间分辨率(通常1米)和测量精度均不能满足变压器线圈形变监测要求(10cm一个测量点)。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种变压器绕组形变分布式在线监测方法利用专业的优化布纤技术，通过基于瑞利散射的光频域分布式光纤应变与温度解调技术测量变压器绕组的应变与温度。

为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：

提供一种变压器绕组形变分布式在线监测系统，包括：

传感光纤，布设于变压器绕组表面或者嵌入变压器绕组内，每个变压器绕组上均包括并行的两根不同类型的传感光纤；

线性扫频激光器，用于发出线性扫频连续光；

光频域散射干涉仪，通过多通道切换开关与传感光纤连接，线性扫频连续光通过多通道切换开关分别进入各传感光纤；传感光纤各处产生的瑞利散射光再通过多通道切换开关返回给光频域散射干涉仪，与参考光发生干涉后产生差频信号；

采集卡，与光频域散射干涉仪连接，用于采集差频信号；

计算机，与采集卡连接，用于根据差频信号解调各通道的传感光纤各处的温度与应变信号。

本发明所述的系统中，传感光纤布设于变压器绕组表面时，传感光纤沿着变压器绕组旋转方向布设于其表面，或者沿着变压器绕组圆柱面竖直方向均匀排布。

本发明所述的系统中，传感光纤为护套光纤，且为松套光纤，松套上带有空气孔；或者该传感光纤为裸芯光纤。

本发明所述的系统中，该系统还包括波长校准模块，与线性扫频激光器、采集卡均连接，用于校准线性扫频连续光的波长。

本发明所述的系统中，该系统还包括触发信号生成模块，与采集卡连接，用于产生采集卡的触发采集信号，并补偿扫频激光器调谐的非线性。

本发明所述的系统中，每根传感光纤均同步布设一根备用光纤。

本发明所述的系统中，所述光频域散射干涉仪包括光纤耦合器、光纤环形器、偏振分束器和光电探测器，线性扫频连续光通过光纤耦合器产生信号光和参考光，信号光进入光纤环形器，再通过多通道切换开关进入传感光纤，在传感光纤各处产生的后向瑞利散射光经过多通道切换开关重新进入光纤环形器，再进入偏振分束器，与同样经过偏振分束器的参考光在光电探测器处发生干涉，产生的差频信号被采集卡采集。

本发明所述的系统中，所述波长校准模块包括依次连接的光纤耦合器、氰化氢吸收池和光电探测器，通过氰化氢吸收谱线特征来校准激光器扫频速度。

本发明所述的系统中，所述触发信号生成模块包括顺次连接的光纤耦合器、光纤延迟线、第一法拉第旋转镜和光电探测器，该触发信号生成模块还包括第二法拉第旋转镜，与光纤延时线和光电探测器连接，光电探测器与采集卡连接。

本发明的变压器绕组形变分布式在线监测方法，包括以下步骤：

(1)将两种不同类型的传感光纤沿着绕组旋转方向布设于变压器绕组表面，或者沿着绕组圆柱面一圈竖直方向均匀布纤，或者嵌入变压器绕组铜线内；

(2)线性扫频激光器发出的线性扫频连续光进入光频域散射干涉仪；

(3)进入光频域散射干涉仪的光，分成信号光和参考光：信号光进入光纤环形器第一端口，从第二端口出射并经过多通道切换开关进入变压器绕组中的传感光纤，并在传感光纤各处产生后向瑞利散射光，该后向瑞利散射光经过多通道切换开关重新进入光纤环形器第二端口，并从第三端口出射，进入光纤耦合器一分路端；参考光直接进入光纤耦合器另一分路端，经偏振分束器分成正交的两束线偏振光，并分别进入两个光电探测器，参考光与后向瑞利散射光在两个光电探测器表面发生干涉，产生差频信号，被采集卡采集，并送入计算机进行处理，解调出变压器绕组的温度与应变。

本发明产生的有益效果是：本发明首次将高空间分辨率高精度分布式光纤应变传感技术应用于变压器绕组形变分布式实时监测领域。布设两根不同类型光纤，以便从瑞利散射信号从分别测量出变压器绕组的温度与应变值；与传统的基于布里渊散射技术的监测方法相比，其空间分辨率高两个数量级，达到厘米级，非常适合变压器绕组的应变与温度等状态在线监测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例变压器绕组形变分布式在线监测系统整体结构示意图；

图2是本发明另一实施例变压器绕组形变分布式在线监测系统整体结构示意图；

图3a是本发明实施例变压器绕组上传感光纤布设方案一；

图3b是本发明实施例变压器绕组上传感光纤布设方案二；

图4是本发明实施例中变压器绕组形变量实时监测曲线；

图5是本发明实施例中变压器绕组温度变化趋势监测曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用高速线性扫频窄线宽激光器扫描传感光纤，利用差频检测技术实现了光纤中瑞利散射光的检测，通过互相关算法，计算瑞利散射光的频移，从而获得变压器绕组各处的温度与应变值。本发明解决了传统布里渊散射技术在变压器绕组检测技术上空间分辨率差而导致的信号点过少的问题，实现了变压器绕组状态的高空间分辨率实时检测测量。

如图1所示，以单个变压器绕组为例，本发明实施例变压器绕组形变分布式在线监测系统，包括：

传感光纤6，布设于变压器绕组表面或者嵌入变压器绕组内，每个变压器绕组上均包括并行的两根不同类型的传感光纤；

线性扫频激光器1，用于发出线性扫频连续光；

光频域散射干涉仪，通过多通道切换开关5与传感光纤6连接，线性扫频连续光通过多通道切换开关分别进入各传感光纤；传感光纤6各处产生的瑞利散射光再通过多通道切换开关返回给光频域散射干涉仪，与参考光发生干涉后产生差频信号；

采集卡19，与光频域散射干涉仪连接，用于采集差频信号；

计算机20，与采集卡19连接，用于根据差频信号解调各通道的传感光纤各处的温度与应变信号。

传感光纤6布设于变压器绕组表面时，传感光纤沿着变压器绕组旋转方向布设于其表面，或者沿着变压器绕组圆柱面竖直方向均匀排布。

其中，线性扫频激光器1可采用窄线宽激光器，频率可以高速的线性扫频。传感光纤6可以是裸光纤，可也以是护套光纤，既可以布设于绕组表面也可以嵌入绕组铜线中，其中护套光纤是松套光纤并带有空气孔，在变压器抽真空时，保证传感光纤中无空气。

传感光纤6在布设时施加一初始的应变，通过布设两根不同类型光纤，以便从瑞利散射信号从分别测量出变压器绕组的温度与应变值。

与传统的基于布里渊散射技术的监测方法相比，其空间分辨率高两个数量级，达到厘米级，非常适合变压器绕组的应变与温度等状态在线监测；

如图2所示，该系统还包括波长校准模块和触发信号生成模块。波长校准模块，与线性扫频激光器1、采集卡19均连接，用于校准线性扫频连续光的波长。触发信号生成模块，与采集卡19连接，用于产生采集卡的触发采集信号，并补偿扫频激光器调谐的非线性。

所述光频域散射干涉仪包括光纤耦合器3、光纤环形器4、偏振分束器8和光电探测器9、10。所述线性扫频激光器1发出的光经光纤耦合器2、11分成三路，分别进入光频域散射干涉仪、波长校准模块、触发信号生成模块。所述光频域散射干涉仪中，光纤耦合器3两分路端分别与光纤环形器4第一端口和光纤耦合器7一分路端连接；光纤环形器4第二端口经光开关5与变压器绕组光纤6连接，第三端口与光纤耦合器7一分路端连接，光纤耦合器7合路端与偏振分束器8合束端连接，偏振分束器8两分束端分别与光电探测器9、10连接，并接入采集卡19。

所述波长校准模块包括依次连接的光纤耦合器11、氰化氢吸收池12和光电探测器13，通过氰化氢吸收池12中的氰化氢吸收谱线特征来校准激光器扫频速度。所述波长校准模块中，光纤耦合器11一分路端与氰化氢吸收池12连接，氰化氢吸收池12与光电探测器13连接，并接入采集卡19。

触发信号生成模块包括顺次连接的光纤耦合器14、光纤延迟线15、第一法拉第旋转镜16和光电探测器，该触发信号生成模块还包括第二法拉第旋转镜17，与光纤延时线15和光电探测器18连接，光电探测器18与采集卡19连接。光纤耦合器14一分路端经光纤延迟线15与法拉第旋转镜16连接，另一分路端与法拉第旋转镜17连接，合路端与光电探测器18连接，并接入采集卡19。触发信号生成模块主要用于产生采集卡触发采集信号，以及用于补偿扫频激光器调谐的非线性，可以选用迈克尔逊干涉仪、萨格奈克干涉仪等实现。

本发明一个实施例的变压器绕组形变分布式在线监测方法，包括以下步骤：

(1)将两种不同类型的传感光纤沿着绕组旋转方向布设于变压器绕组表面，或者沿着绕组圆柱面一圈竖直方向均匀布纤，或者嵌入变压器绕组铜线内；

(2)线性扫频激光器发出的线性扫频连续光进入光频域散射干涉仪；

(3)进入光频域散射干涉仪的光，分成信号光和参考光：信号光进入光纤环形器第一端口，从第二端口出射并经过多通道切换开关进入变压器绕组中的传感光纤，并在传感光纤各处产生后向瑞利散射光，该后向瑞利散射光经过多通道切换开关重新进入光纤环形器第二端口，并从第三端口出射，进入光纤耦合器一分路端；参考光直接进入光纤耦合器另一分路端，经偏振分束器分成正交的两束线偏振光，并分别进入两个光电探测器，参考光与后向瑞利散射光在两个光电探测器表面发生干涉，产生差频信号，并被采集卡采集，并送入计算机进行处理，解调出变压器绕组的温度与应变。

本发明另一实施例的变压器绕组温度与应变在线监测方法，按以下几个步骤进行：

(1)将传感光纤布设与变压器绕组表面，既可以沿着绕组旋转方向布设于其表面，也可以嵌入变压器绕组铜线内，还可以沿着绕组圆柱面一圈竖直方向均匀布纤(光纤之间距离根据测量需求调整)。

(2)线性扫频激光器1发出的频率高速线性扫频的连续光经过光纤耦合器2和光纤耦合器11分成三路，分别进入光频域散射干涉仪、波长校准模块、触发信号生成模块。

(3)进入光频域散射干涉仪的光，经过光纤耦合器3分成两束光，分别是信号光与参考光：信号光进入光纤环形器4第一端口，从第二端口出射并经过光开关5进入变压器绕组中的传感光纤，并在传感光纤各处产生后向瑞利散射光，该后向瑞利散射光经过光开关5重新进入光纤环形器4第二端口，并从第三端口出射，进入光纤耦合器7一分路端；参考光直接进入光纤耦合器5另一分路端，经偏振分束器8分成正交的两束线偏振光，并分别进入光电探测器9和10，参考光与后向瑞利散射光在光电探测器9和10表面发生干涉，产生差频信号，并被采集卡采集，并送入计算机进行处理，解调出变压器绕组的温度与应变。变压器绕组上的两根不同类型光纤可以通过多通道开关，切换轮流测量。

(4)由于激光器频率高速线性扫频，因此传感光纤上不同位置产生的后向瑞利散射光频率不同，并且固定位置的后向瑞利散射光频率与参考光频率的差是一固定值，因此通过对采集卡采集到的信号做傅里叶时频变换，就可以根据不同的频率差来定位传感光纤各位置点瑞利散射信号。

(5)当变压器绕组某处的温度与应变产生变化时，该处传感光纤就会受到影响，从而导致该处瑞利散射光发生频移，通过互相关算法计算出瑞利散射光频移量就可以解调出。

(6)进入波长校准模块的光通过氰化氢吸收池12，进入光电探测器，用于校准激光器的波长。

(7)进入触发信号生成模块的光，经过光纤耦合器14分成两路，一路经过光纤延迟线15，经法拉第旋转镜16反射，另一路经法拉第旋转镜17反射。两路反射光经光纤耦合器14后，在光电探测器18上产生触发脉冲，用于采集卡19触发采集光频域散射干涉仪产生的瑞利散射差频信号。该触发信号生成模块主要是补偿线性扫频激光器调谐过程中的非线性抖动。

下面以某次变压器温度与应变分布式监测实验为例，进一步详细说明本发明提出的变压器绕组温度与应变分布式监测方法。该次实验变压器等级为110kV三项交流变压器，实验通过短路放电的形式模拟变压器产生大电流过载情况，并实时监测变压器绕组各处的应变与温度值。因此根据实验测量要求(变压器绕组一维应变分布式测量)，传感光纤选择两根不同类型耐高温单模光纤，并同步粘贴在绕组表面并施加预应变。光纤布设于B相绕组表面，布设方式是沿绕组旋转方向布纤，两根光纤通过多通道切换开关轮流测量。具体实验设置如图2所示。

线性扫频激光器发出线性扫频连续光，进入光频域散射干涉仪，并通过多通道切换开关，进入第一根传感光纤，传感光纤各处产生的瑞利散射光通过多通道切换开关回到光频域散射干涉仪中，并与参考光在光电探测器表面产生差频信号，送入采集卡采集并传输到计算机；调节多通道切换开关接入第二根传感光纤，同样采集一组差频信号，送入采集卡采集并传输到计算机。最后由算法分别计算出两组光纤各处的瑞利散射光谱。

在变压器正常工作时采集一组传感光纤瑞利散射光频移数据，用作变压器绕组初始状态的参考；当变压器绕组某处产生温度与应变时，该温度与应变同步耦合到紧贴绕组的传感光纤，从而使该处光纤产生的瑞利散射光谱发生频移，通过互相关算法计算出变压器绕组当前状态瑞利散射光谱与初始状态瑞利散射光谱频差，获取该处光纤散射光实时频移，并由光纤应变与散射光频移线性换算公式，解调出光纤各处应变与温度值。具体计算过程如下：

因为选择了两种不同类型的光纤，所以两根光纤的温度与频移系数、应变与频移系数都不同：

第一根光纤：Δν₁＝ε₁×ΔT+ε₂×ΔS

第二根光纤：Δν₂＝ε₃×ΔT+ε₄×ΔS

其中Δν₁、Δν₂分别是由互相关算法计算出的两根光纤瑞利散射频移，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别是两根光纤温度与应变系数，ΔT、ΔS分别是传感光纤温度与应变值，则根据两个方程可以计算出光纤中各处的温度与应变值分别为：

实验中，通过外场实验对110kV大型变压器短路放电的方法共模拟了五组变压器工作状态：前四组放电电流限制在变压器设计参数以下，第五组放电电流超过设计参数5％。其中第一组放电后，采集的散射光频率信号作为初始参考，随后四组放电采集的信号分别是在此初始参考基础上计算获得的频移信息，并通过公式换算成光纤应变值。实验结果如图4所示：

第二次、第三次、第四次放点电流分别是设计参数的50％、50％、30％。可以看出，在放电电流在变压器设计参数以内时，变压器绕组应变信号并不明显，基本在100个微应变一下，但温度在逐渐上升。当进行第五次放电实验后(放电电流是设计参数的105％)，传感光纤65.25米、65.95米处对应的绕组线圈产生了明显的应变信号，约1000个微应变。图5显示了整个实验过程中变压器铁芯处温度的变化趋势，用于补偿测量应变时变压器温度变化及分布不均匀导致的误差。温度补偿光纤在变压器中由上到下，在由下到上布置成一个回路，因此同时从温度测量曲线中可以看出每次测量的温度分布曲线在x＝31米处(峰值)对称分布，这表明了整个变压器运行过程中，温度由上到下逐渐增高，这也很好的验证了系统测温的准确性。

根据实验可知，利用高速线性调频窄线宽激光器，通过光纤中瑞利散射的光频域检测技术可以实时监测变压器绕组状态具有可行性和实用性。并且相较于传统的监测方式、光纤光栅监测方式及布里渊散射检测方式，该技术具有不需断电、定位精度高、空间分辨率高、无盲区，可以根据各种环境与实际应用需求选用不同类型封装的光纤，并且不会对变压器内部的绝缘性能产生任何影响。

本发明首次将基于瑞利散射的光频域技术应用于变压器绕组状态分布式实时监测领域。该方法通过两种不同类型光纤可以实现变压器绕组温度与应变量的精准测量。本发明基于光频域散射技术的变压器绕组状态在线监测技术，可以实现空间分辨率小于5cm，测量精度小于±1微应变与±0.1℃测量精度，克服了传统基于布里渊散射技术空间分辨率差的缺点，非常适合变压器绕组的应变与温度等状态在线监测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。