基于纯光纤传感的变压器油中气体及温度监测系统及方法与流程

本发明涉及牵引变压器在线监测
技术领域：
，具体涉及基于纯光纤传感的变压器油中气体及温度监测系统及方法。
背景技术：
：对于轨道车辆来说，牵引变压器是最重要的设备之一，是整个电力牵引系统最核心的部分，它的正常运行与否对确保火车头、高铁等轨道车辆稳定运行等影响很大。油浸式牵引变压器状态在线监测主要有几种不同监测原理，最常用的有油中气体及微水含量监测，内部局部放电量监测，铁芯接地电流等等。目前最广泛应用的牵引变压器在线监测设备就是牵引变压器油中气体和光纤测温。可以在一定程度上对于牵引变压器的绝缘老化、局部放电、过热受潮等潜伏性故障起到预警和诊断的效果。在铁路供电系统中，牵引变压器具有体积小、耗材少、效率高的特点，随着国内电气化铁路总里程的不断增加，带来的是列车牵引重量的增加与列车运行速度的提高，从而牵引电流也成倍地增加，使得牵引供电系统负荷变化剧烈、外部短路频繁，而现有的在线监测手段无论是油中气体监测和光纤测温系统都不能完全达到准确预测潜伏性故障的目的。油浸式牵引变压器中主要绝缘材料是牵引变压器油和绝缘纸。这两种材料在放电和热作用下，会分解产生各种气体。因此对于油中气体在线监测进行组份及增长率分析可以发现牵引变压器内部的发热和放电性故障。现阶段常用的油中气体在线监测装置主要是油色谱和光声光谱原理，虽然色谱原理的产品存在定期校准、更换载气等维护工作量大的问题，但由于电力系统中基本上每个变电站都配有专业的运检人员，完全可以实现产品的定期维护。而光谱产品虽然是免维护的装置，但由于其价格高昂，在电力系统中一般也是500kv以上牵引变压器才逐步使用。而无论是色谱还是光谱原理的油中气体在线监测产品，基本上都是通过油管取油并通过真空或者顶空的方式分理出样品故障气体，然后进行检测分析。这在电力系统相对稳定的负荷环境下是完全可以实现的，而铁路供电系统的负荷变化剧烈、外部短路频繁的现状需要的一种可以快速反应牵引变压器油运行状态的装置。相对而言，光纤测温系统可以实时快速反映出牵引变压器运行中的绕组、铁芯等温度，具有稳定性好、无需标定的优点。但光纤测温反映的是实时测量温度，对于潜伏性故障起不到预防性监测的作用。而能够检测潜伏性故障的油中气体监测产品却不具备实时性，因此需要将两者测量数据进行结合。但是，在现有的在线监测系统中，这些在线监测数据还处于分散监测的阶段。一种监测量对应一种监测设备，一个设备对应一个系统，且各个系统相互独立，与计算机监控系统没有任何信息交互，形成了是一个个信息孤岛，使得在线监测没有起到应有的作用，不仅缺乏实时性、有效性，更因为缺乏相对专业和全面的诊断，使得误报率一直居高不下。针对这种情况，设计一种可以实现对铁路牵引变压器中的油中气体和温度的实时和连续监测，数据之间进行交叉判据和时序判据，结合牵引变压器运行状态进行综合诊断，降低误报率，真正意义上实现牵引变压器综合在线监测是目前所需要的。技术实现要素：本发明针对现有技术中的不足之处，本发明解决的主要问题如下：1.传统的油中气体监测维护工作量大，或者价格高昂，现提出一种新型纯光纤原理的油中气体监测方案。2.油中气体监测是通过牵引变压器油的裂解产生气体，再通过油循环在固定取油口测量油中气体含量，对于铁路牵引变压器而言缺乏实时性，且不能够在故障发生点进行监测；光纤测量牵引变压器油中溶解的气体可以第一时间在故障点监测产生的气体。3.油中气体和温度监测相对独立，没有数据综合分析诊断，误报率较高；将油中气体和光纤测温进行数据整合，极大的保证了在线监测的实时性、准确性，并且可以对故障的发展趋势进行长期的采集跟踪，对下一步的检修提供数据支持。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于纯光纤传感的变压器油中气体及温度监测系统，包括传感器、内部光纤、贯通器、法兰盘、外部光纤、监测主机；所述传感器与安装于牵引变压器内部的内部光纤组成一体，传感器探头安装在测量点处，通过内部光纤连接到安装在法兰盘上的贯通器上；所述法兰盘安装在牵引变压器壁上，所述贯通器外部通过安装于牵引变压器外部的外部光纤连接至监测主机进行分析诊断；所述监测主机实时监测分析并诊断牵引变压器各监测点的温度变化及油中气体氢气浓度含量，并将监测数据及诊断结果上传至变电所内综合自动化系统或辅助监控系统。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述传感器包括荧光光纤传感器和渐逝场型光纤氢气传感器，所述荧光光纤传感器的传感材料采用荧光材料，所述渐逝场型光纤氢气传感器的传感材料采用钯膜材料；所述内部光纤包括温度监测内部光纤和氢气监测内部光纤，温度监测内部光纤端部涂有荧光材料并通过玻璃或塑料卡头卡住并封口，氢气监测内部光纤端部涂有钯膜材料。进一步地，所述外部光纤包括对应温度监测内部光纤连接的测温外部光纤以及对应氢气监测内部光纤连接的氢气检测外部光纤，且测温外部光纤和氢气检测外部光纤均安装有pvc护套；所述温度监测内部光纤与荧光材料的连接处以及氢气监测内部光纤与钯膜材料的连接处均采用pfa材料特制包层。进一步地，每个监测点都配有两个贯通器，一个贯通器连接温度监测内部光纤和测温外部光纤，另一个贯通器连接氢气监测内部光纤和氢气检测外部光纤；所述贯通器通过法兰盘安装在牵引变压器油箱壁上；贯通器的两头均采用st型连接；贯通器采用316不锈钢表面镀铜工艺。进一步地，所述法兰盘上安装1-24个贯通器；法兰盘由316不锈钢制作。进一步地，所述监测主机包括显示监测所有数据信息的液晶显示屏，同时监测主机具有报警和跳闸的继电器输出信号，支持modbus、iec61850、mqtt通讯协议。进一步地，基于如权利要求1-6任一所述系统的变压器油中气体及温度监测方法，包括如下步骤：监测主机周期性的将紫外光依次通过测温外部光纤、贯通器、温度监测内部光纤照射到荧光材料上，通过测量荧光材料的余辉衰变时间常数，得到铁芯测温数据、绕组测温数据；监测主机将光束依次通过氢气检测外部光纤、贯通器、氢气监测内部光纤照射到钯膜材料上，通过在纤芯周围的渐逝场因为钯与氢的作用造成钯膜折射率的改变，从而影响渐逝场对于光波的吸收，从而使监测主机得到油中气体的氢气浓度；监测主机通过外接的微水传感器，测得油中微水含量；若铁芯测温、绕组测温、油中气体、油中微水均正常，则无需报警并反馈给监测主机；若铁芯测温、绕组测温、油中微水、油中气体数据有任一数据信息越限、则对采集的数据信息进行关联性诊断，并反馈给监测主机。进一步地，所述关联性诊断采用交叉判据，若油中气体、油中微水、铁芯测温、绕组测温中任一项数据越限，则对其他数据逐一判断，若其他数据中有任一项数据越限则进行报警，若其他数据没有越限则无需报警。进一步地，所述关联性诊断采用时序判据，若油中气体、油中微水、铁芯测温、绕组测温中任一数据越限，则对该越限数据最近一段时间的数据值进行判断，若出现第一次越限、第二次越限则不报警，若数据缓慢上升或第三次越限则进行报警。本发明的有益效果是：1.减少整个系统装置零部件的数量及体积，方便安装，降低成本。2.采用纯光纤技术，可以实现免维护运行，无需标定，使用寿命长，并且性价比高，节约投资成本。3.将采集的温度数据和油中气体的氢气含量进行综合分析诊断，降低误报率，提高检测的有效性和实时性，在一定程度上对于牵引变压器的绝缘老化、局部放电、过热受潮等潜伏性故障起到预警和诊断的效果。同时本发明设计的基于纯光纤传感的牵引变压器油中气体及温度监测系统，区别于现有的技术，该装置可以实现对铁路牵引变压器中的油中气体和温度的实时和连续监测，采用纯光纤技术，可以实现免维护运行，并且性价比高，节约投资成本。气体和温度的连续监测，数据之间进行交叉和时序判断，结合牵引变压器运行状态进行综合诊断，降低误报率，真正意义上实现牵引变压器综合在线监测。附图说明图1为本发明系统组成及连接关系示意图；图2为本发明荧光材料与内部光纤连接关系示意图；图3为内部光纤、外部光纤连接关系示意图；图4为贯通器与法兰盘连接关系示意图；图5为发明的综合诊断原理图；图6为本发明交叉判据示意图；图7为本发明时序判据示意图；图8为光敏感材料受光激励后变化示意图；图9为本发明钯膜检测氢气示意图。图中：1、牵引变压器，2、传感器，3、内部光纤，4、贯通器，5、法兰盘，6、外部光纤，7、荧光材料，8、玻璃或塑料卡头，9、包层，10、纤芯，11、反射膜，12、钯膜。具体实施方式现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本发明采用以下技术原理：1：光纤测温采用荧光光纤测温原理直接测量牵引变压器1绕组、铁芯、油面等温度，其最的大优点是信号分析计算不取决于光信号强度，而是取决于余辉衰减时间常数，而与系统的其他变量无关。所以光源强度的变化、光纤长度、连接的数量和质量、光纤直径、弯曲半径造成的光强损耗等不会影响系统测量精度，因此相对于其他测温方法具有稳定性好、无需标定、寿命长等优点。其原理是：当光敏感材料在受到光激励后，敏感材料中的电子吸收光子从低能级跃迁到激发态高能级，而从高能级返回到低能级的辐射跃迁会发出磷光。激励光消除之后的持续磷光发射依赖于激发态的寿命，称之为余晖。余晖通常以指数形式衰减，其时间常数取决于光敏感材料所在环境的温度高低，使用特定的信号分析算法就能准确的计算出测温点温度值。2：牵引变压器油中气体监测在油浸式牵引变压器1中，电或热故障的结果可以使某些c-h键和c-c键断裂生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，所形成的气体溶解于油中；当伴随故障产生的能量较大时，这些氢原子或自由基也可能形成游离气体。参考表1，绝大多数牵引变压器1故障均会产生氢气(h2)——特别是过热性故障，只要能够快速检测出牵引变压器1油中氢气含量，在故障时及时作出预警，就可以实现对牵引供电系统中的牵引变压器1实时、连续监测。表1牵引变压器故障产生气体成分分析故障类型主要气体组份次要气体组份油过热ch4、c2h4h2、c2h6油和纸过热ch4、c2h4、co、co2h2、c2h6油、绝缘纸局部放电h2、ch4、c2h2、coc2h6、co2油中火花放电c2h2、h2油中电弧h2、c2h2ch4、c2h4、c2h6油和纸中电弧h2、c2h2、co2、coch4、c2h4、c2h6进水受潮或油中气泡h2参考图9，渐逝场型光纤氢气传感器以其高灵敏度、响应时间短、不产生火花等特性，特别适用于牵引变压器1油中氢气的检测。由于钯(pd)通过端部镀的反射膜11在吸收了氢气以后，其密度、机械性能和折射率等都会发生变化。当钯暴露于氢环境中，氢分子会吸附于钯的表面，逐渐分解为氢原子，然后氢原子会继续渗入到钯分子内，生成钯的氢化物。由于氢化物的生成，使得钯的诸多性质如导电性、晶格常数(对应体积、尺寸、应变)、折射率等都会发生变化，通过光纤技术可以检测出钯的晶格常数、折射率的变化，从而可以测量出氢气的含量。3：油中气体及温度综合诊断牵引变压器1绕组热点是牵引变压器1最重要的指标之一，热点温度可以反映各负载运行工况，同时热点温升测量值可以评估牵引变压器1运行状态。而通过荧光光纤测温方式可以直接测量到牵引变压器1绕组、铁芯的温度，而绕组、铁芯的温度升高会带来牵引变压器1油的温度升高，随着油和纸温度的升高，牵引变压器1油中会逐步产生氢气。因此，当通过钯(pd)与氢的作用并通过光纤传播的方式直接测量发热点的氢气含量，便可以将温度变化和油中氢气含量的变化关联起来，不仅大大提高了检测的准确性和实时性，更可以对各数据之间进行交叉判据和时序判据，真正意义上实现牵引变压器1油中气体和温度的综合诊断，从而可以对牵引变压器1的绝缘老化状态、寿命进行预估，为下一步的维护手段提供指导意见。实施例参考图1，基于纯光纤传感的变压器油中气体及温度监测系统及方法，包含有传感器2、内部光纤3、贯通器4、法兰盘5、外部光纤6及监测主机几部分组成。其中传感器2包含荧光光纤传感器和渐逝场型光纤氢气传感器，他们和安装于牵引变压器1内部的内部光纤3组成为一体，传感器2探头安装在测量点，通过内部光纤3连接到安装在法兰盘5上的贯通器4上，法兰盘5是安装在牵引变压器1壁上的，贯通器4外部通过安装于牵引变压器1外部的外部光纤6连接至监测主机进行分析诊断分析，并将检测结果在就地液晶显示屏上显示或者上传至状态监测诊断后台用于判断故障的劣化程度，并为下一步的维护手段提供指导意见。该装置具有性价比高，免维护，挂壁式安装等优势，是纯光纤传感在线监测技术在铁路牵引供电系统中的高级应用。参考图2，传感器2与光纤采用一体化设计，传感器2探头安装在内部光纤3的一端。在光纤端部磨平抛光，并将传感器材料置于抛光的光纤端部，针对荧光光纤传感器用玻璃或塑料卡头8卡住并封口。整个传感器2及内部光纤3采用pfa材料特制包层9，既保证透油性，又保证了柔韧性，在牵引变压器1内部安装不会影响牵引变压器1本身的电磁场，不破坏牵引变压器1的绝缘和局部放电。参考图2，作为测量温度的荧光光纤传感器的光纤端部涂的是荧光材料7，而作为渐逝场型光纤氢气传感器的光纤端部镀的是一层钯膜12材料。每一个监测点采用双路光纤的方式组成，将温度监测内部光纤和氢气监测内部光纤捆扎为一体，方便定位和安装。内部(外部)光纤组成方式如图3所示。参考图1、4，内部光纤3的一端连接在测温点，另一端连接至贯通器4上。贯通器4作为油浸式牵引变压器内部光纤3、传感器2和外部光纤6之间的转接单员，采用316不锈钢表面镀铜工艺，光信号损耗低，可以确保长期可靠的密封性和耐油性。贯通器4的两头均采用st型连接，方便内部光纤3和外部光纤6的安装与维护。以四个监测点的牵引变压器1油中气体及温度监测装置所用法兰盘5(含贯通器4)为例，每一个检测点需要两个贯通器4，一个贯通器4连接温度监测内部光纤，另一个贯通器4连接氢气监测内部光纤。所有贯通器4均安装在316不锈钢制作的法兰盘5上，一个法兰盘5可以安装1～24个贯通器4。法兰盘5则安装在牵引变压器1油箱壁上。图4是典型的四个监测点的牵引变压器1油中气体及温度监测装置所用法兰盘5(含贯通器4)。参考图3，外部光纤6是连接贯通器4与监测主机的连接光纤，其组成方式与内部光纤3一致，即将测温外部光纤和氢气检测外部光纤捆扎为一体捆扎在一起。外部光纤6装有pvc护套用于室外保护，具有光信号损耗低、抗拉力大和柔韧性好等特性。参考图1、8，监测主机是可以实时测量牵引变压器1各监测点(如绕组、铁芯)等的温度变化及附近油中气体含量，壁挂式安装于牵引变压器1壁上。系统具有液晶显示屏，可以显示所监测的所有数据。同时具有报警和跳闸的继电器输出信号，支持modbus、iec61850、mqtt等多种通讯协议，将监测数据及诊断结果上传至变电所内综合自动化系统或辅助监控系统。监测主机以一定周期通过测温所用的外部光纤、贯通器4及内部光纤3将特定波长的紫外光照射到安装在监测点上的光纤端部的荧光材料7上，并且测量余晖的衰变时间常数，从而可以计算出监测点的温度。同样的，监测主机通过测氢气所用的外部光纤、贯通器4及内部光纤3将特定波长的光束照射到安装在监测点上的光纤端部的钯材料上，此时在纤芯10周围的渐逝场因为钯与氢的作用造成钯膜12折射率的改变而改变，从而影响了渐逝场对于光波的吸收，监测主机因此可以通过检测光强变化得到氢气浓度的变化。参考图5、6、7，当监测主机同时测得监测点的温度和氢气含量值之后，将两者数据之间进行关联性诊断，如交叉判据和时序判据等，筛选出因某一传感器2的检测数据不准确而造成的误报，大大提高了检测的准确性。同时，对于牵引变压器1来说，因为光纤传感技术的使用，使得检测的数据具有实时性，某一点的温升和氢气含量的变化可以第一时间进行交叉判据，真正意义上实现对于牵引变压器1运行状态的综合监测和分析诊断。其中该发明的技术方案是一个测量点可以同时测量油中气体(氢气)和温度数据，比如说测量某一个绕组的油中气体和温度数据，同时可以结合油中微水含量，其他监测点(如铁芯温度)等综合判断。其中绕组(包括高压绕组、低压绕组、中性点)、铁芯等是不同监测点每个监测点测量气体和温度数据，其他数据比如油中微水含量跟监测点没关系，整个油中都可以测到。其中微水含量有专用的微水传感器，可以用监测主机采集相关信号而得到数据表。该示例主要说明交叉判据和时序判据的工作方式，除了油中气体、温度，监测主机还可以接入微水、电压、电流、局部放电等多种信号用于交叉判据和时序判据。本发明所设计的基于纯光纤传感的变压器油中气体及温度监测系统，具有免维护、响应快、性价比高好等优势，充分针对铁路牵引供电系统中牵引变压器1的实际运行状况，实现了对牵引变压器1油中气体及温度的快速反应，对负荷快速变化或频繁短路所带来的运行状态的变化进行综合监测，对故障的发展趋势进行长期的采集跟踪，是目前铁路牵引供电系统中性价比最高、技术最先进的油中气体及温度监测手段。需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。当前第1页12