高过载配电变压器的光纤光栅测温系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输配电设备在线监测技术，更具体地说利用准分布式光纤光栅温度传 感器，测量配电变压器热点温度，并进行配电变压器寿命周期预测。
【背景技术】
[0002] 农村电网具有负荷分散、季节性强、平均负荷率低、峰谷差大的特点，从运行情况 分析，农村电网在特殊时期（如春节、农忙时）负荷增长迅猛，各地区农配网变压器因短时 过载而发热问题非常突出。变压器内部绕组热点温度与其绝缘性能及老化寿命有直接的关 系，超过温度的允许值会降低变压器的使用寿命，尤其是过负载运行情况下产生的高温会 加快变压器的绝缘老化，缩短其使用寿命。对变压器进行温度监测和寿命预测计算是一种 改善变压器老化状况、提高经济效益的有效途径。
[0003] 目前应用于变压器温度直接测量的方法主要有：1)电信号传感器测量法，如热电 偶、热电阻等，该类传感器易受电磁干扰，且使用寿命有限，测量效果不理想；2)红外测温 法，该方法为非接触测量，便于人工操作，但无法实现在线实时测量，且易受背景噪声及电 磁环境干扰；3)基于RAMN散射或布里渊散射原理的分布式光纤测温方法，其测温精度、空 间定位精度和响应时间之间相互制约，目前尚不能满足变压器内部精确测温的要求；4)采 用荧光光纤或半导体砷化镓测温探头光纤的点式测温，测量点少，该类光纤传感器在变压 器测温中已有实际应用，然而经验表明，在正常绕组顶部不同位置处可能会有大于IOK的 温差，只放入1到3个传感器很难检测出真正的热点，因此，其在变压器内部的布置往往需 要经验估计，在实际应用中存在一定的局限。
[0004] 光纤光栅测温通过在单根光纤上串联多个不同中心波长的光纤光栅组成光纤光 栅传感阵列，通过波分复用技术，实现单根光纤上多个传感器的应用，可以实现变压器内部 多点细致分布的监测，同时光纤光栅的传感测量通过频谱分析完成，受光强的影响极小；通 过合理布置传感器的位置，传感器被直接安装在测点附近，完全可以实现变压器内部准分 布式的高精度温度监测。
[0005] 鉴于光纤光栅测温的优点和技术的发展，目前在大型变压器内部完成光纤光栅测 温的案例比较多见，但在IOkV配电变压器内部完成光纤光栅测温的案例极少见诸报道。考 虑高过载配变特殊时期的负荷特征，所采用的测温技术在测温分辨率、灵敏度及精度方面 应该能够较好地反映高过载配变绕组热点温升连续变化的过程。因此，高过载配电变压器 温度监测系统技术方案应采用光纤光栅测温技术。
[0006] 现有专利中申请号为2013102675399,公开了一种基于光纤光栅测温系统进行变 压器寿命预测的方法，是针对大型油浸式变压器进行在线测温和寿命预测，由于其负载曲 线较为平滑、变化规律性较强，未考虑负载突变情况下测温系统的灵敏度及精度。配电变压 器直接与用户相连，其负载曲线波动性较大，尤其是农网配变负荷具有不规律的时变特征， 现有专利"基于光纤光栅测温系统进行变压器寿命预测的方法"在测温灵敏度及精度方面 并不能够实时、准确地反映高过载配变绕组热点温升连续变化的过程。
【发明内容】
[0007] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了高过载配电变压器的光纤光栅测温系 统及方法，本发明利用准分布式光纤光栅测温技术，实现对高过载配电变压器热点温度的 高精度测量，将寿命损失的微分方程变换为差分方程降低计算复杂程度，明显提高计算效 率，实现高过载配电变压器剩余寿命周期的快速、高效预测。
[0008] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0009] 高过载配电变压器的光纤光栅测温系统，包括：
[0010] 宽带光源，用于产生连续扫描的窄带光谱；
[0011] 可控锯齿波发生电路，用于在工控机的控制下产生锯齿波；
[0012] F-P腔可调滤波器，根据可控锯齿波发生电路输出的锯齿波电压驱动对宽带光源 产生的窄带光谱的进行解调，解调为散光谱信号；
[0013] 光分路器，用于将F-P腔可调滤波器输出的散光谱信号分为所需数量的光路并与 光纤光栅温度传感器通信；
[0014] 校准装置，用于实时确定锯齿波发生电路提供的可调光源的电压跟F-P腔出射波 中心波长的关系；
[0015] 光电探测模块，将每一个传感光栅反射回的与之唯一对应的反射波从光信号转换 成电信号并传送至数据采集卡进行A/D转换，A/D转换后的数据传送至工控机进行处理。
[0016] 基于上述高过载配电变压器的光纤光栅测温系统的高过载配电变压器寿命周期 预测方法，包括：
[0017] 设定变压器相对老化率，得到变压器在一定时间内的寿命损失，对变压器在一定 时间内的寿命损失变形得到其微分方程形式；
[0018] 根据高过载配电变压器的光纤光栅测温系统监测到离散的热点温度数据；
[0019] 由监测到离散的热点温度数据根据《GB 1094. 7-2008电力变压器第7部分：油浸 式电力变压器负载导则》中相对老化率计算公式求取每个时间间隔内的相对老化率Vw;
[0020] 根据每个时间间隔内的相对老化率Vw及各时间段之间的间隔时间得到每间隔时 间段内的寿命损失用差分方程形式；
[0021] 根据每间隔时间段内的寿命损失用差分方程叠加得到达到区域时间段tn时总的 寿命损失。
[0022]
[0023] 进一步的，变压器相对老化率用V表示，则变压器在一定时间内的寿命损失L与相 对老化率V的关系用微分方程形式表示为：
[0024]
[0025] 根据高过载配电变压器的光纤光栅测温系统监测到离散的热点温度数据：
[0026]
[0027] 用Dt表示各时间段之间的间隔时间，热点温度是由光纤光栅测温系统测量得到 的，由热点温度Θ h根据负载导则中相对老化率计算公式可求取每个时间间隔内的相对老 化率Vw，则每间隔时间段内的寿命损失用差分方程形式表示为：
[0028] DL(n)= V (n) XDt
[0029] 达到区域时间段tn时总的寿命损失为：
[0030] L(n)= L (n d+DL^j
[0031] 为了得到一个精确的结果，时间间隔Dt应尽可能小，不能大于变压器热特性参数 中的绕组时间常数（由变压器出厂试验数据确定）的一半。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 本发明考虑配变负载突变情况下测温系统的灵敏度及精度，测温系统增加工控机 对锯齿波发生电路的反馈环节，同时增加校准装置，在变压器负载突变时能够实时、准确地 反映高过载配变绕组热点温升变化。同时对寿命损失的计算方法作了改进。
[0034] 本发明利用准分布式光纤光栅测温技术，实现对高过载配电变压器热点温度的高 精度测量，获得配电变压器热点温度监测数据，对高过载配电变压器进行老化评估及其剩 余寿命周期预测；寿命评估时将寿命损失的微分方程变换为差分方程明显降低计算复杂 度、提高计算效率，实现高过载配电变压器剩余寿命周期的快速、高效预测，对运维部门制 定科学有效的配电变压器运维策略具有重要指导意义