专利名称：一种全光纤光栅电力变压器在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电カ设备监测技术领域，特别是ー种对电カ变压器运行状态进行实时监测的在线监测系统。
背景技术：
大型电カ变压器是电カ系统设备中的关键组成部件，其安全运行对保障电网的正常运行具有非常重大的意义。大型电カ变压器在运行时一旦发生事故，不但会产生检修时间长、维修费用高等问题，同时还会造成大面积的区域性停电，对整个国家经济造成巨大损失。随着电力系统复杂程度的提高和在线监测技术的发展，对单个测量结果的评估往往不能正确地反映出故障发生的原因以及判别电カ变压器潜在故障的发展程度。因此如果要对电カ变压器运行状态进行正确评估，应该建立在多个物理參量同时测量的基础上，再去对检测数据进行综合分析判断来确定。在对电カ变压器的健康状态进行判断时，采集的特征參数主要包括温度、振动、和局放等。电カ变压器的温度主要指的是电カ变压器内部线圈的温度，绝缘油的温度以及电力变压器外壳的温度，这些都是需要实时监测的对象。电カ变压器的振动主要指的是电カ变压器内部线圈由于电磁场的作用所产生的机械振动。对于电力变压器振动的测量，通常是将振动传感器安装在电カ变压器外売上或直接安装在内部线圈上，对来之振动传感器的检测信号进行分析来完成。局部放电是指电カ变压器内部绝缘材料在强电场的作用下，在局部区域内发生的放电现象。这种局部放电会造成绝缘材料強度的下降，当局部放电的频度和强度达到并超过一定程度时，会造成电カ变压器线圈内的短路现象发生，导致电カ变压器停止运行，严重时还会发生火灾等出现重大事故。因此在电力变压器运行过程中，需要实时对电カ变压器内部的局部放电进行监测。除此之タト，在检测到局部放电的同时，还需要对局放源点进行定位，这便于维修人员了解电カ变压器内部局放发生点的位置，有利于掌握绝缘材料性能变化趋势。在局部放电过程中，绝缘纸中的水分会伴随放电过程释放到绝缘油中导致油中水汽含量増加。这些要素会加剧绝缘油的绝缘性能的恶化,进ー步导致局部放电频度的増加。因此，电カ变压器绝缘油中的水汽含量也是电カ变压器在线监测的 主要内容之一。目前市场上的电カ变压器在线监测系统中，主要采用电传感器对单个參数进行测量。由于电カ变压器附近强电磁场的存在，以及高温、高強度振动等恶劣使用环境的影响，都会对电传感器的工作状态和测量特性产生不良影响。特别是电传感器不能埋设到电カ变压器内直接对电カ变压器内部线圈的温度、绕组的振动、局放以及油中水分进行准确、实时的在线测量。因此大大降低监测系统的精度。
发明内容
本发明提供ー种不使用电传感器即能够同时在线采集电力变压器的多个物理參量，使传感器不受强电场、强磁场以及电磁波的影响，井根据这些物理參量对电カ变压器的运行状态进行精确分析的在线监测系统，用于解决现有技术中只能对单个物理參量进行测量所帯来的测量结果关联性差的问题，进ー步提高电カ变压器运行的可靠性和在线测量的安全性，保证电カ系统的安全运行。为解决上述技术问题，发明所采用的技术方案是全光纤光栅电カ变压器在线 监测系统，包括主控单元、高速以太光纤网络和若干套监测単元；所述监测単元用于采集电カ变压器的信息，并通过高速以太光纤网络传输给主控单元，主控单元对监测単元上传的数据进行整理分析和存储，并根据分析结果进行故障报警；其中监测单元包括模块控制器和若干个测量模块，所述测量模块包括分别与模块控制器输入端连接的温度測量模块、振动测量模块、微水測量模块和局放測量模块中的至少ー种；温度测量模块包括光纤光栅温度传感器和传感解调模块I，光纤光栅温度传感器的输出端连接传感解调模块I的输入端，传感解调模块I的输出端连接模块控制器的输入端；振动测量模块包括光纤光栅振动传感器和传感解调模块II，光纤光栅振动传感器的输出端连接传感解调模块II的输入端，传感解调模块II的输出端连接模块控制器的输入端；微水测量模块包括光纤光栅微水传感器和传感解调模块III,光纤光栅微水传感器的输出端连接传感解调模块III的输入端，传感解调模块III的输出端连接模块控制器的输入端；局放測量模块包括光纤光栅局放传感器和传感解调模块IV,光纤光栅局放传感器的输出端连接传感解调模块IV的输入端，传感解调模块IV的输出端连接模块控制器的输入端；主控单元包括数据库服务器、主控制器以及故障报警装置，所述数据库服务器与主控制器互联，主控制器的输出端与故障报警装置连接；数据库服务器用于向主控制器提供电カ变压器的基本故障模块式、接收并存储测量数据以及更新故障模块式数据库；主控制器用于根据接收的数据完成对电カ变压器运行状态进行实时分析和故障诊断，并根据分析结果设置报警等级，然后将报警信号传输给故障报警装置进行故障报警。上述传感解调模块的具体结构为所述传感解调模块包括光耦合列阵、光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块、激光器、微处理器和数据通信模块；所述光耦合列阵的输入端连接光纤光栅传感器，光稱合列阵的输出端依次经光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块与数据通信模块连接，所述模数转换模块的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端经激光器与光耦合列阵连接，微处理器与数据通信模块互联。上述模块控制器的具体结构为所述模块控制器包括网络通信模块、数据存储模块、中央处理器和通信接ロ模块；通信接ロ模块的输入端与測量模块的数据通信模块连接，通信接ロ模块的输出端连接中央处理器，中央处理器与数据存储模块互联，所述数据存储模块的输出端海域网络通信模块连接。上述高速以太光纤网络的具体结构为所述高速以太光纤网络由基于IEEE802. 3标准的传输速率为IOOMbps或IOOOMpbs的以太网络构成，数据传输介质采用同轴电缆或光纤。本发明中的光纤光栅传感器均采用质量轻、体积小、电绝缘性好、不受强电磁场干扰影响的光纤光栅元件作为各类传感器的基本传感要素。光纤光栅元件分为单光纤光柵、双光纤光栅和三光纤光栅三大类型。光纤光栅传感器根据传感对象在传感特性、安装结构上的差异，要求传感器在光学特性、机械结构以及壳体封装上均有所不同。所述光纤光栅温度传感器的具体结构为所述光纤光栅温度传感器的传感元件采用高反射率的窄带单光纤光栅，单光纤光栅封装在密封的耐高温塑料外壳内。光纤光栅温度传感器粘附在电力变压器外売上，或嵌入到电カ变压器内部粘附在电力变压器的线圈上，对电カ变压器的温度变化进行实时监测；光纤光栅温度传感器的中心波长随被测点处温度的改变而单调变化，可通过光纤光栅温度传感器的中心波长的变化完成对被测点温度的測量。所述光纤光栅振动传感器的具体结构为光纤光栅振动传感器的传感兀件为设置在一根光纤中同中心波长、中低反射率的双光纤光栅，双光纤光栅通过悬臂梁固定设置在底座上，双光纤光栅、悬臂梁以及底座均封装在耐高温塑料外壳内；由此形成的ー个低精细度的光学谐振腔，实现对电カ变压器壳体、内部线圈绕组和导线接头处的机械振动的检测。 光纤光栅振动传感器在检测时，由于悬臂梁在较宽的频率范围内，能感知到电カ变压器的机械振动并周期地改变光纤光栅传感器的诸光学特性，例如中心波长的变化或者反射光的相位，使低精细度的光学谐振腔的输出干涉光强度随电カ变压器机械振动产生相对应的变化，因此通过读取光学谐振腔的输出干涉光强度的变化，完成对电カ变压器内被测点处的机械振动的测量。上述悬臂梁优选为碳纤维悬臂梁。所述光纤光栅微水传感器的具体结构为所述光纤光栅微水传感器的传感兀件为设置在一根光纤中同中心波长、中低反射率并相隔一定间距的三光纤光栅，其中相邻的ー对光纤光栅上设置有聚酰亚胺薄膜；三光纤光栅封装在透水的耐高温塑料外壳内，实现对电カ变压器的绝缘油中含水量的检测。耐高温塑料外壳内形成有两个低精细度的光学谐振腔，其中ー个光学谐振腔表面涂覆有多层聚酰亚胺薄膜，以此形成一个光纤光栅微水传感器；而另ー个低精细度的光学谐振腔则被利用产生温度补偿信号，以保证微水测量的结果不受油温变化的影响。所述的光纤光栅微水传感器，在结构封装上应保证聚酰亚胺涂覆层完全接触到被测物，也就是电カ变压器绝缘油以保证测量的准确性。光纤光栅微水传感器测量时，当表层涂覆有聚酰亚胺薄膜的光纤光栅微水传感器浸入到电カ变压器油中时，聚酰亚胺薄膜会吸收油中水分子并出现相对应的体积膨胀现象。聚酰亚胺薄膜体积的膨胀会缓解原先薄膜施加在光纤光栅上的应力，导致光纤光栅光学谐振腔的中心波长发生偏移，进ー步导致谐振腔的输出干涉条纹信号的相位发生变化。这种光信号相位的变化量的大小与施加在光纤光栅上的应カ大小相关联，进一歩地与聚酰亚胺薄膜的体积变化相关联，也就是与油中水分含量相关联。然后通过读取光纤光栅微水传感器的输出干涉条纹信号的相位变化可以估算出绝缘油中水分的含量。所述光纤光栅局放传感器的具体结构为所述光纤光栅局放传感器为设置在ー个光纤中同中心波长、窄带、高反射率的双光纤光栅，双光纤光栅粘贴在陶瓷衬底上，所述双光纤光栅和陶瓷衬底均封装在塑料外壳内，形成一个高精细度的光学谐振腔，实现对电カ变压器内局部放电的超声波检测。光纤光栅局放传感器在检测吋，由于陶瓷衬底在较宽的频率范围内，能感知到电カ变压器内由局部放电所产生的高频超声压カ波,并由此改变光纤光栅谐振腔的诸光学特性，例如中心波长和输出光信号强度。输出光信号强度与局部放电量成正比例关系，通过读取安装在不同部位的光纤光栅局放传感器的输出光信号强度以及各个波前所到达传感器的时刻，可以估算出电カ变压器内局部放电量的大小以及局部放电源在电カ变压器内的具体位置。本发明的改进在于所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅振动传感器、光纤光栅微水传感器、光纤光栅局放传感器中的各光纤光栅均为等中心波长。由于采用了上述技术方案，发明取得的技术进步是本发明能够对运行中的电カ变压器进行实时在线监测，井能够实现早期故障预警；不仅可以预防电カ变压器重大事故的发生，还可以延长定期停エ检修周期，延长电カ 变压器寿命，降低运行成本。本发明在对电カ变压器进行监测时，能够实现多參数同时监測，克服了采用单种类传感器检测所造成故障评判的局限性以及测量结果关联性差的问题，大大提高了測量和故障定位的精确度，进ー步提高电カ变压器运行的可靠性，保证电カ系统的安全运行。測量模块中的各种传感器均采用统一的硬件结构框架，即光纤光柵。光纤光栅的组成材料为ニ氧化硅，属于电绝缘材料，由此构成的非电类型传感器具有抗电磁场干扰能力強、耐高温、工作稳定等特点，应用于电カ变压器这种大电流，高电压，强电磁场干扰的环境中，不仅可以安装在电カ变压器壳体外进行测量，也可以埋设到电カ变压器内部，贴近被测部件，对所需參数进行准确的定位測量；能够大大提高本系统测量信噪比和精确度，并保障电カ变压器的安全运行。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。应用在传感器中，是通过检测由被测物理量所引起的光纤光栅的中心波长的变化量，或由反射光的相位变化所导致的干渉光的強度的变化来实现传感，因此不需要向传感器提供工作电源或连接电导线。所有传感器中光纤光栅的中心波长均设置为等波长，不仅有利于传感器特性以及检测系统性能的优化，还可以简化制造エ艺，降低生产成本。光纤光栅传感器在使用时，可根据接入传感器的类型和测量对象的不同，采用系统固件更换方式，快速完成模块的构建和检测功能的转换，提高了功能模块的通用性，有利于各功能模块的优化以及系统升级。
图I为本发明的结构框图。图2为本发明所述检测単元的结构框图。图3为本发明所述测量模块的结构框图。图4为本发明所述光纤光栅温度传感器封装后的外形结构示意图。图5为本发明所述光纤光栅振动传感器封装后的外形结构示意图。图6为本发明所述光纤光栅微水传感器封装后的外形结构示意图。图7为本发明所述光纤光栅局放传感器封装后的外形结构示意图。图8为实施例中温度測量模块测量的温度结果图。图9为实施例中振动测量模块测量的振动结果图。
图10为实施例中微水测量模块测量的电カ变压器绝缘油中的含水量结果图。图11为实施例中局放測量模块测量的电カ变压器内部的局部放电结果图。其中1_监测单元、2-高速以太光纤网络、3-主控单元、4-測量模块、5-模块控制器、7-传感解调模块、10-聚酰亚胺薄膜、11-单光纤光柵、12-温度传感器封装外売、13-双光纤光栅、14-悬臂梁、15-底座、16-振动传感器封装外壳、17-三光纤光栅、18-微水传感器的封装外套、19-陶瓷衬底、20-局放传感器的封装外売。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进ー步详细说明 ー种全光纤光栅电カ变压器在线监测系统，包括主控单元、高速以太光纤网络和四套监测単元，每套监测单元分别通过高速以太光纤网络连接主控单元。主控单元包括数据库服务器、主控制器以及故障报警装置，所述数据库服务器与主控制器互联，主控制器的输出端与故障报警装置连接；数据库服务器用于向主控制器提供电カ变压器的基本故障模块式、接收并存储测量数据以及更新故障模块式数据库；主控制器中内置有故障分析软件，用于根据接收的数据完成对电カ变压器运行状态进行实时分析和故障诊断，并根据分析结果设置报警等级，然后将报警信号传输给故障报警装置进行故障报警。监测单元包括模块控制器和測量模块，本实施例中每套监测单元中只采用ー个测量模块，一个测量模块中设置ー种类型的光纤光栅传感器，共4种类型光纤光栅传感器和4个传感解调模块。具体为第一套监测単元中包括ー个温度測量模块，温度測量模块包括一个光纤光栅温度传感器和ー个传感解调模块；第二套监测単元中包括一个振动測量模块，振动测量模块包括一个光纤光栅振动传感器和一个传感解调模块；第三套监测单兀包括一个微水测量模块，微水测量模块包括一个光纤光栅微水传感器和一个传感解调模块；第四套监测单兀包括ー个局放测量模块，局放测量模块包括一个光纤光栅局放传感器和ー个传感解调模块。模块控制器包括网络通信模块、数据存储模块、中央处理器和通信接ロ模块；通信接ロ模块的输入端与測量模块的数据通信模块连接，通信接ロ模块的输出端连接中央处理器，中央处理器与数据存储模块互联，所述数据存储模块的输出端海域网络通信模块连接。传感解调模块包括光耦合列阵、光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块、激光器、微处理器和数据通信模块；所述光耦合列阵的输入端连接光纤光栅传感器，光耦合列阵的输出端依次经光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块与数据通信模块连接，所述模数转换模块的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端经激光器与光耦合列阵连接，微处理器与数据通信模块互联。传感解调模块中的半导体激光器均采用DFB类型的激光器，每个激光器的工作波长与光纤光栅传感器的中心波长相一致。光纤光栅温度传感器封装结构如图4所示。光纤光栅温度传感器的反射率为90%，在摄氏25度时传感器的中心波长为1541. 5nm。光纤光栅温度传感器与传感解调模块I相连接，并通过系统固件的设定，构成ー个温度測量模块。图8为光纤光栅温度传感器測量一个调温箱内的温度变化结果，结果表明检测电压与调温箱内的温度变化成正比关系。光纤光栅振动传感器的传感元件为双光纤光栅，两个光纤光栅的间隔距离为L=IOmm,其封装结构如图5所不，两个光纤光栅的反射率均为16%,光纤光栅振动传感器在摄氏25度时的中心波长为1542. 329nm。光纤光栅振动传感器与传感解调模块II相连接，并通过系统固件的设定，构成一个振动測量模块。图9为光纤光栅振动传感器放在一个振动频率为100赫兹振动台上时所测的机械振动波形。光纤光栅微水传感器采用聚酰亚胺涂覆的三光纤光栅为传感元件，光纤光栅的间隔距离为LI = 20mm,L2 = 5mm,聚酰亚胺涂覆层为10层,其封装结构如图6所示,3个光纤光栅的反射率均为16%,光纤光栅微水传感器在摄氏25度时的中心波长为1542. Onm。光纤光栅微水传感器与传感解调模块III相连接，并通过系统固件的设定，构成ー个微水测量模块。图10为油温为摄氏25度时的光纤光栅微水传感器对容量为IOOml电カ变压器绝缘油中水分含量从Oml到12ml变化时的测量结果，其中干涉条纹的相位变化与IOOml电カ变压器绝缘油中的含水量成正比例关系。 光纤光栅局放传感器采用双光纤光栅为传感元件，其封装结构如图7所示，光纤光栅局放传感器的其中一个光纤光栅的反射率为80%,另ー个光纤光栅的反射率为99%,传感器在摄氏25度时的中心波长为1541. 7nm。光纤光栅局放传感器与传感解调模块IV相连接，并通过系统固件的设定，构成一个局放測量模块。图11为光纤光栅局放传感器对ー相隔Im处的小型电カ变压器放电时所产生出的超声压カ波的測量結果。
权利要求
1.一种全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于包括主控单元、高速以太光纤网络和若干套监测单元；所述监测单元用于采集电力变压器的信息，并通过高速以太光纤网络传输给主控单元，主控单元对监测单元上传的数据进行整理分析和存储，并根据分析结果进行故障报警；其中 监测单元包括模块控制器和若干个测量模块，所述测量模块包括分别与模块控制器输入端连接的温度测量模块、振动测量模块、微水测量模块和局放测量模块中的至少一种；温度测量模块包括光纤光栅温度传感器和传感解调模块I，光纤光栅温度传感器的输出端连接传感解调模块I的输入端，传感解调模块I的输出端连接模块控制器的输入端；振动测量模块包括光纤光栅振动传感器和传感解调模块II，光纤光栅振动传感器的输出端连接传感解调模块II的输入端，传感解调模块II的输出端连接模块控制器的输入端；微水测量模块包括光纤光栅微水传感器和传感解调模块III,光纤光栅微水传感器的输出端连接传感解调模块III的输入端，传感解调模块III的输出端连接模块控制器的输入端；局放测量模块包括光纤光栅局放传感器和传感解调模块IV，光纤光栅局放传感器的输出端连接传感解调模块IV的输入端，传感解调模块IV的输出端连接模块控制器的输入端； 主控单元包括数据库服务器、主控制器以及故障报警装置，所述数据库服务器与主控制器互联，主控制器的输出端与故障报警装置连接；数据库服务器用于向主控制器提供电力变压器的基本故障模块式、接收并存储测量数据以及更新故障模块式数据库；主控制器用于根据接收的数据完成对电力变压器运行状态进行实时分析和故障诊断，并根据分析结果设置报警等级，然后将报警信号传输给故障报警装置进行故障报警。
2.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述传感解调模块包括光耦合列阵、光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块、激光器、微处理器和数据通信模块；所述光耦合列阵的输入端连接光纤光栅传感器，光耦合列阵的输出端依次经光电检测列阵、放大滤波列阵、模数转换模块与数据通信模块连接，所述模数转换模块的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端经激光器与光耦合列阵连接，微处理器与数据通信模块互联。
3.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述模块控制器包括网络通信模块、数据存储模块、中央处理器和通信接口模块；通信接口模块的输入端与测量模块的数据通信模块连接，通信接口模块的输出端连接中央处理器，中央处理器与数据存储模块互联，所述数据存储模块的输出端海域网络通信模块连接。
4.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述高速以太光纤网络由基于IEEE802. 3标准的传输速率为IOOMbps或IOOOMpbs的以太网络构成，数据传输介质采用同轴电缆或光纤。
5.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述光纤光栅温度传感器的传感元件采用高反射率的窄带单光纤光栅，单光纤光栅封装在密封的耐高温塑料外壳内。
6.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述光纤光栅振动传感器的传感兀件为设置在一根光纤中同中心波长、中低反射率的双光纤光栅，双光纤光栅通过悬臂梁固定设置在底座上，所述双光纤光栅、悬臂梁以及底座均封装在耐高温塑料外壳内。
7.根据权利要求6所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述悬臂梁为碳纤维悬臂梁。
8.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述光纤光栅微水传感器的传感兀件为设置在一根光纤中同中心波长、中低反射率并相隔一定间距的三光纤光栅，其中相邻的一对光纤光栅上设置有聚酰亚胺薄膜；所述三光纤光栅封装在透水的耐高温塑料外壳内。
9.根据权利要求I所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述光纤光栅局放传感器为设置在一个光纤中同中心波长、窄带、高反射率的双光纤光栅，双光纤光栅粘贴在陶瓷衬底上，所述双管线光栅和陶瓷衬底均封装在塑料外壳内。
10.根据权利要求I至9任一项所述的全光纤光栅电力变压器在线监测系统，其特征在于所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅振动传感器、光纤光栅微水传感器、光纤光栅局放传感器中的各光纤光栅均为等中心波长。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤光栅电力变压器在线监测系统，包括主控单元、高速以太光纤网络和若干套监测单元；所述监测单元通过高速以太光纤网络与主控单元互联；其中监测单元包括模块控制器和若干个测量模块，所述测量模块包括分别与模块控制器输入端连接的温度测量模块、振动测量模块、微水测量模块和局放测量模块中的至少一种；测量模块包括光纤光栅传感器和传感解调模块。本发明能够实现多参数同时监测，大大提高了测量和故障定位的精确度，进一步提高电力变压器运行的可靠性，保证电力系统的安全运行。
文档编号G01R31/00GK102818962SQ20121033023
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者龚永权, 王陆唐, 王跃林, 吴济安 申请人:江苏有能电力自动化有限公司