1、基于光纖光柵的變壓器繞組溫度檢測方法1 緒論在電力系統中，溫度過高是導致火災產生的重要原因。因此，對變壓器繞組溫度進行實時監測，通過監測溫度進行預警并采取有效措施，則可以減少相應的事故發生。光纖傳感技術是一門新興的、多學科交叉的高科技應用技術，以傳感技術為核心的大型設備健康監測逐漸成為一個重要的研究方向。相對于傳統的傳感器，光纖Bragg光柵傳感器具有體積小、重量輕、可植入結構、可復用以及無電磁干擾等優點，因而成為設備健康監測領域應用前景最好的核心傳感元件之一。在各類光纖傳感器中，光纖Bragg光柵傳感器由于適應于惡劣環境下的長期監測，成為最具前景的電類傳感器的替代品。2 變壓器繞組溫度在線監

2、測的研究現狀2.1 直接測量法對于變壓器繞組溫度的監測，工程中主要采用直接測量法。這種方法可以直接獲取繞組的溫度情況，原理就是將測溫傳感器探頭植入繞組附近，這樣便可以較準確地得到繞組的溫度分布情況。從理論上分析，這種測溫方法的結果應該較為準確，但是考慮到變壓器內部的封閉性，植入變壓器繞組中的傳感器探頭可能會破壞其結構，影響絕緣性，進一步影響變壓器的正常運行，所以這種直接測溫法對傳感器和變壓器的結構設計要求較高。2.2 光纖技術測量法光纖技術的引入為測量變壓器繞組的溫度提供了很好的一個途徑。當傳感器溫度發生變化時，光的一些物理參數會隨之改變，所以我們可以對光進行調制得到測溫探頭周圍的溫度分布情況

3、，光的調制有很多種類比如波長調制、振幅調制、頻率及相位調制等，所以根據不同的調制方法，就產生了基于光纖的不同測溫傳感器。但是每種調制方法都有其優勢和缺點，因此其應用場合也有較大區別。2.2.1 基于半導體材料的光纖傳感器半導體材料的溫度和光吸收之間存在的關系，利用半導體材料的這種特性可以制造出強度調制光纖傳感器，強度調制的方法比較多，比如反射式或者透射式調制，以及折射率和吸收系數強度調制。大多數半導體的禁帶寬度呈現出線性的負相關性，即當周圍的溫度升高時，其禁帶寬度出現線性的減小，光吸收帶的波長就會隨著溫度的升高而增大。如果選用輻射譜與吸收帶相對應的光源，溫度升高，半導體的光強下降，然后根據光強

4、和溫度的函數關系就可以通過反射光強度的數值求出半導體材料溫度的數值。現階段，半導體吸收式光纖溫度傳感器已經被用于國外大型電器設備的溫度檢測中，而且其測量效果較為良好。圖2.1傳感器測溫探頭結構這種溫度傳感器也越來越受到國內學者的親睞，并對其進行了深入的研究。這種光纖溫度傳感器主要有三部分構成：光電轉換器件、光源和敏感元件。砷化鎵半導體是常用的敏感元件，價格廉價的發光二極管可以作為光源使用，光電轉換器可以采用光電二極管。這種光纖溫度傳感器具有低成本，結構簡單而且制作時容易完成。傳感器的性能受到光強度的影響較大，這是其主要缺點，同時測量之前還需要對溫度和光照強度進行標定工作。除了溫度對光強度產生影

5、響外，測量光強的光探測器、光源光照是的不穩定、耦合損耗、光纖受到彎曲時引起的隨機起伏等因素都有可能造成影響，所以僅僅根據事先標定的溫度-光照強度函數關系無法很好的提高其測溫性能。2.2.2 熒光光纖測溫技術近些年在光纖測溫系統中，熒光光纖測溫技術成為了一種研究熱點。現在廣泛應用于ABB，通用電氣等公司的變壓器中。熒光光纖測溫儀經常被使用，將這種測溫儀埋入變壓器繞組中便可以進行溫度測量。熒光光纖傳感器自上世紀 80 年代以來就被用來進行變壓器繞組的溫度測量，該傳感器類型較多，WTS-11型變壓器繞組溫度光纖熒光型監測系統由美國Luxtron公司研發，其正常監測的溫度范圍為0-200，速度最快是可

6、以每10秒鐘進行一次測量，而且其溫度分辨率達到了1，10米左右的測溫探頭也比較有優勢，因而高壓開關柜母線開關、負載的抽頭轉換開關和電力變壓器等監測環境廣泛地應用此類傳感器。圖2.2熒光光纖測溫裝置原理圖熒光光纖測溫法是以物質所發射的熒光強度與濃度之間的線性關系及以熒光光譜的形狀和熒光峰對應的波長進行定性分析。熒光材料具有耐高溫和性能穩定的特點，光脈沖由LED光源發出，通過光纖傳輸到達傳感器進行對溫度的測量，探頭中的熒光物質受到了光譜照射，這些化學物質的分子因為吸收光從而被激發到電子激發態，它就會向外輻射熒光，使本身的能量降低到電子基態。周圍的環境溫度和熒光的衰減時間呈現一種函數關系，通過溫度和

7、熒光的衰減時間確立該函數，被測物體的溫度值就可以得到，傳感器探頭需要在變壓器繞組制造或者改進是進行操作，將多個測溫點埋設于變壓器繞組就可以盡可能的得到更準確的繞組溫度。因此這樣方法獲取的溫度值準確，但埋入的傳感器探頭影響了變壓器的絕緣性，而且此種方法后期維護困難，需要拆開變壓器，很容易影響變壓器性能，消耗很大的人力物力。上面講到了強度調制光纖傳感器和熒光光纖傳感器在變壓器繞組測溫中的應用。但在實際測溫中，只能布置單一的溫度傳感器探頭，而且這兩類傳感器無法實現光路的空分和波分復用，如果放置太多的傳感器探頭，會造成變壓器繞組中的測量線路多而且復雜，嚴重影響了變壓器的性能，也比較浪費資源。因而分布式

8、的光纖溫度傳感器可以克服一些上面提到的傳感器的不足之處。2.2.3 分布式的光纖溫度傳感器當進行溫度測量時，分布式的光纖溫度傳感器通常將光纖放置于與溫度場平行的方向，由于光在傳輸過程中具有光時域的后向散射特性，這樣被測量物體的溫度信息就包含在散射光中，分析光纖中的散射光就可以知道被測物體周圍的溫度分布。這種傳感器最大的優勢就是進行分布式測量，這對于傳統的電類傳感器來說是很難實現的，所以其應用價值比較明顯，市場中已經出現了多種該類型的傳感器。基于瑞利（Rayleigh）散射和布里淵（Brillouin）散射原理的光纖傳感器便是光時域反射（OTDR）技術的代表。這些測溫系統在空間中的定位誤差在1m

9、左右，溫度誤差一般為幾攝氏度，由于其具有定位功能，電纜的溫度測量中較廣泛地使用此類測溫系統。如果應用于變壓器繞組的測溫，則由于變壓器的結構有別于電纜，定位誤差太大，而定位誤差和溫度誤差相互制約，因此降低定位誤差之后，溫度分辨率的誤差便增大了。所以說，就目前的技術而言，分布式光纖溫度傳感器不太適合應用于變壓器繞組測溫。圖2.3 分布式的光纖溫度監測系統構架圖由于變壓器的健康狀況對大型企業的作用越來越明顯，我國的科研人員已經將其溫度監測作為了一項研究重點。有些變壓器在制造時就安裝了測量繞組的監測裝置，這樣為后續對變壓器溫度測量打下了較好的基礎，其中一部分已經投入使用，效果良好，現實意義明顯。光纖溫

10、度傳感器已經被國內的很多生產廠商作為研發的重點項目，而且不同型號的分布式光纖溫度傳感器已被生產，例如山東微感光電子公司生產的型號為MSP-2000的光纖變壓器繞組溫度測量系統等。國外的此類產品也比較多，比如加拿大Neoptix公司生產的型號為T/Guard光纖測溫系統。中國一些企業也采購了此類設備，但在實際應用中，缺點也是非常明顯的，系統調試困難，探頭體積大而且數目多，不容易放置。2.2.4 光纖Bragg光柵溫度傳感器光纖Bragg光柵溫度傳感器的優點在此顯現的更加明顯，由于這種溫度傳感器的感溫裝置是光柵，光柵是通過紫外光技術寫入光纖中的，所以傳感器探頭實際上就是光纖，非常容易安裝。總體來說

11、，光纖光柵溫度傳感器相比于其他類型的傳感器，優勢明顯，由于不需要在現場進行供電，所以變壓器周圍的強電磁干擾不會影響溫度的測量，測量的分辨率和精度高，響應速度很快，可以長時間的放置于腐蝕性強、高濕度、高溫度的測溫環境中，線路損耗和光源衰減也不會造成影響，傳感器可以實現分布式布置，實現多點測量。2.3 光纖光柵理論2.3.1 光纖Bragg光柵模式理論在研究光纖布拉格光柵的光學特性時，雖然有很多的理論分析方法，但是最常用的是模式耦合理論，此理論可以用多個耦合方程比較容易地和無微擾光波導中的微擾正反向傳輸模場。這種方法一開始僅僅適合應用于均勻結構光柵，后來隨著研究的深入，此理論拓展到非周期結構的光柵

12、。由于光敏光柵具有光致折射率改變的特性，光纖光柵的制作方法便是依據此特性，用紫外光曝光進行照射，光纖中就會發生折射率的擾動現象，這樣就可以形成光纖光柵，用neff代表總導模的有效折射率，其變化可以表示如下：neffz=neff(z)1+scos2z+(z)s代表條紋可見度，𝛬代表光柵周期，(z)是光柵周期的相移，不同的光纖光柵，其(z)和neff也不同。圖2.4裸光纖光柵的反射波長與溫度變化曲線由于目前光纖光柵的制作方法大多是用紫外光曝光，在曝光區形成干涉條紋，但是這種方法形成的折射率不能嚴格的服從于正弦分布。但對于光纖光柵的理論分析和研究具有非常重要的價值，而且這也是研究其他

13、光纖光柵的理論基礎。2.3.2 光纖測溫系統硬件設計基于光纖Bragg光柵傳感解調系統的基本原理是,溫度的改變會引起光纖光柵后向反射光中心波長的改變，通過探測波長的變化量進而求出溫度的變化。整個光纖光柵溫度測溫系統的系統框圖2.5如下圖所示，其構成包括激勵單元、耦合單元、傳感單元、解調裝置和PC機。圖2.5 光纖光柵測溫系統的系統框圖由于光纖傳感器可以采用復用技術，所以在含有多個傳感光柵的測溫系統中要求激勵光源除了能夠輸出能量較高的輸入光，還要求其輸出光的帶寬也較寬。在波分復用系統中，各個傳感光柵的中心波長不能夠重合，加上每個傳感光柵受到溫度的變化，中心波長也會出現漂移，所以各個傳感器之間的間

14、隔也需要預留，結合以上幾點，選擇ASE光源作為激勵單元，其輸出的光能量可達到13dBm，輸出的波長帶寬可以達到40納米，并且包含C波段區域，在此區間光纖光柵中心波長和溫度的函數關系接近于直線，適合應用。2.4 小結在測試過程中發現，中心波長與溫度變化有很好的線性關系，證明了光纖光柵具有很好的溫度響應特性，是一種理想的溫度傳感元件。由于光纖光柵傳感器具備許多不可替代的優越性，因此，自GMeltz等人首次報道將光纖布拉格光柵應用于傳感器以來，已經在電力工業、生物醫學、橋梁、大壩智能材料、航空航天、民用工程結構等許多領域得到了廣泛的應用。電力工業中的應用光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現長距離低

15、損耗傳輸，從而成為電力工業應用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。在電力工業中，電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷（PZT）產生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖

16、光柵傳感器實現遠距離惡劣環境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調制和解調。生物醫學應用光纖相干層析成像技術(OCT)主要應用于生物、醫學、化學分析等領域，如視網膜掃描、胃腸內視以及用于實現彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，因此，世界上有許多國家都開發出相應的產品。德國的科學家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設備。此外，利用OCT可以實現深度測量(1mm)的優勢，并已有實例應用于對生長中的細胞進行觀察和監測。智能橋梁建筑材料應用智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時實現對

17、其安全運轉、以及故障的實時監控。將光纖應用于橋梁測試中，可實現對橋梁鋼索的索力及預應力連續混凝土梁內部應力、應變特性的測量和測控，從而構成智能橋梁。加拿大的Rotest公司基于fabry-Perot白光干涉原理研制的光纖傳感器具有很高的精度和重復性，可安裝在材料或建筑物表面或埋入內部，對應變、位移、裂縫、空隙壓力等進行監測；我國的繆延彪教授建立了一種新的波長干涉儀試驗系統，該系統可實現較大范圍的絕對距離測量。航天航空導航系統應用上世紀90年代，Vali和Shorthill首次提出并實驗驗證了I-FOG原理，同時通過采用消偏結構、3軸I-FOG、EDFA光源等新型光纖器件和技術，可使光纖光柵傳感器具有成本低、體積小、重量輕和性能高等優勢，故在航天及軍事領域獲得了廣泛的應用。例如，漢普頓大學和NASA蘭利研究中心。利用光纖光柵溫度剪切應力傳