500kV以上超高電壓等級(jí)油浸式變壓器熒光光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

汪 晨　連子龍　程 林　鄧建鋼　陸云才

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500kV以上超高電壓等級(jí)油浸式變壓器熒光光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

汪 晨1連子龍1程 林2鄧建鋼2陸云才3

（1. 北京東方銳擇科技有限公司，北京100085； 2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430000； 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京210024）

超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保障變壓器可靠運(yùn)行的重要部分，現(xiàn)有的超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度是通過(guò)繞組溫度計(jì)算模型推算而來(lái)。變壓器內(nèi)部熱點(diǎn)溫度，除了線圈發(fā)熱通過(guò)熱傳遞引起其他位置溫度的變化外，還與變壓器線圈附近的磁通量有關(guān)，通過(guò)模型推算變壓器內(nèi)部溫度分布，誤差較大。本文論述了基于熒光余暉衰減特性與溫度關(guān)系，研究出一種熒光光纖溫度傳感技術(shù)，給出了傳感器熒光材料特性、結(jié)構(gòu)封裝，驗(yàn)證了傳感器的測(cè)溫精度和所使用材料的安全可靠性。該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用500kV以上超高壓等級(jí)油浸式變壓器中，實(shí)現(xiàn)了超高壓油浸式變壓器內(nèi)部繞組溫度真正意義上的在線監(jiān)測(cè)。

熒光光纖溫度傳感器；熒光壽命；工頻耐壓；雷電沖擊；500kV以上超高電壓等級(jí)油浸式變壓器

變壓器是電網(wǎng)一次設(shè)備的重要組成部分，變壓器的繞組熱點(diǎn)溫度是決定其絕緣壽命的主要因素。

油浸式電力變壓器溫度測(cè)量技術(shù)受制于變壓器內(nèi)部環(huán)境高電壓、大電流、高絕緣以及強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的影響，基于傳統(tǒng)電信號(hào)測(cè)量技術(shù)使用的熱電偶、熱電阻傳感器無(wú)法滿足變壓器內(nèi)部繞組熱點(diǎn)溫度測(cè)量的技術(shù)需求。目前，適用直接測(cè)量變壓器繞組溫度的傳感器只能選用光纖溫度傳感器。半導(dǎo)體光纖溫度傳感器屬于光強(qiáng)或波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器，實(shí)際使用過(guò)程中容易受到溫度、光源強(qiáng)度、光纖微彎效益、耦合損耗等因素的影響，受干擾情況比較嚴(yán)重?；诶?布里淵散射的光纖傳感器測(cè)量精度、空間分辨率和測(cè)溫范圍相互制約，保持幾個(gè)攝氏度的測(cè)溫誤差，其空間定位誤差在1m左右，對(duì)于變壓器內(nèi)部使用誤差較大。光纖光柵溫度傳感器基于波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)，但光纖光柵在原理上會(huì)受壓力、應(yīng)力、形變等等其他因素的干擾，對(duì)光柵的封裝要求非常高。

伴隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，熒光光纖溫度傳感器擁有體積小、耐高溫、耐超高壓、抗腐蝕、絕緣性能好、性價(jià)比高、不受應(yīng)力振動(dòng)干擾等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠突破其他光纖測(cè)溫技術(shù)的局限，非常適合油浸式變壓器內(nèi)部繞組熱點(diǎn)溫度的測(cè)量。

目前為止在500kV以上變壓器內(nèi)部繞組溫度監(jiān)測(cè)未有直接采用包括光纖測(cè)溫在內(nèi)的任何測(cè)溫手段。針對(duì)高等級(jí)變壓器設(shè)計(jì)要求，特別設(shè)計(jì)了耐受高等級(jí)電壓的光纖溫度探頭，并經(jīng)過(guò)工頻耐壓及雷電沖擊試驗(yàn)，完全達(dá)到變壓器內(nèi)部高等級(jí)電壓安裝要求。

1 熒光光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及傳感器基本原理

熒光光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由熒光光纖溫度傳感器、貫通器、光纖跳線、熒光解調(diào)主機(jī)、監(jiān)控軟件組成。熒光光纖溫度傳感器是該系統(tǒng)中的感溫部分，也是惟一安裝在變壓器內(nèi)部的部件。貫通器被安裝在變壓器壁上，用于連接內(nèi)部熒光光纖溫度傳感器和外部光纖跳線，起到光學(xué)聯(lián)通并能夠達(dá)到隔油密封的作用，能夠承受的壓力約7MPa。熒光解調(diào)主機(jī)用來(lái)解調(diào)熒光光纖溫度傳感器傳送出來(lái)的光學(xué)信號(hào)解析出溫度。溫度信號(hào)再通過(guò)485總線方式輸出至上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)讀出、保存、分析溫度數(shù)據(jù)。

熒光物質(zhì)的發(fā)光是能量高的光照射熒光物質(zhì)，激發(fā)出比其能量低的熒光，激發(fā)出的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間成指數(shù)規(guī)律衰減。

式中，0為=0s時(shí)的熒光強(qiáng)度；為熒光壽命，即熒光強(qiáng)度從0減小到0/e的時(shí)間長(zhǎng)度。熒光壽命，即熒光衰落時(shí)間，是按指數(shù)方式衰減的時(shí)間常數(shù)，它依賴于不同的熒光材料的特性，有幾百ns，幾ns，甚至還有亞ns。圖1所示是熒光衰減曲線。

圖1 熒光衰減曲線

根據(jù)《光子學(xué)報(bào)》，稀土熒光特性與溫度關(guān)系推算到熒光衰減時(shí)間與溫度有這樣的關(guān)系，即

式中，s、T、、D為常數(shù)；為熱力學(xué)溫度。

熒光衰減時(shí)間是溫度參數(shù)的單值函數(shù)，溫度升高，熒光壽命減小，通過(guò)測(cè)量熒光壽命可以得到溫度值，利用該方法測(cè)量的溫度只取決于熒光壽命，而與其他參量無(wú)關(guān)。

2 傳感器的熒光材料的選擇與熒光材料封裝及固定安裝方式

熒光材料作為光纖溫度傳感器感溫部分，其被激發(fā)后輻射出的熒光余暉衰減特性直接影響了整個(gè)溫度傳感器的性能。熒光材料的選擇是整個(gè)傳感器的核心之一，目前市面上熒光粉樣式種類繁多，通常在燈具及交通應(yīng)用中居多。材料大多為鹵磷酸鹽類和稀土三基色熒光粉，這類熒光粉熒光余暉時(shí)間較長(zhǎng)，同一溫度下熒光余暉衰減曲線的一致性差，并不適用于溫度傳感使用。

熒光材料的選擇需要滿足幾個(gè)要點(diǎn)：①熒光物質(zhì)能夠被特定波長(zhǎng)的光所激發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中激發(fā)光與輻射的熒光波長(zhǎng)不能太接近；②熒光材料衰減時(shí)間一致性高，當(dāng)激勵(lì)光停止時(shí)，熒光材料就會(huì)立刻停止發(fā)光，溫度相同時(shí)，衰減時(shí)間常數(shù)相同； ③熒光余輝衰減的時(shí)間常數(shù)在溫度變化時(shí)，時(shí)間常數(shù)穩(wěn)定變化；④熒光材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中長(zhǎng)期暴露不氧化、耐腐蝕、高等級(jí)耐油性；在常溫狀態(tài)下，熒光材料余輝衰減時(shí)間在3～5ms內(nèi)。

不同溫度下熒光壽命隨溫度變化的速率是不同的，根據(jù)理論公式熒光壽命隨溫度的下降而增長(zhǎng)，在溫度低于100K之后熒光壽命將趨于一個(gè)穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值即為激發(fā)態(tài)最低能態(tài)度壽命值。在不同溫度下熒光壽命隨溫度變化速率是不一樣的，在曲線的兩端變化較緩慢而在曲線的中部變化較快。對(duì)于不同的熒光材料，變化較快的溫度區(qū)間是不同的，這可以指導(dǎo)在設(shè)計(jì)熒光壽命式溫度傳感器的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)溫區(qū)間選取最合適的熒光材料，提高溫度測(cè)量的靈敏度和精確度。

Ba3MgSi2O8：Eu2+，Mn2+熒光粉采用非均相沉淀法制備，在進(jìn)紫外光波段激發(fā)條件下，占據(jù)Ba3MgSi2O8晶格上Ba2+格位的Mn2+離子的3d5能級(jí)的4T1→6A1躍遷發(fā)射605nm紅光。通過(guò)脈沖光源激發(fā)測(cè)試，該類熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生的余輝在25℃時(shí)衰減到最大值的20%所需要的時(shí)間約為5ms，隨著溫度的升高熒光余輝的衰減速率越快，在150℃時(shí)該時(shí)間參數(shù)約為3.5ms。硅酸鋇鎂為基質(zhì)制備的熒光粉化學(xué)特性穩(wěn)定、光學(xué)特性優(yōu)良，能夠滿足熒光溫度傳感器對(duì)熒光材料的選材要求。

電力系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，對(duì)傳感器的機(jī)械強(qiáng)度具有一定的要求，要解決在安裝過(guò)程中抗軸向拉力的相關(guān)問題。傳感器采用PFA高等級(jí)耐壓材料作為光纖的外保護(hù)套管，使用特氟龍絕緣塊固定在光纖末端作為抗軸向拉力結(jié)構(gòu)件。

熒光材料本身為粉末狀，為了不改變熒光物質(zhì)的物理屬性，不宜二次加工。通過(guò)玻璃熔接技術(shù)將粉末狀熒光材料封裝在透明玻璃管中，光纖端面被熒光材料包裹住確保熒光材料被激發(fā)出的熒光能夠耦合入光纖中。通過(guò)玻璃熔接方式，能夠滿足探頭在使用過(guò)程中的機(jī)械強(qiáng)度。

具有絕緣固定塊的抗軸向拉力設(shè)計(jì)，配合油浸式變壓器用絕緣墊塊的開孔，能夠?qū)晒夤饫w溫度傳感器牢固地安裝在變壓器的線圈內(nèi)。通常變壓器內(nèi)部線圈繞好后，在套裝過(guò)程中即可進(jìn)行熒光光纖溫度傳感器的安裝。在變壓器絕緣墊塊上根據(jù)設(shè)定的尺寸進(jìn)行開孔，隨著絕緣墊塊一起將熒光光纖溫度傳感器裝在變壓器繞組內(nèi)。熒光光纖溫度傳感器安裝，如圖2所示。

圖2 熒光光纖溫度傳感器安裝示意圖

3 傳感器溫度精度及可靠性測(cè)試

3.1 精度驗(yàn)證

通過(guò)解析熒光曲線的衰減函數(shù)得到被測(cè)溫點(diǎn)的溫度值，為了驗(yàn)證傳感器解析得出溫度值的準(zhǔn)確性，北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院對(duì)傳感器進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)-50℃～240℃區(qū)間進(jìn)行升溫過(guò)程，再選取12個(gè)溫度點(diǎn)讓熒光光纖傳感器得出的溫度值與標(biāo)準(zhǔn)油槽溫度值進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)測(cè)量驗(yàn)證報(bào)告，熒光光纖溫度傳感器溫度測(cè)量精度能夠達(dá)到±0.3℃，該精度能夠滿足電力系統(tǒng)中的測(cè)溫要求。溫度范圍涵蓋變壓器內(nèi)部溫度變化區(qū)間，熒光光纖溫度傳感器解析的溫度準(zhǔn)確性完全能夠滿足變壓器內(nèi)部溫度的檢測(cè)。

3.2 工頻耐壓及雷電沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

變壓器內(nèi)部電場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，傳感器是需要安裝在變壓器內(nèi)部，其本身所用的材料的安全性顯得尤為重要。為了驗(yàn)證熒光光纖溫度傳感器的絕緣性能，西安高壓研究院對(duì)熒光光纖溫度傳感器進(jìn)行了工頻耐壓和雷電沖擊測(cè)試。

空氣的絕緣等級(jí)要遠(yuǎn)低于變壓器油，被測(cè)試樣樣品進(jìn)行真空脫氣處理。試驗(yàn)過(guò)程中模擬油浸式變壓器內(nèi)部的高壓環(huán)境，使用特制試驗(yàn)工裝進(jìn)行工頻耐壓和雷電沖擊試驗(yàn)。整體工裝結(jié)構(gòu)包含電極、均壓球、導(dǎo)電桿、支撐架等，工裝兩端分別接高壓導(dǎo)線和接地導(dǎo)線。測(cè)試工裝示意圖如圖3所示，工頻耐壓和雷電沖擊試驗(yàn)工裝相同，試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D2413、ASTM D149、ASTM D3426。傳感器選用的材料均為絕緣強(qiáng)度非常高的氟材料，介電剛性約17～24kV/mm，故工頻耐壓試驗(yàn)摸底電壓參數(shù)設(shè)定在80kV，雷電沖擊摸底電壓參數(shù)設(shè)定在350kV。

圖3 高壓環(huán)境的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)于工頻耐壓試驗(yàn)，將電極間距設(shè)定為25mm，熒光光纖溫度傳感器穿過(guò)測(cè)試工裝中左邊部分的通孔，熒光光纖溫度傳感器探頭與右邊電極接觸。工裝整體放置在充滿變壓器油的容器中，工裝兩端分別接高壓導(dǎo)線和接地線。

在試區(qū)大氣=96.5kPa、=29.4℃、H=33%的條件下，采用逐步加壓方式，直至樣品達(dá)到加壓設(shè)備的極限或被擊穿（極限加壓電壓為200kV）。起始工頻耐受電壓為80.2kV之后不經(jīng)降壓而直接逐步升高耐受電壓。

表1 工頻耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)結(jié)果表明，熒光光纖溫度傳感器的工頻耐壓參數(shù)，能夠安全可靠地被安裝在油浸式變壓器 內(nèi)部。

雷電沖擊試驗(yàn)所用的試驗(yàn)工裝及安裝方式與工頻耐壓試驗(yàn)是一樣的。試區(qū)大氣=96.4kPa，= 30.6℃，H=46%條件下。起始加壓為350kV，同一電壓區(qū)間加壓三次后再提高施加電壓。電壓頻率為50Hz，脈沖波為1.2/50ms，間隔電壓為50kV，加壓保持20s。最少達(dá)到第二級(jí)加壓未出現(xiàn)擊穿，算為有效測(cè)試，高于二級(jí)加壓或目標(biāo)值出現(xiàn)擊穿為有效測(cè)試電壓值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，熒光光纖溫度傳感器能夠耐受的電壓沖擊。

表2 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 實(shí)踐應(yīng)用

熒光光纖溫度傳感器在2016年5月份應(yīng)用于一臺(tái)500kV油浸式變壓器內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)中，主要監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部繞組線圈、拉板、壓釘、油口等32個(gè)位置的熱力分布情況。油浸式變壓器在出廠前需要進(jìn)行一系列的出廠檢驗(yàn)試驗(yàn)，其中變壓器的溫升試驗(yàn)是用來(lái)驗(yàn)證變壓在工作時(shí)內(nèi)部線圈及相關(guān)熱點(diǎn)溫度是否在其正常工作范圍內(nèi)的重要手段。

將500kV變壓器的二維電場(chǎng)模型分為上端部、中部、下端部三部分，應(yīng)用Main-Insulation軟件對(duì)其尺寸參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，加載第一類邊界條件后使用默認(rèn)求解器求解得出模擬電壓數(shù)值，光纖溫度傳感器的工頻耐壓和雷電沖擊等級(jí)范圍能夠安全在該變壓器內(nèi)部安裝。

熒光光纖溫度傳感器在500kV油浸式變壓器中的安裝過(guò)程中可使用手持儀表對(duì)熒光光纖溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，確保安裝成功。線圈部分安裝完成后，熒光光纖溫度傳感器隨線圈一同進(jìn)入干燥爐進(jìn)行干燥。待干燥完成后，安裝剩余位置上的熒光光纖傳感器。壓釘、拉板、油口等位置直接通過(guò)捆綁的方式，固定在需要測(cè)量的位置上。

熒光光纖測(cè)溫傳感器感溫部分需要安裝在被檢測(cè)的變壓器內(nèi)部熱點(diǎn)上，連接器端通過(guò)貫通器連接到測(cè)溫主機(jī)上，對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行解析并實(shí)時(shí)顯示溫度值。數(shù)據(jù)通過(guò)485總線傳輸?shù)奖O(jiān)視上位機(jī)，上位機(jī)能夠顯示實(shí)時(shí)溫度曲線并將溫度保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

光纖溫度傳感器被安裝到500kV變壓器內(nèi)部，跟隨變壓器一同進(jìn)行溫升試驗(yàn)。變壓器需加載80kV電壓，通過(guò)改變變壓器負(fù)載，增大變壓器線圈電流使得線圈發(fā)熱，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)同時(shí)內(nèi)部變壓器油進(jìn)行循環(huán)散熱。整個(gè)溫升過(guò)程需要加壓80kV后保持10h以上，再撤銷電壓測(cè)量變壓器整體阻抗，然后再加30kV電壓保持4h。整個(gè)過(guò)程線圈溫度會(huì)快速上升到最大值，由于變壓器油的循環(huán)散熱，所以線圈的溫度會(huì)相對(duì)比較穩(wěn)定。在撤銷電壓測(cè)量阻抗過(guò)程中，線圈內(nèi)沒有電流，線圈溫度會(huì)下降得比較快，再次加30kV電壓后溫度再次快速上升。第二次加壓的電壓值低，在第二次加壓后，線圈溫度值應(yīng)低于第一次加壓后的溫度值。

熒光光纖溫度傳感器在整個(gè)溫升過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄溫度數(shù)據(jù)，每40s記錄一個(gè)溫度值，整個(gè)溫升試驗(yàn)16h共記錄1500個(gè)數(shù)據(jù)，圖4橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)記錄個(gè)數(shù)。溫度曲線如圖4所示。

圖4 線圈位置溫度變化過(guò)程曲線

安裝在高壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L(zhǎng)1，安裝在中壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L(zhǎng)2，安裝在低壓線圈第30餅的位置熒光光纖溫度傳感器采集溫度曲線為L(zhǎng)3。

整個(gè)溫升試驗(yàn)溫度變化趨勢(shì)符合前期推測(cè)，并且能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出各個(gè)熱點(diǎn)的具體溫度值，為變壓器的研究提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。熒光光纖溫度傳感器被安裝在變壓器內(nèi)部，與整個(gè)變壓器一起進(jìn)行絕緣和耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)均能夠順利通過(guò)再一次驗(yàn)證熒光光纖溫度傳感器的安全可靠性。

5 結(jié)論

熒光光纖傳感器將無(wú)源測(cè)溫方式成功應(yīng)用到超高電壓等級(jí)油浸式變壓器中，解決了變壓器內(nèi)部由于高壓環(huán)境的局限難以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的難題，克服了傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的不足。熒光光纖測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提供動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、安全可靠的高電壓內(nèi)部環(huán)境的溫度信息，有效地評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)，為變壓器設(shè)計(jì)水平和制造質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

熒光光纖傳感器在變壓器公司500kV油浸式變壓器中監(jiān)測(cè)溫度分布，是熒光光纖傳感器在全國(guó)最高等級(jí)變壓器中的首次應(yīng)用，也是熒光光纖傳感器在的電力系統(tǒng)中的標(biāo)志性應(yīng)用。

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Fluorescence Fiber Temperature Monitoring System Reserach Used for Above 500kV Ultra High Voltage Level Oil-immersed Transformers

Wang Chen1Lian Zilong1Cheng Lin2Deng Jian’gang2Lu Yuncai3

(1. Beijing Oriental Rayzer Technolongy Ltd, Beijing 100085； 2. State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan NARI Limited Liability Company, Wuhan 430000; 3. State Grid Jiangsu Electric Power & Research Instiute, Nanjing 210024)

Internal winding temperature real-time monitoring is an important part of guarantee reliable operation in ultra high voltage level oil-immersed transformers, the existing way to measure internal winding temperature through calculation and winding temperature calculation model. The impact of transformers internal hot-spot temperature is not only the coil temperature fever caused by heat transfer to other position changes but also the magnetic flux close to the transformer coil. Through the model calculated the temperature distribution inside the transformer have big error. This paper discusses based on the fluorescent light attenuation and temperature, find a fluorescence optical fiber temperature sensing technology, provide fluorescent sensor material properties and package structure, Verify the temperature measurement precision of the sensor and the safety and reliability of the used materials. The temperature monitoring system has been successfully applied above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers, realize the ultrahigh pressure oil-immersed transformer winding temperature on-line monitoring.

fluorescence optical fiber temperature sensor; fluorescence lifetime; power frequency withstand voltage; lightning shock; above 500kV ultra high voltage level oil-immersed transformers

國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（SGTYHT/14-JS-188）

汪 晨（1990-），男，漢族，安徽省桐城市人，碩士研究生，中級(jí)嵌入式工程師，主要從事光傳感研究工作。