电力变压器绝缘监测的光纤技术特点与应用

摘  要：电力变压器是电力系统重要的设备之一，它的性能决定着电力系统稳定安全运行。电力变压器绝缘劣化是引起电力变压器出现故障的主要原因之一，加强电力变压器绝缘情况即时监测能进一步保障电力变压器安全运行。传统电力变压器绝缘性能监测因受环境影响、监测范围和精度限制等，而光纤技术的应用给电力变压器绝缘监测技术带来了突破。本文通过实例分析了光纤技术在电力变压器绝缘监测中的应用特点。

关键字：光纤技术；光纤传感器；电力系统；变压器；绝缘；监测

 

电力变压器作为电网运行中的关键设备，它的安全性和可靠性直接决定了电网运行性能。电力变压器分为干式变压器、油浸变压器、充气变压器。由于油浸变压器具有散热性能好、损耗低、容量大、价格低等特点，得到广泛使用。电力变压器的绝缘劣化会导致电力变压器出现运行故障，要保证电力变压器的安全运行就要对它的绝缘状况进行严密监测。光纤技术（传感器），目前主要应用于油浸电力变压器，通过光纤传感器对它运行过程中的绝缘状态进行实时监测。

 

一．电力变压器绝缘监测的流程

1．数据采集的过程

要对电力变压器进行即时监测，就要将变压器与传感器预埋在一起。传感器能即时采集到变压器的运行数据，将变压器的运行数据传输给电力监测分析系统。在数据采集过程中，它要求传感器灵敏度高，能精确反应出变压器工作变化状况；传输速度快，能提供即时的变压器运行数据；抗干扰能力强，能屏蔽与被测量无关的数据信息。准确的数据采集是电力变压器绝缘监测的基础。

 

电力变压器绝缘监测的结构

2．在线监测的内容

电力变压器主要故障主要是其绝缘劣化引起的，要对电力变压器绝缘性能进行监测，主要是针对绝缘劣化产生的特性加以识别、监测。

电力变压器常见的绝缘故障 电力变压器绝缘故障产生的原因 电力变压器绝缘故障需要在线监测的内容

短路故障 变压器出口短路产生的绝缘问题；

内部引线或绕组对地短路产生的绝缘问题；

相与相之间发生短路产生的绝缘问题； 出口短路故障会使变压器温度突然升高；

变压器绕组短路将引使绕组引线扭曲变形导致局部放电；

引线之间距离改变会使绝缘材料受损让绝缘材料性能发生改变；

内部放电故障 电粒子冲击产生的绝缘问题；

局部放电产生的绝缘问题；

电粒子冲击使变压器局部温度升高，如果持续高温造成碳化现象即会产生热击穿现象；

局部放电产生的热效应使绝缘材料出现老化现象，绝缘材料的化学性质发生改变；

油或油纸绝缘故障 长期使用带来的绝绝老化问题；

变压器运行环境改变带来的绝缘老化问题；

变压器工作温度升高带来的老化问题； 变压器由于长期使用，绝缘材料会逐渐老化，使材料化学性质改变；

绝缘材料老化，会使电阻率降低，绝缘材料会加速老化；

绝缘材料老化使变压器工作温度升高，耐电强度将发生改变；

绝缘材料的老花将使绝缘同的油中微水分含量加大，变压器运行时将造成火花放电现象；

油流带静电故障 油与固体绝缘产生的静电电荷分离； 静电荷逐步分离，将会造成局部放电现象，导致绝缘材料老化，绝缘材料老化将使变压器运行温度升高；

 

二．光纤技术在电力变压器绝缘监测中的应用

1．光纤技术在变压器绝缘监测应用上的特点

从以上变压器出现的故障可以看到通常可以从介质的损耗、电容IO的变化、变压器运行温度的变化、过电压的动态变化分析电力变压器运行的状况。传统电力变压器的监测往往会出现很多问题，它主要存在灵敏度不够、温度监测有限制、耐冲击或抗干扰能力不强，使电力变压器的即时监测的数据常常出现误差。如果不能对电力变压器绝缘情况精确监控，一旦变压器绝缘出现问题，它会使电力变压器运行出现故障。

传统电力变压器监测的准确性较差，主要是受传统传感器材质的限制。而光纤材质是一种能导光的新型纤维材料，目前它广泛应用在数据传输上。光纤材质具有重量轻、韧性高、抗干扰能力强、绝缘性强、耐水性好、传输数据快速的特点。同时随着科学技术的发展，光纤材质的成本不断降低，将光纤材质应用在变压器绝缘监测中，突破了传统绝缘监测的限制，电力变压器的绝缘监测能力得到进一步提高。

2．光纤技术在传感器中的应用

由于光纤材质的特点，它能在各种恶劣环境条件下准确的采集数据和传输数据。比如在高温、高压的环境；噪声与干扰的环境、电磁场的环境；污秽和潮湿的环境等。过去这些恶劣环境都会使变压传感器的应用受到限制，然而使用光纤材质，可以突破以上的限制，稳定的发挥自己的功能。目前光纤传感器主要以两种方式被应用在监测中：

1）非功能型传感器

它是指传感器以其它非光纤材质完成电力变压器数据的采集，通过光纤进行传输，它的灵敏度比功能型传感器低。该种传感技术是应用光纤的传输优势传递出测量的数据给电力监控系统。

2）功能型传感器

该类传感器使用光纤作为敏感元件，具有数据采集和数据传输功能。该类光纤传感器应用在电力变压器绝缘监测上，使变压器的监测功能实现新的突破。目前功能型传感器在变压器监测中已成为主流传感器之一。同时功能型传感器的技术正在被人不断发掘，实现更多功能。

 

三．光纤技术在电力变压器绝缘监测中的应用实例

1．非功能型传感器的应用实例

以一只非功能型传感器的应用为例，非功能型传感器监测变压器的温度，了解变压器的运行状况。

非功能型传感器的应用原理

如果Qt定义为单位热负荷；

Q为变压器的损耗值；

F为变压器的总散热面积；

C1为与变压器性能有关的参数；

ty为温度的温升；

那么可以得到变压器的散热公式：

 

此时只要对变压器的温度进行监测就能了解变压器的工作情况。以铂电阻为材质的非功能型传感器为例，可以将它数据传输的过程描述如下：

 

铂电阻传感器应用光纤技术的传输过程

 

2．功能型传感器的应用实例

1）功能型传感器的应用原理

以一个功能型传感器的实际应用为例。功能型传感器的基本结构如图，该传感器的探头由于三根光纤组合而成。中心的光纤为探测接受光纤，左边的光纤为光源发射光纤。左边的光纤将光折射在探测光纤上，由探测接受光纤接受反射的数据。该传感器通过反射数据的变化能够分析出探测接受光纤收到的数据信息。

 

功能型传感器探头的基本结构

假设：

是光源耦合入发送光纤中的光强数据；

是纤端光场的中位置光通量密度；

是与光纤折射率相关的参数，且目前设

是光纤芯半径数值；

是与光纤耦合情况相关的参数；

光纤端射出的数值可用函数来表达：

；

此时，假设接受器光纤面为S，那么探测接收器的函数可以表示为：

通过该公式，可以得出在无异常状况下发射端与接受端之间的函数对比。

2）功能型传感器应用实验

以此公式为原理，可以分析探测接受光纤数据的变化。现以光纤光栅传感器为例，说明功能型传感器的应用。

光纤光栅传感器是指将光纤光栅作为感应器的材质完成电力变压器的即时温升监测工作，该次使用的光纤光栅类型为塑料光纤光栅电力变压器。该种光纤光珊变压器能在耐受400℃以下的温度进行较准确的在线监测，为了让塑料光纤探头具有耐腐蚀作用，塑料光纤光栅涂有聚四氟乙稀涂层使光纤探头能适应各种复杂的恶劣环境。

 

光栅光纤传感器结构图

根据以上光纤的耦合理论可以了解该结构中光波通过FBG时它的中心波长数值：

光纤纤芯的有效折射率：

光栅周期：

当中心波长因温度改变而发生变化时，可以得到中心反射波长的数据，其中L为光栅长度，可得到公式：

；

求得数值结果为：

其中光栅灵敏度为：

光纤热膨胀系数为：

光纤热光系数为：

从公式可以了解温度的变化能影响中心波长的数值。如果对中心波长的数值进行分析，就能了解温度的变化。变感器出现故障主要原因之一是因绝缘性能劣化、引起局部短路放电，形成温升。因此能够通过对温度进行监测，分析电力变压器绝缘情况，进而了解变压器运行状况。现将将该光纤光栅传感器放进不同的环境下测试：

 

 

2）功能型传感器实验的结果

以上的监测分别为：在额定温度以内随机选取八个测试点，取不同的温度了解光栅光纤传感器传输的数值与真实数值的差异：

·温度误差实验

从上图中能看到光纤光栅传感器误差监测的结果，从上图中能看到，使用功能型传感器在额定的温度内产生的误差极微小，其误差值为2℃，由于光纤材质本身就具有耐高温的特点，因此它突破传统传感器不耐高温的限制。

·回落误差检测

从上图的温度回落检测中能看到，温度的迅速回落对它的检测精度影响也极微小，外部温度的变化对它的精度影响仅仅只有1℃，因此它可以在外部温度环境复杂的情况下持续的监测，且精度可以得到保证，它突破传统传感器对环境要求高的限制。

·稳定性误差检测

将该传感器放入恒温槽中，再放入温度为40℃的环境中监测，林图中能看到它持续一段时间的监测准确度。在长达200小时的实验时间中，它能稳定的、持续的、精准的监测，它突破传统传感器监测易中断的限制。

 

四．光纤技术在电力变压器绝缘监测中应用分析

从光纤技术应用到电力变压器的绝缘监测上可以看到，它让传统变压器监测技术实现质的突破。它的突破主要体现在以下几个方面：

1．对环境适应性的突破

功能型传感器对变压器的绝缘监测环境突破更为明显。它对周围环境的要求极小。它能适应各种恶劣的环境、不受各种电磁干扰。比如光纤光栅传感器能耐高温，只要涂有防腐蚀的涂料，光纤光栅传感器就能适当恶劣的环境，抵抗酸、碱等腐蚀作用。光纤材质属于非金属材质，抗电磁干扰强。因此在各种复杂的环境下，它都能准确的采集、传输数据。

2．对精准度的突破

从非功能型传感器的应用能看到它会由于环境的变化、温度的变化、位移的变化产生精准度的偏移，在相对较恶劣环境中，它不能准确的进行数据监测。那么要对变压器绝缘监测进行数据分析就存在误差。而功能型传感器的精准度则实现质的突破，它能在各种环境中准确的在线监测，它的误差值极小，光纤技术的突破能保障人们对电力变压器准确的分析。

3．应用范围的突破

传统电压传感器的材质是以金属为主，由于其导电性对采集带电设备则会产生各种问题，甚至不能进行有效的监测，它的应用范围受到材质的限制。然而使用光纤技术的功能型传感器则完全使用光纤材质，光纤材质具有绝缘、非金属性质，它能使用的范围更加广泛，使用光纤技术，原本无法进行监测的范围也能有效监测，增大了对变压器绝缘监测的参数点。

4．材质搭配的突破

从光纤的特性可以看到，该材质既柔韧又小巧，它能与各种材质进行搭配使用。比如光纤材质能与铂电阻搭配，提高铂电阻材质传感器传输的准确度；它与光栅材质搭配能提高温度监测的灵敏度。使用光纤技术，它能根据实际需求与各种材质搭配，发挥各种材质独有的特色，光纤材质与之配合能提高了该种材质的性能。

5．不良反应的突破

光纤材质在使用时，不会产生不良后果。它不会影响周围的环境、不会改变周围环境的电磁场、不会出现各种难以控制的意外后果。使用光纤技术，使周围环境有最大的稳定性，在稳定的环境中传感器能更精准的监测各种数据。

 

总结：

传统电力变压器的监测内容不能得到精确的反馈，主要是由于受到监测材质的限制，当光纤技术在电力变压器监测应用以后，它让电力变压器的监测性能得到极大的突破。从非功能型传感变压器和功能型传感变压器的两个实例应用中可以看到，光纤技术带来的新的实时监测效果。随着光纤技术在电力变压器绝缘监测中全面应用，人们还将不断的开发它的新功能，让它能具有更广泛、更实用的应用前景。

 

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