基于光纤光栅技术油浸变压器绕组热点及变压器温度研究

本文介绍了变压器光纤测温的必要性，对比了三种变压器绕组光纤测温技术特点。针对深圳电网110kV油浸变压器绕组测温项目，介绍了光纤传感器的安装和测温数据分析，并与传统的绕组温度计和油温计测量数据进行了比较。实际应用证明，基于光纤光栅技术的光纤温度传感器能够安全、准确、可靠和实时的监测绕组、铁心、母排温度。

1.概述

大型变压器在运行时, 绕组温度分布是不均匀的。通过传统的热模拟法测量的技术，运行绕组的温升过程与模拟不尽相同，误差较大，法国电网已停用该测温装置[1]。在顶层油温处于正常水平的情况下，绕组的热点温度可能已发生局部过热。绕组过热一方面会造成该处油的分解并产生气泡, 另一方面还会造成该处局部绝缘累积性的老化(多次重复过热)，最终将导致绝缘击穿而损坏变压器。因此从设备安全的角度考虑，绕组热点温度的有效监测意义重大。

变压器绝缘运行寿命一般认为应遵循六度法则:年平均温度为98℃时具有正常寿命，当超过或达不到98℃时,每上升或降低6℃,则变压器寿命降低一半或延长一倍，如图1所示[2]。从资产管理的角度考虑，绕组热点温度的有效监测将保证资产在正确的工况条件下使用，而不影响变压器的寿命。

因为绕组热点温度是变压器负载的最主要限定因素，应尽力准确测出[3]。标准[4]中提出“由于热点的位置很难预先准确确定，加之油流的随意变化，各不同位置的温度也会随之变化，因此最好同时用多个传感器”。

2.变压器热点温度直接测量技术

在变压器热点温度直接测量技术上，主要采用光纤测温技术。光纤为SiO2材料，具有非常优异的绝缘特性，敏感组件测量和信号的传输均由光来完成，由于没有电信号的引入，使得光纤传感技术在变压器热点温度监测上成为可能。

目前使用光纤传感技术测量变压器热点温度主要有三种测量技术：荧光式测量，半导体式测量和光纤光栅测量。采用光纤荧光吸收式测温技术[5]和光纤半导体吸收式测量技术[6]的的绕组测温技术，受制于1根光纤只能接1个传感器的技术特点，难以实现多点的监测。光纤光栅式测量技术则可实现多点测温。

2.1 荧光式测温

荧光式测温方法是在光纤末端镀上荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量。由于受激辐射能量按指数方式衰减，衰减时间常数根据温度的不同而不同，通过测量衰减时间，从而得出测量点的温度。

由于衰减时间常数的计算是通过荧光物质受激辐射后的光强测量而换算得到的，而光强受光纤弯曲所产生的损耗、光纤接头处的插入损耗以及外接光缆的光损耗等因素影响，可能导致衰减时间常数测量误差，从而影响温度测量精度。