電力變壓器溫度的在線監測與診斷畢業論文-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 age and strong electromagnetic environment, for the transformer winding temperature monitoring, fiber Bragg grating sensing technology pared with the traditional electrical sensor technology has inparable advantages, particularly suitable for power transformer internal plex electromagnetic environment.Application of distributed fiber optic sensor system are studied in this paper, mainly including two aspects. First of all, analyzed deeply and in detail the principle of distributed optical fiber temperature sensor system。電力變壓器溫度的在線監測與診斷摘要伴隨著我國經濟的快速發展，我國的電網運行水平也在不斷提高，電力變壓器是電力系統中最重要的、最昂貴的設備之一，它的可靠性直接關系到電網是否安全、高效、經濟的運行。其次，在系統原理明確的基礎上實現了該系統的光纖采樣及后面的軟件運算等部分，依據設計方案完成了試驗裝置，進行了試驗研究。同時在簡化系統，信息共享，減少電纜，減少占地面積，降低造價等方面變電站已改變了運行的面貌，變電站自動化己轉向了實用化階段。同時隨著特高壓項目的起動建設，對變壓器工作可靠性的要求更高。變壓器繞組最熱點的絕緣會因為過熱而老化。一般來講，由于產生的損耗不同，變壓器內部各部分的溫度也不同，繞組最高，其次為鐵心和變壓器油。光纖傳感技術種類很多，根據被外界信號調制的光波的物理特征參量的變化情況，可以將光波的調制分為光強度調制、光頻率調制、光波長調制、光相位調制和偏振調制等五種類型。因為光強度不僅與檢測的溫度有關，其還與光源強度的起伏、光纖微彎效應引起的隨機起伏、耦合損耗、光探測器性能等因素有關，所以其受干擾的情況也比較嚴重。分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿溫度場分布，借助于光在傳輸時光時域后向散射技術，根據散射光所攜帶的溫度信息來進行測量溫度。由于光纖光柵與光纖之間存在固有的兼容性，容易實現波分復用和準分布式傳感。第二章 電力變壓器的常見故障類型及診斷 變壓器油故障原因及處理( 1) 變壓器滲油變壓器質量問題造成滲油變壓器在制造過程中因鑄造、焊接質量不合格，造成砂眼、氣孔、虛焊、脫焊等現象而使變壓器滲、漏油. 這就需要加強出廠驗收，防止制造缺陷。( 2) 變壓器油溫異常變壓器正常工作時，上層油溫應控制在85 e以下。正常老化過程中產生的氣體主要是CO和CO2， 如果油質異常，在電或熱的作用下會產生各種氣體。如果油溫發生變化時，起油標的油位沒有跟隨變化，說明油位是假的， 其原因可能是由于油標管堵塞、防爆管通氣孔堵塞、呼吸管堵塞等。 變壓器自動跳閘故障及處理當變壓器各側斷路器自動跳閘后， 應先將跳閘斷路器的控制開關操作至跳閘后的位置， 并迅速投入備用變壓器， 調整運行方式和負荷分配， 維持運行系統及其設備處于正常狀態，然后進行外部檢查，查明引起跳閘的原因。(2)音響中夾有放電的吱吱聲時，可能是變壓器器身或套管發生表面局部放電。噴油爆炸的原因是變壓器內部的故障短路電流和高溫電弧使變壓器油迅速老化，而繼電保護裝置又未能及時切斷電源，使故障較長時間持續存在，使箱體內部壓力持續增長，高壓的油氣從防爆管或箱體其它強度薄弱之處噴出形成事故。變壓器套管因外力沖撞或機械應力、熱應力而破損也是引起閃絡的因素。突發性故障具有偶然性， 且沒有一個供運行人員進行監測分析和維護的過程，只能通過避雷器、繼電保護、高頻保護等手段， 使突發性故障被限制在最小的范圍之內。盡管如此， 光纖技術作為超聲技術的輔助手段應用于局放檢測，將光纖伸入到變壓器油中， 當變壓器內部發生局放時， 超聲波在油中傳播，這種機械力波擠壓光纖，引起光纖變形，導致光纖折射率和光纖長度發生變化，從而光波被調制，通過適當的解調器即可測量出超聲波，實現放電定位。脈沖電流法中將試品看作一個集中參數的對地電容，發生一次局放時， 試品電容兩端產生一個瞬時的電壓變化，通過耦合電容在檢測阻抗中產生一個脈沖電流；而UHF 法中傳感器并非起電容耦合的作用， 而是接收超高頻信號的天線。這種局部放電的監測方法就稱之為超聲波檢測法。變壓器油和固體絕緣材料在電或熱的作用下分解產生一些特征氣體。當嚴重過熱( 800e ) 時，也會產生少量乙炔， 但其含量不超過乙烯量的10%。功能型光纖傳感器一般采用單模光纖，光纖同時起傳輸和傳感作用，即光纖本身即是敏感元件?？梢圆捎脺y量電力變壓器絕緣套管電壓與套管末屏接地電流間相位差的方法，對絕緣套管介質損耗進行監測。光譜法可測量甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）和乙炔（C2H2）等故障氣體，與色譜法相比，它的優勢是安裝方便，維護工作量少，但仍需要現場脫氣和定時檢測且有靈敏度不高等缺點。 總烴( CH4+ C2H4+ C2H6+C2H2) 0. 15%。下面著重闡述獨立式電阻傳感器測溫和壓力式溫控器測溫及運行中常見故障。 而在溫度測量中主要是可見光和紅外光，因為此類 能量被接收以后，多轉換為熱能，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。純金屬及多數合金的電阻率隨溫度升高而增加，即具有正的溫度系數。 同時壓力的變化經機械傳動迫使微動開關動作，輸出信號。 變壓器冷卻系統控制邏輯有“手動”和“自動”兩種方式，“自動”方式是指按變壓器頂層油溫控制冷卻 器的啟、停,片式、管式散熱器的冷卻器包括風扇電機和油泵電機的控制。 　局部放電在線監測技術。當變壓器引線接觸不良、過負荷運行等情況時都會引起導電回路局部過熱，鐵芯多點接地也會引起鐵芯過熱。大部分電廠和變電站采用的基于電信號傳感器的測溫系統，如電阻溫度計，熱電偶等，這類電信號的傳感器易受電磁干擾，測量效果不是很理想。光纖傳感器所用材料主要是石英光纖自身就是絕緣體，結構簡單。 另外，光纖光柵傳感器相對于其他傳感器還具有抗電磁干擾性強、可應用在惡劣的環境中、可實現傳輸低損耗的分布式傳感網絡的優點，并且光纖光柵溫度傳感器還可以粘貼在變壓器繞組上來測量繞組溫度，這樣不但保證測得的溫度是繞組的溫度，還可以解決埋設傳感器技術復雜、價格昂貴的問題，同時提高靈敏度和測量精度。散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態轉變為凝固態的過程中形成的。顯然，要想在分布式光纖傳感器中使用光學反射方法進行測量，必須具備以下兩個條件：(1)是被測量的函數；(2)能從所有其它環境影響參數分離出來。用OTDR技術可以確定光纖處的損耗、光纖故障點、斷點位置，對測量點定位，因此也可以稱為光纖雷達。彈性碰撞過程中，光子與分子間并不交換能量，因此只是改變光子的運動方向并不改變激發光子的波長(即光子的能量)；在非彈性碰撞過程中，光子與分子之間的相互作用存在著能量交換，光子可以釋放或吸收聲子，在頻域上，表現為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。 纖散射光譜圖微弱的自發拉曼散射現象用拉曼散射的經典理論可定性的解釋為：光纖的成分是石英即二氧化硅分子，而二氧化硅分子是由硅和氧原子組成的，它們在分子內部按一定的方式處于運動狀態，二氧化硅分子內部粒子間的這種相對運動導致分子間感生電偶極距隨時間的周期性調制，從而對入射到光纖中的光產生散射作用；對于單色光入射，將使散射光的頻率相對于入射光而言發生一定的移動，頻率移動量的大小正好等于上述調制頻率。當分子始態處于不同能態時，吸收外場光子后產生的輻射躍遷后所處的終態也是不同的。設單位長度光纖的反斯托克斯光、斯托克斯光散射損耗(散射系數)分別為和，則長度為的光纖上的反斯托克斯、斯托克斯散射光強之比仍滿足式(4—15)，即 （4—16）考慮到光在光纖中傳輸時存在著諸如光源功率不穩、光纖的傳輸損耗、光纖彎曲造成的傳輸損耗增加等非溫度因素對反斯托克斯光強的影響，在分布式光纖溫度傳感器中，取式（4—15）反斯托克斯與斯托克斯光強的比值作溫度的傳感信號，而不是單純的取反斯托克斯光強作溫敏信號。受激拉曼散射的光功率可達到與入射光功率相比擬的程度，即入射光幾乎全部轉換成受激拉曼散射功率；而自發拉曼散射功率通常比入射光小亂7個量級，且與入射光功率呈線性關系：(3)受激拉曼散射具有明顯的閾值。(3)當時。第五章 在線監測系統硬件設計 分布式光纖溫度監測系統的組成及特點 系統主要的技術指標測溫范圍：55℃~ +125℃； 所有監測點測量時間： 1s； 測溫精度：℃； 測溫分辨率：℃ 。2)時間常數：即光電元件的反應速度，當有階躍信號輸入時。利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管。由上式可以表明，加在APD上的反向電壓不斷增大的接近時，其雪崩增益M就會迅速增大。C30902B主要參數：1)反向工作電壓:237V2)反向極限電壓:247V3)反向暗電流:4)響應度:()5)總噪聲:圖 C30902B 光譜響應曲線幾乎所有的傳感器都會受到溫度的影響，雪崩二極管也不例外。考慮到雪崩二極管輸出信號的特點，采取普通芯片做成的放大電路可能會引起阻抗失配，從而削弱輸入的信號。雪崩二極管檢測到光線后，產生的光電流信號會比較微弱，這樣很容易受到噪聲的干擾甚至被淹沒，所以，我們必須采取一定的措施，一是要對微弱信號進行放大，二是要保證信噪比，我們分別用兩個電路來完成這兩個要求。雪崩二極管負載電阻的熱噪聲為：所以,崩二極管的總噪聲(即電流均方值)為:上式表明，雪崩二極管的噪聲與其加載的反向工作電壓有著很大的關系。所以，雪崩二極管具有響應時間短，響應頻率極高以及能達到一千倍的增益?？偤蜕鲜鰩c，我們最常用的即光電倍增管和雪崩光電二極管(APD)。當激光器發出一束激光脈沖打入光纖中產生拉曼散射，光纖中各點的溫度調制了后向散射光的強度，經波分復用系統將斯托克斯光和反斯托克斯光分開，再由光電轉換模塊和信號處理模塊對這兩個信號接收和放大處理，并轉換成光纜各點的溫度信息并輸出。根據Smith理論，多模光纖的受激闕值應根據模式特性計算，一般僅需對單模光纖為基礎計算的閾值加以一個積分因子修正，大多數多模光纖的修正因子為整數，故以式(430)計算出來的作為控制多模光纖產生受激散射的閾值功率更保險。假定單模的激光器在光纖始端z=0處注入單橫模的光纖中。 受激拉曼散射在研究拉曼散射時發現，當照射到介質上的光功率提高到一定值時，介質的散射過程具有受激性質，即出現受激拉曼散射。在拉曼散射過程中，斯托克斯光強度正比于處于基態的二氧化硅分子密度，反斯托克斯光強度正比于激發態的二氧化硅分子密度。設拉曼介質由每單位體積Ⅳ個相互獨立的諧振子組成，對應于各個分子，其運動方程為 （4—4）式中 F(z，t)——外場作用力X（z,t)——分子相對于勢能最低點的偏離、m、——分別為分子的振動頻率、質量和阻尼系數介質分子極化率是x的函數，可用級數表示（4—5）取n階近似，則介質的介電常數為 （4—6）頻率為，電場E(z，t)的靜電儲能密度為 （4—7）因而作用在每個分子上的力為 （4—8）上述分析表明，頻率為的分子振動會引起介電常數在處出現調制，這導致對輻射場的調制，從而產生頻率偏移為珊。由于在一般情況下絕大多數分子均處于基態(即E1能級)，只有少數分子才可能處于受激態(即E2能級，服從玻爾茲曼分布)，故在自發拉曼散射中，發生低頻移拉曼散射(斯托克斯散射)的幾率要比發生高頻移拉曼散射(反斯托克斯散射)幾率高倍。本節介紹了Raman散射，接著對傳感光纖中Raman散射進行了理論分析。光纖中最強的散射是Rayleigh散射。系統的基本工作過程是將窄的高強度光脈沖入射光纖后，測量該脈沖后向散射信號的時間函數。對于較長距離的分布測溫應用，基于散射機理的分布傳感系統顯示出無比的優越性。(3)由光來傳輸信號，抗電磁干擾能力強，避免了由電引起的石油易燃易爆等問題。 電力變壓器內部屬于高電壓、強電磁場環境，若采用常規的電信號傳感器來測量變壓器內部的溫度（特別是繞組的熱點溫度），如電信號傳感器測量、光纖測溫儀測量和紅外溫度傳感器測量這三種方法都沒有和變壓器繞組真正接觸，因此測得的溫度不一定是繞組的溫度，將難以滿足要求。 繞組溫度指示。振動分析法就是一種廣泛用于監測這種變壓器故障的有效方法。油中溶解性氣體分析技術。 標尺指示范圍大，溫度指示控制器分設定溫度指示和實際溫度指示。 電阻與溫度的關系可用下式表示為 Rt = R0〔1+ a0﹙t t0﹚〕Rt為溫度t時的電阻值；R0為溫度t0時的電阻值；t0為起始溫度；一般規定為0℃；a0為溫度系數（以0℃為起始溫度）。（一） 獨立式電阻傳感器測溫 獨立式電阻傳感器測溫主要用于變壓器上層油溫的測量。 接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。( 2) 如果H2 的含量增大, 而其它成分不增加時, 有可能是設備進水或有泡存在, 引起鐵和水的化學反應。條件屬性集為C