阅读说明：本技术 一种多参量感知的变压器光纤传感器安装布置方法 (Installation and arrangement method of multi-parameter sensing transformer optical fiber sensor ) 是由 平阳乐 刘子婷 韩克俊 李军 王新刚 傅春明 吕腾飞 姜良刚 温胜 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多参量感知的变压器光纤传感器的安装布置方法,本方法包括绕组测温光纤传感器、绕组压靴动态压力光纤传感器、振动光纤传感器、局部放电光纤传感器的安装布置方法。绕组测温光纤传感器包括单点式测温光纤和准分布式光纤光栅串,单点式测温光纤埋设于线饼之间的垫块中,用于测量绕组的热点温度,分布式光纤光栅串埋设在绕组外撑条中,用于测量绕组的温度场强分布。本发明为实现变压器状态全面感知、内部温度、压力、振动、局部放电多参量在线实时监测提供解决方案。(The invention discloses a method for installing and arranging a multi-parameter sensing transformer optical fiber sensor. The winding temperature measurement optical fiber sensor comprises a single-point temperature measurement optical fiber and a quasi-distributed fiber grating string, wherein the single-point temperature measurement optical fiber is embedded in a cushion block between wire cakes and used for measuring the hot point temperature of a winding, and the distributed fiber grating string is embedded in a winding outer supporting bar and used for measuring the temperature field intensity distribution of the winding. The invention provides a solution for realizing the comprehensive sensing of the state of the transformer and the online real-time monitoring of multiple parameters of internal temperature, pressure, vibration and partial discharge.)

一种多参量感知的变压器光纤传感器安装布置方法

技术领域

本发明涉及变压器监测技术领域，特别是涉及一种多参量感知的变压器光纤传感器安装布置方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中最重要的电气设备之一，维护其正常运行是整个系统可靠供电的基本保证。近年来，随着变压器容量逐步增大、电压等级不断提高，变压器的故障率和修复时间也在不断增加。影响变压器可靠运行的内部故障主要包括绝缘故障、过热故障和机械故障等。绝缘性能下降或绝缘劣化会引发局部放电。过热故障通常表现为变压器内部局部过热、温度升高，严重时会引起绝缘材料分解产生气体。机械故障往往指铁心振动异常导致夹件松动或者绕组受冲击后产生变形。这些故障可能导致变压器无法正常运行，因此必须对变压器内部绝缘、机械、过热等状态进行监测。

传统的以预防为主的定期停电检修不能实现变压器状态的实时连续监测，过度检修还会导致设备的损坏，缩短设备使用寿命。此外，现有的在线监测技术大多为温度或者局部放电等单一参量的监测，然而随着智慧变电站建设方案需求的提出，以及泛在电力物联网建设中设备状态全面感知技术要求的提出，单一参量的监测已不能满足变电设备的运行可靠性需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多参量感知的变压器光纤传感器安装布置方法，为实现变压器状态全面感知、内部温度、压力、振动、局部放电多参量在线实时监测提供解决方案。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多参量感知的变压器光纤传感器安装布置方法，包括绕组测温光纤传感器、绕组压靴动态压力光纤传感器、振动光纤传感器、局部放电光纤传感器的安装布置；

绕组测温光纤传感器包括单点式测温光纤和准分布式光纤光栅串，单点式测温光纤埋设于线饼之间的垫块中，用于测量绕组的热点温度，同一个绕组内埋设1-2个单点式测温光纤，变压器B相中埋设的单点式光纤数量为A相或C相的两倍；

分布式光纤光栅串埋设在绕组外撑条中，用于测量绕组的温度场强分布，光纤光栅串的分布贯穿绕组的轴向高度，光纤光栅串所含测温点在绕组外撑条内均匀分布，同一个绕组内埋设1-2个光纤光栅串，变压器B相中埋设的光纤光栅串数量为A相或C相的两倍；

绕组压靴动态压力光纤传感器布置在变压器上夹件压服支板下的压靴垫块内或/和变压器下夹件压服支板上的压靴垫块内，绕组压靴动态压力光纤传感器同时布置上夹件和下夹件的压靴垫块内时，同一相绕组上部和下部的绕组压靴动态压力光纤传感器位置相对应，绕组压靴动态压力光纤传感器在高低压侧对称布置；

一台变压器采用一组或一组以上的振动光纤传感器，每组包括3个分别监测x轴、y轴、z轴三个方向上的振动信号的振动光纤传感器，每组振动光纤传感器布置在变压器上夹件或者下夹件表面靠近贯通盘的位置，避免布置在变压器铁心顶部和底部；

局部放电光纤传感器布置在变压器内部器身上，分别布置在套管引线接头处、引线支架中和分接开关处，分别用于检测引线、绕组和分接开关的局放信号，三相高压引线夹持导线夹中至少布置各1个局部放电光纤传感器，三相高压引线夹持导线夹中的局部放电光纤传感器位于同一高度并且在夹持导线夹300-600mm范围内、不同高度上布置1-2个局放传感器，引线支架中至少布置3个局部放电光纤传感器，其中至少1个局部放电光纤传感器的高度位置与其他局部放电光纤传感器错开，分接开关处至少布置1个局部放电光纤传感器。

进一步的，单点式测温光纤放置在绕组热点温度点处，绕组的热点温度理论值由公式1决定：

其中，θ_h是绕组热点温度，θ_a是环境温度，θ_or是额定电流下的顶层油温升，R是额定电流下的负载损耗和空载损耗之比，K是负载系数，等于负载电流与额定电流的比值，x是变压器油的指数，Hgr是额定负载下热点对绕组顶部油的温差，y是绕组指数；

将变压器各参数带入公式1计算得到绕组的热点温度理论值，并根据变压器内部油温的分布和绕组热量的传递过程进行推算，得到绕组热点温度所在区域，将单点式测温光纤埋设在热点温度所在区域的线饼之间的垫块中。

进一步的，三相高压绕组共布置4-8个单点式测温光纤，中压绕组共布置4-8个单点式测温光纤，低压绕组共布置4-8个单点式测温光纤。

进一步的，自然油循环冷却方式下的配电变压器的x取0.8，中大型电力变压器的x取0.9，强迫油循环冷却方式的x取1.0，自然油循环和强迫油循环冷却方式下的电力变压器的y均取1.6。

进一步的，每个光纤光栅串所含测温点的数量由公式2决定：

(2)，其中，n是每个光纤光栅串所含测温点的数量，H_X是绕组的轴向高度，s是光纤光栅串相邻两个测温点之间的距离，由公式2计算得到每个光纤光栅串所含测温点的数量后，选择测温点数量满足要求的光线光栅串埋设在绕组外撑条中。

进一步的，光纤光栅串布置在内层和中间层的绕组外撑条中，最外层绕组中不设置，三相内层绕组共布置4-8个光纤光栅串，三相中间层绕组共布置4-8个光纤光栅串。

进一步的，每一相绕组布置2-8个绕组压靴动态压力光纤传感器，三相高低压侧共布置6-24个，绕组压靴动态压力光纤传感器在三相绕组中的布置位置相同。

进一步的，变压器长轴方向夹件的两端各布置1个局部放电光纤传感器以实现对局放信号的横向定位。

进一步的，每个绕组压靴动态压力光纤传感器侧面中部焊接一根接地线，传感器就近夹件处开丝孔，丝孔周围不涂漆，不涂漆范围与接地螺栓所使用的碟形弹簧外径等大，接地线连接到丝孔处接地。

进一步的，压靴垫块上开有方槽、长槽和条形槽，长槽和条形槽分别与方槽相连通，绕组压靴动态压力光纤传感器放置在方槽内，压服支板与压靴垫块的接触面完全覆盖绕组压靴动态压力光纤传感器的受力面，接地线从长槽中引出，绕组压靴动态压力光纤传感器的光纤尾纤从条形槽中引出，并且条形槽位于两个丝孔之间。

进一步的，变压器上夹件或者下夹件通过固定板连接有立方体工装，每组振动光纤传感器分别安装在立方体工装的相邻三个平面上；立方体工装用螺栓固定在固定板上，固定板上的丝孔周围不涂漆，不涂漆范围与螺栓所使用的碟形弹簧外径等大。

进一步的，局部放电光纤传感器安装在夹持引线的导线夹、专门安装局部放电光纤传感器的导线夹和引线支架中，导线夹或支架中开十字形的槽，局部放电光纤传感器放置于十字槽内，局部放电光纤传感器上部或支架外部安装一个短导线夹，避免传感器被油流冲动而移位。

进一步的，绕组外撑条内埋设的光纤光栅串及其尾纤加包皱纹纸，光纤光栅串及其尾纤与外撑条每隔150-200mm用皱纹纸包扎固定。

进一步的，所述高、中、低绕组间传感器光纤尾纤经过位置绕组纸筒配剪开口，内部绕组传感器光纤尾纤向外部引出时，绕组端圈垫块开两个平行的槽使传感器光纤尾纤穿过，并且传感器光纤尾纤穿过垫块中开槽的部分加包皱纹纸。

进一步的，所有传感器的光纤尾纤从其安装处引出，汇集后用皱纹纸每隔300-600mm固定在横轴方向的导线夹上，高低压侧分别汇集，引至光纤贯通盘位置。

本发明的有益效果：本发明提供一种多参量感知的变压器光纤传感器的安装布置方法，为实现变压器内部温度、压力、振动、局部放电多参量在线实时监测提供解决方案。在线监测能够采集故障前兆信息并故障预警，有助于发现变压器早期绝缘缺陷，及时采取针对性措施，避免发生重大或突发事故，缩短系统非计划停电时间，也能有效避免设备过度检修可能造成的损失，延长变压器的使用寿命，减少设备维护和更新费用。

传统的对变压器局部放电和振动的监测是将传感器布置在油箱外部，监测信号衰减严重且需要复杂的信号分离算法，本发明中局部放电和振动光纤传感器直接安装在变压器器身上，能更加真实、准确地反映变压器内部的绝缘和机械状态。

此外，相较于现有的变压器单一参量监测，多参量融合的综合性监测方法属于国内领先技术，监测结果更加准确、全面，简化了监测流程，提高了工作效率，节省人工成本，提升了变压器的智能化水平，适应变电站智能化改造和智慧变电站建设需求，符合泛在电力物联网建设中设备状态全面感知的要求。

附图说明

图1为本发明实施例中变压器高压侧多参量光纤传感器的布置示意图；

图2为本发明实施例中变压器低压侧多参量光纤传感器的布置示意图；

图3为压靴垫块结构及绕组压靴动态压力光纤传感器安装示意图；

图4为导线夹结构及局部放电光纤传感器安装示意图；

图5为局部放电光纤传感器上部短导线夹安装示意图；

图中：1、绕组测温光纤传感器；2、绕组压靴动态压力光纤传感器；3、振动光纤传感器；4、局部放电光纤传感器；5、压靴垫块；6、方槽；7、接地线；8、长槽；9、光纤尾纤；10、条形槽；11、导线夹；12、十字形槽；13、短导线夹；14、上夹件；15、下夹件；16、压服支板；17、引线支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种多参量感知的变压器光纤传感器的安装布置方法，为实现变压器内部温度、压力、振动、局部放电多参量在线实时监测提供解决方案。本方法包括绕组测温光纤传感器1、绕组压靴动态压力光纤传感器2、振动光纤传感器3、局部放电光纤传感器4的安装布置方法。

如图1所示，绕组测温光纤传感器1采用单点式测温光纤与准分布式光纤光栅串相结合的方式。线饼之间垫块中埋设单点式测温光纤，用于测量绕组的热点温度，每个单点式测温光纤作为一个测温引出点。单点式测温光纤放置在绕组热点温度点附近。绕组热点温度是指绕组可能出现的最高温度，公式1计算出的值是绕组热点温度的理论值，还需要采取测量手段进行测温，通过光纤检测可以实时、动态地对变压器的绕组进行检测，掌握其运行状态。

将变压器各参数代入公式1计算得到绕组的热点温度理论值，公式1为：

其中，θ_h是绕组热点温度，θ_a是环境温度，θ_or是额定电流下的顶层油温升，R是额定电流下的负载损耗和空载损耗之比，K是负载系数，等于负载电流与额定电流的比值，x是变压器油的指数，Hgr是额定负载下热点对绕组顶部油的温差，y是绕组指数。自然油循环冷却方式下的配电变压器的x取0.8，中大型电力变压器的x取0.9，强迫油循环冷却方式的x取1.0，自然油循环和强迫油循环冷却方式下的电力变压器的y均取1.6；

然后根据变压器内部油温的分布和绕组热量的传递过程进行推算，得到绕组热点温度所在区域，将单点式测温光纤埋设在热点温度所在区域的线饼之间的垫块中。

变压器油流入绕组底部，并且具有底部油温度，底部油向上流经绕组，变压器油温度是随绕组高度呈线性上升的，绕组损耗产生的热量从绕组表面向油传递，热量的传递要求绕组本身与绕组周围油之间存在温度差，所以，油温及绕组温度分布线呈两条平行直线。由于变压器油温随绕组高度呈线性上升，绕组温度也随绕组高度呈线性上升，可知绕组的热点区域位于绕组首端。借助计算机仿真工具具体计算出热点温度存在于绕组的哪一饼。

本实施例中，高压、中压绕组的热点区域位于第1、2饼之间，低压绕组位于第4、5饼之间。将单点式测温光纤埋设在热点温度所在区域的线饼之间的垫块中。三相高压绕组共布置4个单点式光纤，变压器B相电流大于A、C两相且B相绕组散热差于A、C两相，因此A、C两相各1个，B相中2个。中压绕组共布置4个单点式光纤，其中A、C两相各1个，B相中2个。低压绕组共布置4个单点式光纤，其中A、C两相各1个，B相中2个。各单点式光纤在绕组幅向档位中的分布以方便布纤为原则进行布置。

绕组外撑条中埋设准分布式光纤光栅串，用于测量绕组的温度场强分布。绕组沿高度任何位置的温升，从底部到顶部按线性增加，光纤光栅串的分布贯穿绕组的轴向高度。光纤光栅串所含测温点在撑条内均匀分布。将绕组的轴向高度1450mm、光纤光栅串相邻两个测温点之间的距离200mm带入公式2，其中n是每个光纤光栅串所含测温点的数量，H_X是绕组的轴向高度，s是光纤光栅串相邻两个测温点之间的距离，计算得到每个光纤光栅串所含测温点的数量8，8个测温点所测温度均传输到光纤尾纤上，每个光纤光栅串作为一个测温引出点。变压器绕组排列由内至外依次为：低压绕组、中压绕组、高压绕组。三相低压绕组共布置4个光纤光栅串，其中A、C两相各1个，B相中2个。中压绕组共布置4个光纤光栅串，其中A、C两相各1个，B相中2个。各光纤光栅串在绕组幅向档位中的分布以靠近引线导线夹、方便布纤为原则进行布置。

此实施例中共布置20个绕组测温引出点，其中4个从高压侧引出，如图1所示，16个从低压侧引出，如图2所示。

此实施例中三相高低压侧共布置6个绕组压靴动态压力光纤传感器2，布置在上夹件14压服支板16下的压靴垫块5内，每一相绕组布置2个，三相均布置在同一位置，其中3个从高压侧引出，如图1所示，3个从低压侧引出，如图2所示。绕组压靴动态压力光纤传感器2在高低压侧对称布置，以实现监测三相绕组变形后引起的重心偏移。

此实施例中共布置3个振动光纤传感器3，布置在变压器上夹件14表面，考虑振动信号的传播路径对振动信号的衰减，避免布置在铁心顶部和底部。考虑振动测量点与光纤贯通盘的相对位置，方便光纤尾纤在变压器内部走线和固定，将振动传感器布置在上夹件靠近贯通盘一侧，如图1所示。

此实施例中高低压侧共布置8个局部放电光纤传感器4，如图1所示三相高压引线夹持导线夹中各1个。本实施例中，局部放电光纤传感器4为超声波传感器且三相高压引线夹持导线夹在同一个高度，在C相夹持导线夹左侧300mm处、不同高度上布置1个局放传感器，以实现对局放信号的多点定位。高压侧引线支架中3个，其中2个在同一高度，1个高度错开。如图2所示，低压侧上夹件14右端靠近分接开关处设置1个局部放电光纤传感器4。

为了实现对局放信号的横向定位，也可以在变压器长轴方向夹件的两端各布置1个局部放电光纤传感器。

在此实施例中，绕组外撑条内埋设的光纤光栅串及其尾纤加包皱纹纸，光纤光栅串及其尾纤与外撑条每隔150mm用皱纹纸包扎固定。

在此实施例中，高、中、低绕组间光纤尾纤经过位置绕组纸筒配剪开口，防止压坏光纤尾纤；内部绕组光纤尾纤向外部引出时，绕组端圈垫块开两个平行的槽使光纤尾纤穿过，开槽长度随垫块的尺寸、端圈的厚度和绕组幅相变化，光纤尾纤穿过垫块中开槽的部分加包皱纹纸，防止光纤尾纤磨损。

在此实施例中，绕组压靴动态压力光纤传感器2为金属材质，为避免悬浮电位的产生，每个绕组压靴动态压力光纤传感器2侧面中部焊接一根接地线7，压靴动态动力光纤传感器2就近夹件处开丝孔，丝孔周围不涂漆，不涂漆范围与接地螺栓所使用的碟形弹簧外径等大，接地线7连接到丝孔处接地。

参照图3，在此实施例中，压靴垫块5上开比传感器外观尺寸稍大的方槽6，绕组压靴动态压力光纤传感器2放置在方槽6内，并靠近夹件侧，上夹件14压服支板16与压靴垫块5的接触面完全覆盖传感器的受力面；方槽6一侧开略宽于传感器接地线7的长槽8，并与方槽6连通，长槽8与方槽6的相对位置与传感器2及其接地线7匹配，接地线7从长槽8中引出；压靴垫块5两个丝孔间开略宽于光纤尾纤9的条形槽10，光纤尾纤9从条形槽10中引出。

在此实施例中，振动光纤传感器3为三轴传感器，分别监测x轴、y轴、z轴三个方向上的振动信号，3个传感器集中安装在立方体工装的相邻三个平面上；上夹件14上焊接与立方体工装尺寸匹配的固定板，将立方体工装用螺栓固定在固定板上，固定板上的丝孔周围不涂漆，不涂漆范围与螺栓所使用的碟形弹簧外径等大，通过不涂漆范围使工装与上夹件14等电位，避免悬浮电位发生。

参照图4和图5，在此实施例中，局部放电光纤传感器4安装在夹持引线的导线夹11、专门安装局放传感器的导线夹11和引线支架17中，导线夹11或支架17中开十字形的槽12，局部放电光纤传感器4放置于十字槽12内，导线夹11上部或支架17外部安装一个短导线夹13，覆盖在传感器4上，避免传感器4被油流冲动而移位。

参照图1和图2，在此实施例中，以上所述光纤传感器尾纤从各处引出，按顺序汇集后用皱纹纸每隔300-600mm固定在横轴方向的导线夹上，高低压侧分别汇集，引至光纤贯通盘位置。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。