【正文】 使用壽命，還將對變壓器安全運行造成威脅。隨著繞組及鐵心溫度的升高，它們與周圍的變壓器油通過散熱器將熱量傳遞給外部冷卻介質(zhì)。所以，變壓器溫度在線監(jiān)測對保證安全和延長設(shè)備壽命都有重要意義。因此，準確測量油溫(尤其是其熱點溫度)就顯得十分重要。 國外對電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的研究，始于60年代，但直到 70~80 年代，隨著傳感器、計算機、光纖等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，設(shè)備在線診斷技術(shù)才真正得到迅速發(fā)展。國內(nèi)有學(xué)者用砷化鎵半導(dǎo)體晶片做敏感元件，用發(fā)光二極管做光源，光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件，構(gòu)成了半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器并對其進行了研究。在繞組靠近導(dǎo)線部分埋設(shè)光纖傳感器來測溫，溫度傳感器采用的是一種穩(wěn)定的耐高溫的熒光材料，LED光源發(fā)出的光脈沖通過光纖送到與繞組接觸的溫度傳感器，該脈沖激勵傳感器的熒光材料，使其產(chǎn)生波長較長的熒光，根據(jù)返回?zé)晒獾乃p時間測出該傳感器的溫度（需進行溫度矯正）。對于變壓器內(nèi)部溫度的分布測量需要采用多個傳感頭，引出多條光纖通道，因此其應(yīng)用會受到一定限制。以目前的研究成果來看，分布式光纖測溫系統(tǒng)的測溫誤差一般為幾個攝氏度，定位誤差為一米左右，在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用于電纜的分布溫度監(jiān)測中。當(dāng)外界的被測量溫度、應(yīng)力等改變時都會導(dǎo)致反射光的中心波長發(fā)生變化。而在國內(nèi)光纖光柵在高壓設(shè)備中的溫度檢測的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，缺乏國家權(quán)威標(biāo)準, 制造工藝及質(zhì)量控制等方面都難以滿足市場及安裝要求，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)和工藝問題需要進一步研究和完善。本課題主要研究以下內(nèi)容：1．總結(jié)電力變壓器的常見故障類型2．總結(jié)電力變壓器的故障檢測方法4. 闡述了運用光纖光柵傳感器技術(shù)的優(yōu)勢；，主要利用耦合模理論分析了均勻周期光纖布喇格光柵的傳輸特性，并研究了光纖布拉格光柵的溫度特性和應(yīng)變特性；7. 分析了常用的分布式光纖光柵解調(diào)技術(shù)，并最終選用對強度波分復(fù)用解調(diào)法進行改進的技術(shù)來實現(xiàn)對溫度的在線監(jiān)測，設(shè)計了一種雙通道分布式光纖光柵溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。對于拐角及加強筋連接處的滲油或者補焊后仍滲漏的， 則需要使用鐵板在兩面連接處將鐵板裁成紡錘狀再補焊。檢修時如發(fā)現(xiàn)異物， 應(yīng)先取出異物再壓緊。 排除故障時， 首先要檢查冷卻裝置運行是否正常， 變壓器是否過負荷。 主要原因可能是由于變壓器在使用過程中，油溫經(jīng)常過熱、使用時間過長、運行時侵入潮氣或漏進雨水等。( 4) 變壓器油位異常正常運行時，變壓器油位應(yīng)在油位計的1/ 3~1/ 4處。 引起油位過低的原因主要有：環(huán)境溫度過低、殼體滲油、變壓器放油后沒有及時補油等。 變壓器短路故障、原因及處理變壓器短路故障主要有: 變壓器出口短路， 變壓器內(nèi)部引線或繞組間對地短路、相間短路等。如果發(fā)生匝間短路， 就會使各相直流電阻表現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致電源側(cè)電流略有增大， 變壓器過熱， 油溫增高，甚至?xí)忻芭萋? 匝間短路較輕時，可引起瓦斯保護動作；嚴重時，可能造成電源側(cè)過流保護或者差動保護動作。在沒有查清原因之前， 嚴禁將變壓器投入運行。音響較大而嘈雜時，可能是變壓器鐵芯的問題。分接開關(guān)的接觸不良而局部點有嚴重過熱或變壓器匝間短路，都會發(fā)出這種聲音。這時，應(yīng)將變壓器停止運行，進行檢修。此時，要停下變壓器，檢查鐵芯接地與各帶電部位對地的距離是否符合要求。引起溫度異常升高的原因有：①變壓器匝間、層間、股間短路；②變壓器鐵芯局部短路；③因漏磁或渦流引起油箱、箱蓋等發(fā)熱；④長期過負荷運行，事故過負荷；⑤散熱條件惡化等。絕緣損壞：匝間短路等局部過熱使絕緣損壞；變壓器進水使絕緣受潮損壞；雷擊等過電壓使絕緣損壞等導(dǎo)致內(nèi)部短路的基本因素。調(diào)壓分接開關(guān)故障：配電變壓器高壓繞組的調(diào)壓段線圈是經(jīng)分接開關(guān)連接在一起的，分接開關(guān)觸頭串接在高壓繞組回路中，和繞組一起通過負荷電流和短路電流，如分接開關(guān)動靜觸頭發(fā)熱，跳火起弧，使調(diào)壓段線圈短路。以上對變壓器的聲音、溫度、油位、外觀及其他現(xiàn)象對配電變壓器故障的判斷，只能作為現(xiàn)場直觀的初步判斷。突發(fā)性故障發(fā)展過程很快，瞬間就會造成嚴重后果。超聲檢測法用固定在變壓器油箱壁上的超聲傳感器接收變壓器內(nèi)部局放產(chǎn)生的超聲波來檢測局放的大小和位置。在變壓器油中，各種放電發(fā)出的光波長不同，光電轉(zhuǎn)換后，通過檢測光電流的特征可以實現(xiàn)局放的識別。電脈沖法技術(shù)的關(guān)鍵是如何有效地識別和抑制干擾，將真正的局放信號提取。隨著數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，該方法在局放在線監(jiān)測中已有較廣泛的應(yīng)用，尤其是在發(fā)電機在線監(jiān)測領(lǐng)域。雖然這個頻率范圍可避開一些電暈干擾，但并不能完全排除。超聲波監(jiān)測法局部放電所伴隨的爆裂狀的聲發(fā)射，會產(chǎn)生超聲波并以球面波的形式快速向四面八方傳播。由于它們相對于局放源的位置不同，接收到的超聲波信號之間存在時間差，通過計算就能相對準確地定位出局放源的位置。所以該方法存在受環(huán)境噪聲、電磁干擾等問題和本身衰減等因素影響，所以運用該方法的精度往往不夠，時有誤測漏測。正常運行中，變壓器內(nèi)部絕緣油與固體絕緣材料會產(chǎn)生一些非氣態(tài)的劣化產(chǎn)物外，還產(chǎn)生少量的氫、低分子烴類氣體和碳的氧化物等。故障點溫度較低時， 甲烷占的比例大。隨著溫度的升高，CO、CO2比值逐漸增大。超聲一光纖監(jiān)測法光纖傳感器利用光線本身或外部敏感元件將聲信號轉(zhuǎn)變成光強信號的變化，再轉(zhuǎn)變成電信號。非功能型光纖傳感器一般采用多模光纖，光纖不再是敏感元件，而是在光纖端面或者接合處放置機械式或者光學(xué)式的敏感元件來感受被測量物的變化，從而光纖本身只起傳輸作用。由于長時間的運行受溫度、局部放電、雜質(zhì)等多種因素的影響， 絕緣介質(zhì)會發(fā)生老化， 使絕緣性能下降，影響到變壓器運行的可靠性。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重程度有密切關(guān)系。其次，由于脫氣速度慢，所以檢測周期較長不能做到理想的“即時在線”監(jiān)測的任務(wù)；而且因為色譜儀設(shè)備復(fù)雜，檢測過程會消耗樣氣和載氣，長期使用過程中色譜柱和傳感器的性能會逐漸老化，為保證準確度，需要定期用標(biāo)準氣體對監(jiān)測裝置進行校準，需要大量的系統(tǒng)維護工作。羅杰斯比值法總結(jié)出了氣體比值代碼和故障類型之間的內(nèi)在聯(lián)系, 如表1所示。隨著故障點溫度的升高, CH4 所占的比例逐漸減少, 而C2H4 和C2H2 所占的比例逐漸增加, 嚴重過熱時將產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量的C2H2, 當(dāng)達到電弧弧道溫度時, C2H2將成為主要成分, 因此可用表2所列的方法判斷故障性質(zhì), 其中特征氣體注意值: H2 0. 15%。但出現(xiàn)高溫?zé)狳c時也會產(chǎn)生少量C2H2, 因此不應(yīng)認為凡有C2H2出現(xiàn)都視為放電性故障。變壓器運行時，其繞組和鐵芯的電能損耗都能轉(zhuǎn)化為熱能。溫度的測量是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性通過測量該性能參數(shù)從而達到測量溫度的目的。任何物體受熱后都有一部分的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。此外，非接 觸測溫法熱慣性小，可達千分之一秒。 獨立式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)：由熱電阻、絕緣套管、保護套管、接線盒及接線盒蓋組成。溫度的變化可導(dǎo)致金屬導(dǎo)體電阻的變化。（二） 壓力式溫控器測溫 壓力式溫控器的結(jié)構(gòu)及原理：主要有彈性元件（波紋管和彈簧管）、毛細管和溫包組成，三部分所構(gòu)成的密閉系統(tǒng)內(nèi)充填感溫介質(zhì)，當(dāng)被測溫度變化時，溫包內(nèi)的感溫介質(zhì)所產(chǎn)生的壓力隨之改變。 壓力式溫控器儀表的特點： 觸點功率大，溫度指示控制器采用功率較大的微動開關(guān)，簡化了控制電路，提高了變壓器運行的可靠性。隨著變電站綜合自動化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，變壓器溫度測量不僅要有本體溫度的指示，還要有數(shù)據(jù)遠傳到數(shù)百米遠的控制室里在計算機上顯示出來。當(dāng)變壓器頂層油溫達到55℃時，投入風(fēng)扇，當(dāng)油面溫度達到45℃時，退出風(fēng)扇。幾種典型的油中溶解氣體，如HCO、CHC2HC2H4和C2H2，常被用作分析的特征氣體。PD水平及其增長速率的明顯變化，能夠指示變壓器內(nèi)部正在發(fā)生的變化或反映絕緣中由于某些缺陷狀態(tài)而產(chǎn)生的固體絕緣的空洞、金屬粒子和氣泡等。 紅外測溫技術(shù)。頻率響應(yīng)分析法是一種用于判斷變壓器繞組或引線結(jié)構(gòu)是否偏移的有效方法。目前已開發(fā)出一種用于大型變壓器繞組溫度監(jiān)測的新技術(shù)，即將一條光纖嵌入變壓器繞組以便直接測量繞組的實時溫度，從而改進變壓器的預(yù)測建模技術(shù)，并達到實時監(jiān)測變壓器繞組溫度狀態(tài)的目的。另外該方法還需要知道被測物體的發(fā)射率，要保證被測物體的輻射充分抵達紅外探測器，還要盡量消除背景噪聲。由光纖光柵組成的傳感器與傳統(tǒng)的電傳感器相比具有以下優(yōu)點。 (2)測量范圍大，靈敏度高，線性度好，頻率響應(yīng)范圍寬，測量精度高。光纖傳感器的傳感頭，重量小于1 公斤。這種光時域反射技術(shù)是用來對光纖通信中光纖電纜故障檢測而創(chuàng)立的。當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中時，通過測后向散射光強隨時間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。由式(4—1)可以確定散射所發(fā)生的位置，通過對散射信號強度的分析后來確定此位置處光纖的物理特性。測量位置可由脈沖從入射端到該點，再由該點返回所用的時間討算出來。基于此原理，人們通過利用各種物理效應(yīng)，將溫度、壓力、電場、磁場等待測的物理量調(diào)制到后向散射光上，通過計時和解調(diào)后向散射光，人們就既可知道此物力量的強度大小，又可知道此物理量的空間分布。實驗和理論都發(fā)現(xiàn)玻璃(它是組成光纖的主要成分)的Rayleigh散射系數(shù)的溫度靈敏度極其微弱。OTDR技術(shù)作為分布式傳感的基礎(chǔ)，目前在大多數(shù)分布式光纖傳感系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本課題所研究的分布式溫度傳感系統(tǒng)中也正是基于OTDR技術(shù)來實現(xiàn)分布式傳感測量的。 拉曼散射的基本原理 在任何分子介質(zhì)中，自發(fā)拉曼散射將一小部分(一般約為)入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。注入光纖的激光頻率為，光子的能量為，當(dāng)分子從能級巨被激光光子激發(fā)到能級為的虛態(tài)，又回到能級E1：或分子從能級E2被激光光子激發(fā)到能級為的虛態(tài)，又回到能級E2，散射出頻率為的光子，這一過程稱為瑞利散射。 拉曼散射示意圖對于由二氧化硅分子組成的光纖，實驗發(fā)現(xiàn)：在光纖的散射信號中，除了與入射光頻率相同的瑞利(Rayleigh)散射外，還有一些其它頻率分量的散射。從經(jīng)典理論看，拉曼散射可看作泵浦光的電磁波使光纖介子分子或原子內(nèi)的電子相對原子核發(fā)生微小的位移或振動，產(chǎn)生感應(yīng)電極化?？梢宰C明，在頻率為的外場作用下，非線性介質(zhì)的簡諧振子，會出現(xiàn)新的頻率為的極化強度分量，振蕩的極化強度將發(fā)生輻射，從而產(chǎn)生頻率為的電磁波，即為各階斯托克斯或反斯托克斯散射。自發(fā)拉曼散射的斯托克斯過程中，諧振分子的始態(tài)為基態(tài)低能級，終態(tài)為激發(fā)能級，而反斯托克斯過程則相反，始態(tài)為激發(fā)態(tài)能級，終態(tài)為基態(tài)能級。D．LLong通過嚴密的理論推導(dǎo)得出反斯托克斯、斯托克斯散射光強分別為 （4—13） （4—14）式中與光纖所處環(huán)境溫度無關(guān)，取決于光纖結(jié)構(gòu)和物理特性、入射光強等。將式(4—13)和式(4—14)分別對溫度求微商，得 (4—17) (4—18)式(4—17)和式(4—18)說明斯托克斯光對溫度的敏感性與反斯托克斯光的大致相當(dāng)。根據(jù)實驗，總結(jié)出受激拉曼散射具有不同于自發(fā)拉曼散射的明顯特點，表現(xiàn)在：(1)受激拉曼散射具有極好的方向性。——注入光波在光纖輸入端即z=0處的電場強度、——分別為注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的動量在受激拉曼散射中的反斯托克斯光與斯托克斯光功率之比是式（4—21）的平方，兩者之比與光纖所處環(huán)境的溫度無關(guān)。 、分別為 （4—24） （4—25）式中 ——z=0處泵浦功率——z=0處斯托克斯光功率——分別是光纖在泵浦光、斯托克斯光波長上的衰減系數(shù)，且表示為q——有效的斯托克斯模數(shù)，、——分別對應(yīng)泵浦和斯托克斯光波數(shù)——光纖中光的速度(c真空中光速，啊光纖芯折射率)，A——光纖有效截面積L——光纖長度——實驗測得的拉曼功率增益系數(shù)h——普朗克常數(shù)根據(jù)上述理論推導(dǎo)可以得到以下結(jié)論：(1) 當(dāng)時 （4—26） （4—27）這說明，此時斯托克斯光子的轉(zhuǎn)換可以忽略，而泵浦激光功率沿光纖傳輸逐漸損耗，衰減常數(shù)為。即閾值功率隱含在下式中(430)時對應(yīng)自發(fā)拉曼散射，時對應(yīng)受激拉曼散射。因此分布式光纖溫度傳感器不能工作在受激Raman散射條件下。 系統(tǒng)技術(shù)特點分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 分布式光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)成框圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計思路外來輸入信號經(jīng)溫度傳感器( PT100、熱電偶、光纖傳感器等)轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整為標(biāo)準信號范圍, 然后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號， 經(jīng)總線傳輸至單片機控制處理，單片機也可對模/數(shù)轉(zhuǎn)換的速率進行控制， 單片機接收數(shù)據(jù)后可暫存于擴展的RAM中，也可以經(jīng)串行接口發(fā)送至計算機進行存儲和處理，同時單片機外接鍵盤和液晶顯示以方便人機交流控制。4)響應(yīng)度：反映光電器件對光信號的轉(zhuǎn)換能力的一個參數(shù)，主要參看其能探測的最小光信號的大小，表述為輸出電壓或電流的大小相對于輸出光強的比值。雪崩二極管是我們探測微弱光非常常用的器件。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子一空穴對，這就是倍增效應(yīng)。1)雪崩增益M雪崩增益表示為：式中，為反向飽和亮電流，為反向飽和暗電流。2)噪聲每個元件在工作過程中都會產(chǎn)生噪聲,雪崩二極管中,聲的主要原因就是由雪崩效應(yīng)引起的散粒噪聲和熱噪聲。因為反向電壓高增益也會增大，所以在具體使用時，就要在增益和噪聲之間相互平衡選擇。考慮到雪崩二極管的特點和本應(yīng)用的需求。因為放大器的工作指標(biāo)對后級影響很大，甚至決定整個系統(tǒng)的性能，所以，前置放大器必須保證精度、靈敏度、穩(wěn)