【正文】 接地故障和繞組缺陷； ( 9) 在線監(jiān)測儲油柜的油位 , 通過安裝傳感器提供油滲漏信息； ( 10) 在線監(jiān)測冷卻裝置的功能及運(yùn)行情況。由于在線實時監(jiān)測系統(tǒng)確定繞組熱點(diǎn)具有很高的準(zhǔn)確性， 本研究介紹的變壓器在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器采集不同點(diǎn)的油溫，經(jīng)上位機(jī)智能系統(tǒng)的分析，實時監(jiān)測變壓器油的熱點(diǎn)溫度。 利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系，可以制成半導(dǎo)體透射式和反射式光纖溫度傳感器。這種傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低廉且便于制作，其主要缺點(diǎn)是這種技術(shù)對光強(qiáng)度的改變比較敏感，測量前需要對光強(qiáng)與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定 。這種溫度傳感器對變壓器繞組溫度監(jiān)測在上世紀(jì)八十年 代就有應(yīng)用，典型產(chǎn)品是美國 Luxtron 公司研制的 WTS11 型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測系統(tǒng)，能在 0~200 ℃范圍內(nèi)，達(dá)到 1 ℃的測溫分辨率，最快能每 10 s 測量一次，光纖長度帶探頭光纖最長可達(dá)到 10 m，能廣泛應(yīng)用在電力變壓器，負(fù)載的抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)，高壓開關(guān)柜母線溫度和母線開關(guān)的監(jiān)測場合。 要獲得一定跨度范圍的整個溫度信息，使用單點(diǎn)移動式或由多個單點(diǎn)組成的準(zhǔn)分布式傳感方式既浪費(fèi)資源又在布線上造成很大的困難，這時若使用分布式光纖溫度傳感器顯然是最有效的方法。對于變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測其定位誤差顯然較大，若提高其定位的精度就又會降低其對溫度的分辨率，所以這種溫度監(jiān)測系統(tǒng)在變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。由于光纖光柵對被感測信息用波長編碼，而波長是一種絕對參量，它不會受到光源功率波動以及光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響，因而光纖光柵傳感器具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性。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(zhǔn) , 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(jìn)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(yùn)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(qiáng)度波分復(fù)用解調(diào)法進(jìn)行改進(jìn)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(qiáng)筋連接處的滲油或者補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)行是否正常， 變壓器是否過負(fù)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(yùn)行時侵入潮氣或漏進(jìn)雨水等。 ( 4) 變壓器油位異常 正常運(yùn)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(bǔ)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(hù)動作；嚴(yán)重時，可能造成電源側(cè)過流保護(hù)或者差動保護(hù)動作。在沒有查清原因之前， 嚴(yán)禁將變壓器投入運(yùn)行。 (2) 音響中夾有水的沸騰聲，發(fā)出 咕嚕咕嚕 的氣泡逸出聲，可能是繞組有較嚴(yán)重的故障，使其附近的零件嚴(yán)重發(fā)熱使油氣化。這時，應(yīng)將變壓器停止運(yùn)行，進(jìn)行檢修。 (5) 音響中夾有連續(xù)的、有規(guī)律的撞擊或摩擦聲時，可能是變壓器某些部件因鐵芯振動而造成機(jī)械接觸，或者是因為靜電放電引起的異常響聲，而各種測量表計指示和溫度均無反應(yīng)，這類響聲雖然異常，但對運(yùn)行無大危害，不必立即停止運(yùn)行，可在計劃檢修時予以排除 。 噴油爆炸 噴油爆炸的原 因是變壓器內(nèi)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(hù)裝置又未能及時切斷電源，使故障較長時間持續(xù)存在，使箱體內(nèi)部壓力持續(xù)增長，高壓的油氣從防爆管或箱體其它強(qiáng)度薄弱之處噴出形成事故。 套管閃絡(luò) 變壓器套管積垢，在大霧或小雨時造成污閃，使變壓器高壓側(cè)單相接地或相間短路。因為，變壓器的內(nèi)部故障不僅是單一方面的直觀反映， 它涉及諸多因素，有時甚至?xí)霈F(xiàn)假象。如雷擊、誤操作、負(fù)荷突變等。通常采用的超聲傳感器為壓電傳感器，為避開鐵心的磁噪聲和變壓器的機(jī)械振動噪聲，選用的頻率范圍為 70～ 150 kHz 。雖然在實驗室中利用光測法來分析局放特征及絕緣劣化機(jī)理等方面取得了很大進(jìn)展，但由于光測法設(shè)備復(fù)雜、昂貴、靈敏度低， 在實際中并未直接使用。 射頻檢測法 利用羅哥夫斯基線圈從電氣設(shè)備的中性點(diǎn)處測取信號，測量的信號頻率可達(dá)30 MHz，提高了局放的測量頻率。 超高頻檢測法 超高頻局放檢測通過檢測變壓器內(nèi)部局放產(chǎn)生的超高頻 (300～ 3 000 MHz) 電信號，實現(xiàn)局部放電的檢測和定位， UHF 法和脈沖電流法不同，脈沖電流法的頻率測量范圍一般不超過 1 MHz， UHF 法的頻率范圍為 300～ 3 000 MHz[3]。由于甚高頻法會受到一些電暈干擾的影響，所以，現(xiàn)場應(yīng)用時不使用外置傳感器，而只采用內(nèi)置傳感器來獲取 PD信號。因此，一旦能設(shè)法截取到這種超聲波，就可以判斷是否有局部放電的發(fā)生，進(jìn)而可以對局部放電位置進(jìn)行定位。 超聲波監(jiān)測法有靈敏度高，能對局放源定位等優(yōu)點(diǎn)。 變壓器內(nèi)部局部過熱的檢測 局部過熱故障包括接點(diǎn)接觸不良、磁路故障、導(dǎo)體故障等。其中碳的氧化物 ( CO、 CO2) 成分最多，其次是氫和烴類氣體。隨著熱點(diǎn)溫度的升高 ( 500e 以上 ) ，乙烯、氫組分急劇增加，比例增大。因此，根據(jù)《電力系統(tǒng)預(yù)防性試驗規(guī)程》及導(dǎo)則，通過分析油中溶解氣體的成分、特征氣體含量、變化趨勢、IEC 三比值法 來判斷變壓器是否存在內(nèi)部潛伏性故障及故障的性質(zhì)。 利用光纖傳輸光波的特性和外加光源以及光敏元件可以構(gòu)成兩種類型的光纖傳感器，即功能型光纖傳感器 和非功能型光纖傳感器。這類光纖傳感器易實現(xiàn)，但是測量精度和靈敏度較低。 絕緣介質(zhì)老化往往反映在絕緣介質(zhì)在交變電場的使用下，其極化過程發(fā)生了改變，非彈性極化增強(qiáng) ,使極化過程中的有功損耗增加，使絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗率增大。因此，分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r。 紅外吸收光譜法 利用紅外光譜法還可以對變壓器油析出氣體的單一組分或混合物中各組分進(jìn)行定量分析，尤其是對于一些較難分離，并在紫外、可見光區(qū)找不到明顯 特征峰的樣品可方便、迅速地完成定量分析。從粗糙集理論的觀點(diǎn) , 羅杰斯比值法的故障診斷表也是一張決策表。 C2H2 5*10 4%。另外 , 低能量的局部放電并不產(chǎn)生 C2H2 或只產(chǎn)生少量的 C2H2。為了有效地監(jiān)測變壓器溫度，防止變壓器的絕緣老化，延長變壓器的運(yùn)行壽命，必須采用更先進(jìn)、更可靠的監(jiān)測手段。 溫度測量有兩種基本形式：接觸式測量和非接觸式測量 （一） 接觸式測量 接觸式測量是以 “處于同一平衡狀態(tài)下的物體具有相同溫度 ”的原理為基礎(chǔ)，測量時儀表的觸頭要與被測物處于熱平衡狀態(tài)，顯示結(jié)果才準(zhǔn)確。輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、 X 光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。 變壓器溫度的監(jiān)測 變壓器溫度的測試主要是接觸式測溫，測試方 法介紹以下兩種。 獨(dú)立式電阻傳感器測溫工作原理：采用熱電阻作為測溫元件，利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變的特性來進(jìn)行測量的。這樣，只要測出電阻值的變化，就可達(dá) 到測量溫度的目的。壓力的變化通過毛細(xì)管道傳遞到儀表內(nèi)的彈性元件，使彈性元件產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)放大后，于標(biāo)度盤上指示出被測液體的溫度。 設(shè)定溫度可調(diào)，溫度指示控制器內(nèi)有兩組接點(diǎn)用戶可根據(jù)需要在規(guī)定的范圍內(nèi)設(shè)定溫度。壓力式溫控器及電接點(diǎn)僅完成本體溫度監(jiān)控功能，而遠(yuǎn)方微機(jī)監(jiān)測及越限報警等功能則需要加裝非電量 /電量轉(zhuǎn)換變送器后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，送到監(jiān)控 微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能 變壓器在線監(jiān)測的目的，就是通過對變壓器特征信號的采集和分析，判別出變壓器的狀態(tài)，以期檢測出變壓器的初期故障，并監(jiān)測故障狀態(tài)的發(fā)展趨勢。在檢測出各氣體成分及含量后，用特征 氣體法或比值法等方法判斷變壓器的內(nèi)部故障。 振動分析法。紅外熱像技術(shù)是利用紅外探測器接受被測目標(biāo)的紅外輻射信號，經(jīng)放大處理 ，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，然后通過電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖。繞組機(jī)械位移會產(chǎn)生細(xì)微的電感或電容的改變，而頻率響應(yīng)法正是通過測量這種細(xì)微的改變來達(dá)到監(jiān)測變壓器繞組狀態(tài)的目的。 第四章 分布式光纖光柵溫度傳感的理論基礎(chǔ) 分布式光纖光柵傳感器技術(shù)的優(yōu)勢 我國 60 年代就提出了不少電信號傳感器測量試驗方法，早期的電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場試用考驗，出現(xiàn)長期運(yùn)行穩(wěn)定性較差，壽命短，維護(hù)工作量大等問題。 光纖測溫儀測量法維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，價格也十分昂貴，而且光纖測溫系統(tǒng)的掃描時間比較長。 (1)絕緣性能好，能實現(xiàn)多點(diǎn)測量。光纖光柵可實現(xiàn) 90% 以上的線性度以及 0~300 攝氏度的充足測量范圍，這是傳統(tǒng) 的電傳感器所無法比擬的。 (5)適應(yīng)電力計量、保護(hù)的數(shù)字式、微機(jī)化、自動化及光通信等的發(fā)展潮流。 圖 光學(xué)時域反射計原理框圖 早期的分布式測溫是用某種方式來調(diào)制集光系數(shù)和不同于散射損耗的其它損耗機(jī)制來實現(xiàn)，但是這些方案只能傳感有限長度 (或點(diǎn)數(shù) )，僅適用于很短距離的分布系統(tǒng)。圖 以 OTDR 技術(shù)中最常見的應(yīng)用方式描述了其工作原理。 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(qiáng)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(diǎn)，再由該點(diǎn)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(qiáng)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。 圖 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。 自發(fā) 拉曼散射的理論描述 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。 可以證明，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(qiáng)度分量，振蕩的極化強(qiáng)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(yán)密的理論推導(dǎo)得出反斯托克斯、斯托克斯散射光強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)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