【正文】 —— 注入光波在光纖輸入端即 z=0 處的電場(chǎng)強(qiáng)度 、 、 —— 分別為注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的動(dòng)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(wú)關(guān)。 將式 (4— 13)和式 (4— 14)分別對(duì)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(duì)溫度的敏感性與反斯托克斯光的大致相當(dāng)。 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(jí)，終態(tài)為激發(fā)能級(jí)，而反斯托克斯過程則相反，始態(tài)為激發(fā)態(tài)能級(jí)，終態(tài)為基態(tài)能級(jí)。 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(duì)原子核發(fā)生微小的位移或振動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電極化。注入光纖的激光頻率為 ，光子的能量為 ，當(dāng)分子從能級(jí)巨被激光光子激發(fā)到能級(jí)為 的虛態(tài)，又回到能級(jí) E1：或分子從能級(jí) E2 被激光光子激發(fā)到能級(jí)為 的虛態(tài)，又回到能級(jí) E2，散射出頻率為 的光子，這一過程稱為瑞利散射。 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(shí)現(xiàn)分布式傳感測(cè)量的。 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(chǎng)、磁場(chǎng)等待測(cè)的物理量調(diào)制到后向散射光上，通過計(jì)時(shí)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。 由式 (4— 1)可以確定散射所發(fā)生的位置，通過對(duì)散射信號(hào)強(qiáng)度的分析后來確定此位置處光纖的物理特性。 圖 光學(xué)時(shí)域反射計(jì)原理框圖 早期的分布式測(cè)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(shí)現(xiàn)，但是這些方案只能傳感有限長(zhǎng)度 (或點(diǎn)數(shù) )，僅適用于很短距離的分布系統(tǒng)。光纖光柵可實(shí)現(xiàn) 90% 以上的線性度以及 0~300 攝氏度的充足測(cè)量范圍，這是傳統(tǒng) 的電傳感器所無(wú)法比擬的。 光纖測(cè)溫儀測(cè)量法維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，價(jià)格也十分昂貴，而且光纖測(cè)溫系統(tǒng)的掃描時(shí)間比較長(zhǎng)。繞組機(jī)械位移會(huì)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(cè)量這種細(xì)微的改變來達(dá)到監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀態(tài)的目的。 振動(dòng)分析法。 變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體功能 變壓器在線監(jiān)測(cè)的目的，就是通過對(duì)變壓器特征信號(hào)的采集和分析，判別出變壓器的狀態(tài)，以期檢測(cè)出變壓器的初期故障，并監(jiān)測(cè)故障狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。 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。這樣，只要測(cè)出電阻值的變化，就可達(dá) 到測(cè)量溫度的目的。 變壓器溫度的監(jiān)測(cè) 變壓器溫度的測(cè)試主要是接觸式測(cè)溫，測(cè)試方 法介紹以下兩種。 溫度測(cè)量有兩種基本形式：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量 （一） 接觸式測(cè)量 接觸式測(cè)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(cè)量時(shí)儀表的觸頭要與被測(cè)物處于熱平衡狀態(tài)，顯示結(jié)果才準(zhǔn)確。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。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。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(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r。這類光纖傳感器易實(shí)現(xiàn)，但是測(cè)量精度和靈敏度較低。因此，根據(jù)《電力系統(tǒng)預(yù)防性試驗(yàn)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(shì)、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)。其中碳的氧化物 ( CO、 CO2) 成分最多，其次是氫和烴類氣體。 超聲波監(jiān)測(cè)法有靈敏度高，能對(duì)局放源定位等優(yōu)點(diǎn)。由于甚高頻法會(huì)受到一些電暈干擾的影響，所以，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)不使用外置傳感器，而只采用內(nèi)置傳感器來獲取 PD信號(hào)。 射頻檢測(cè)法 利用羅哥夫斯基線圈從電氣設(shè)備的中性點(diǎn)處測(cè)取信號(hào)，測(cè)量的信號(hào)頻率可達(dá)30 MHz，提高了局放的測(cè)量頻率。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(dòng)噪聲，選用的頻率范圍為 70～ 150 kHz 。因?yàn)?，變壓器的?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(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)假象。 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(shí)切斷電源，使故障較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)存在，使箱體內(nèi)部壓力持續(xù)增長(zhǎng)，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。這時(shí)，應(yīng)將變壓器停止運(yùn)行，進(jìn)行檢修。在沒有查清原因之前， 嚴(yán)禁將變壓器投入運(yùn)行。 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(duì)地短路、相間短路等。 ( 4) 變壓器油位異常 正常運(yùn)行時(shí)，變壓器油位應(yīng)在油位計(jì)的 1/ 3~1/ 4 處。 排除故障時(shí)， 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。對(duì)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。而在國(guó)內(nèi)光纖光柵在高壓設(shè)備中的溫度檢測(cè)的應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，缺乏國(guó)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(chǎng)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。對(duì)于變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)其定位誤差顯然較大，若提高其定位的精度就又會(huì)降低其對(duì)溫度的分辨率，所以這種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在變壓器內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。這種溫度傳感器對(duì)變壓器繞組溫度監(jiān)測(cè)在上世紀(jì)八十年 代就有應(yīng)用，典型產(chǎn)品是美國(guó) Luxtron 公司研制的 WTS11 型變壓器繞組溫度光纖熒光型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在 0~200 ℃范圍內(nèi)，達(dá)到 1 ℃的測(cè)溫分辨率，最快能每 10 s 測(cè)量一次，光纖長(zhǎng)度帶探頭光纖最長(zhǎng)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(cè)場(chǎng)合。 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。 背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)外油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)的范圍很廣，主要包括： ( 1) 利用光纖傳感器監(jiān)測(cè) 變壓器的過熱故障 , 并通過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示變壓器各熱點(diǎn)的運(yùn)行溫度； ( 2) 監(jiān)測(cè)油中可燃?xì)怏w總量； ( 3) 在線監(jiān)測(cè)局部放電 , 包括電氣局部放電、聲音局部放電、超高頻局部放電、靜態(tài)局部放電； ( 4) 在線監(jiān)測(cè)套管的功率因數(shù)和電容； ( 5) 在線監(jiān)測(cè)油中濕度、溫度、酸度； ( 6) 在線監(jiān)測(cè)負(fù)載電流； ( 7) 在線監(jiān)測(cè)繞組頂部和底部油溫； ( 8) 在線監(jiān)測(cè)鐵心接地故障和繞組缺陷； ( 9) 在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)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(cè)冷卻裝置的功能及運(yùn)行情況。因此有必要對(duì)電力變壓器的繞組溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，防止變壓器過熱以保證變壓器安全運(yùn)行和延長(zhǎng)其設(shè)備壽命。 電力變壓器是電力系統(tǒng)中輸變電能的高壓電氣設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓、電流的轉(zhuǎn)換及功率傳輸?shù)娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)規(guī)模如此大，電壓等級(jí)如此高的情況下，一旦發(fā)生大面積的停電事故，將給國(guó)家造成巨大損失，給人民帶來巨大不便，電力系統(tǒng)的可靠性問題就顯得尤為重要。 公式、插圖和插表說明 段落、字體說明 頁(yè)眉、頁(yè)腳說明 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本論文的主要方法和研究進(jìn)展 本論文的背景和意義 Fiber Bragg grating。電力變壓器內(nèi)部屬于高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，對(duì)于變壓器 繞組溫度的監(jiān)測(cè)，光纖光柵傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的電信號(hào)傳感技術(shù)相比具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是適于電力變壓器內(nèi)部的復(fù)雜電磁環(huán)境。 本論文研究分布式光纖傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括兩方面。 Online monitoring。 Ⅱ 第一章 緒 論 第二章 各章題序及標(biāo)題小 2 號(hào)黑體 各節(jié)的二級(jí)題序及標(biāo)題 4 號(hào)黑體 電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的、最昂貴的設(shè)備之一，它的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)是否安全、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。由于變壓器采用封閉式結(jié)構(gòu)，散熱效果差，熱積累大，并長(zhǎng)期處于高電壓、大電流和滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，直接導(dǎo)致熱量集結(jié)加劇、溫度升高，威脅電氣絕緣性能。 變壓器運(yùn)行時(shí)，有一部分電磁能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊? 在線監(jiān)測(cè) 變壓器油溫和繞組熱點(diǎn)溫度對(duì)早期診斷變壓器故障十分重要， 但是因變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 影響其安全運(yùn)行的因素較多， 使得在線監(jiān)測(cè)的難度很大。半導(dǎo)體材料的吸收波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)位移，選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體光源，使其光譜范圍正好在吸 收區(qū)域，這樣透過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度的增加而減少，而從半導(dǎo)體材料反射回來的光強(qiáng)隨溫度的增加而增加，利用光探測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)的大小進(jìn)而檢測(cè)出溫度。這種方法一般在制造或繞組改造過程中埋設(shè)測(cè)點(diǎn)才可能實(shí)施，如能多埋設(shè)幾點(diǎn)可能碰上真正的最熱點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但維護(hù)技術(shù)復(fù)雜，絕緣處理比較困難，其價(jià)格也非常昂貴，四探頭的典型價(jià)格為二十多萬(wàn)人民幣。 近年來迅速發(fā) 展的光纖光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG) 傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)為市場(chǎng)提供了一種新的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫精度高， 空間定位準(zhǔn)確。密封不嚴(yán)造成滲油變壓器滲漏多發(fā)生在密封膠墊處，主要是由于密 封墊耐油性能差，在高溫下老化速度快造成的。若變壓器處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，就要立刻減輕變壓器負(fù)荷；如果負(fù)荷減輕后變壓器的溫度依然沒有明顯下降，就要立刻切斷電源，查找故障原因。油位下降或上升主要取決于油溫的下降或上升。 最常見的是單相線圈的線匝之間、層間的短路，當(dāng)短路電流很大時(shí)，線圈就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，使故障 進(jìn)一步擴(kuò)大 .主要原因有：制作繞組時(shí)， 導(dǎo)線的表面有毛刺或尖棱、絕緣扭傷、接頭焊接不良；變壓器未經(jīng)干燥處理，在運(yùn)行中受潮等。 必須指出，不管系統(tǒng)有沒有備用的電源，絕對(duì)不允許將變壓器強(qiáng)制送電。 (4) 音響中夾有放電的 吱吱 聲時(shí)，可能是變壓器器身或套管發(fā)生表面局部放電。 (1) 絕緣損壞：匝間短路等局部過熱使絕緣損壞；變壓器進(jìn)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。必要時(shí)必須進(jìn)行變壓器特性試驗(yàn)及綜合分析，才能準(zhǔn)確可靠地找出故障原因，判明事故性質(zhì)，提出較完備的合理的處理方法。 超聲檢測(cè)法主要用于定性判斷是否有局放信號(hào)，結(jié)合電脈沖信號(hào)或直接利用超聲信號(hào)對(duì)局放源進(jìn)行物理定位。該測(cè)試系統(tǒng)安裝方便，檢測(cè)設(shè)備不改變電力系統(tǒng)運(yùn)行方式。同時(shí)，用甚高頻法也可以對(duì) PD進(jìn)行定位。但由于超聲波傳輸?shù)亩嗦窂絾栴}（這是由于超聲波在不同介質(zhì)間傳播速度的差異引起的），注定了這種定位是粗糙的，難以進(jìn)行定量。當(dāng)發(fā)生過熱性故障時(shí)，熱點(diǎn)只影響到絕緣油的分解而不涉及固體絕緣的裸金屬過熱 性故障。 磁回路過熱性故障判據(jù) 在四比值法中，當(dāng) CH4/ H2= 1~3， C2H6/ CH4 1， C2H4/ C2H6 3， C2H2/ CH4 0. 5 時(shí)，變壓器存在磁回路過熱性故障。 絕緣老化及其檢測(cè) 大 多變壓器的損壞和故障都是因絕緣系統(tǒng)的損壞而造成。 變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由油氣分離、混合氣體分離、氣體監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和故障診斷等環(huán)節(jié)組成。條件屬性集為 CH4/ H C2H6/ CH C2H4/ C2H6 和 C2H2/ C2H4 這 4 對(duì)氣體的比值 , 決策屬性為診斷結(jié)果。 ( 2) 如果 H2 的含 量增大 , 而其它成分不增加時(shí) , 有可能是設(shè)備進(jìn)水或有泡存在 , 引起鐵和水的化學(xué)反應(yīng)。 接觸式的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。 （一） 獨(dú)立式電阻傳感器測(cè)溫 獨(dú)立式電阻傳感器測(cè)溫主要用于變壓器上層油溫的測(cè)量。 電阻與溫度的關(guān)系可用下式表示為 Rt = R0〔 1+ a0﹙ t t0﹚〕 Rt 為溫度 t 時(shí)的電阻值； R0 為溫度 t0時(shí)的電阻值； t0為起始溫度；一般規(guī)定為 0℃； a0 為溫度系數(shù)（以 0℃為起始溫度）。 標(biāo)尺指示范圍大，溫度指示控制器分設(shè)定溫度指示和實(shí)際溫度指示。 油中溶解性氣體分析技術(shù)。振動(dòng)分析法就是一種廣泛用于監(jiān)測(cè)這種變壓器故障的有效方法。 繞組溫度指示。 電力變壓器內(nèi)部屬于高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，若采用常規(guī)的電信號(hào)傳感器來測(cè)量變壓器內(nèi)部的溫度（特別是繞組的熱點(diǎn)溫度），如電信號(hào)傳感器測(cè)量、光纖測(cè)溫儀測(cè)量和紅外溫度傳感器測(cè)量這三種方法都沒有和變壓器繞組真 正接觸，因此測(cè)得的溫度不一定是繞組的溫度，將難以滿足要求。 (3)由光來傳輸信號(hào)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，避免了由電引起的石油易燃易爆等問題。對(duì)于較長(zhǎng)距離的分布測(cè)溫應(yīng)用，基于散射機(jī)理的分 布傳感系