【正文】 H4/ HC2H6/ CHC2H4/ C2H6 和C2H2/ C2H4 這4對(duì)氣體的比值, 決策屬性為診斷結(jié)果。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。 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。磁回路過(guò)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(guò)熱性故障。當(dāng)發(fā)生過(guò)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(guò)熱性故障。但由于超聲波傳輸?shù)亩嗦窂絾?wèn)題（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。同時(shí)，用甚高頻法也可以對(duì)PD進(jìn)行定位。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。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。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。斷線產(chǎn)生電?。壕€組導(dǎo)線焊接不良、引線連接松動(dòng)等因素在大電流沖擊下可能造成斷線，斷點(diǎn)處產(chǎn)生高溫電弧使油氣化促使內(nèi)部壓力增高。音響中夾有連續(xù)的、有規(guī)律的撞擊或摩擦聲時(shí)，可能是變壓器某些部件因鐵芯振動(dòng)而造成機(jī)械接觸，或者是因?yàn)殪o電放電引起的異常響聲，而各種測(cè)量表計(jì)指示和溫度均無(wú)反應(yīng)，這類響聲雖然異常，但對(duì)運(yùn)行無(wú)大危害，不必立即停止運(yùn)行，可在計(jì)劃?rùn)z修時(shí)予以排除。(3)變壓器帶電部分對(duì)地短路的主要原因是變壓器長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行， 絕緣老化， 變壓器油變質(zhì)、內(nèi)部絕緣有缺陷而使局部放電逐步加大， 熱穩(wěn)定失衡或局部電擊穿等。 因此，在裝油時(shí)，一定要結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁剡x擇注油的合適高度。( 3) 變壓器油質(zhì)異常新投入運(yùn)行的變壓器， 其油質(zhì)應(yīng)為淺黃色，運(yùn)行一段時(shí)間后， 逐漸變成淺紅色。因此， 在購(gòu)買或檢修更換密封膠墊時(shí)，應(yīng)選擇耐油性、耐高溫、抗老化能力強(qiáng)的密封墊， 如丁腈橡膠、氟橡膠等。每個(gè)傳感器的長(zhǎng)度為幾厘米，直徑為幾毫米，傳感器之間采用自然連接，耦合器連接或者熔接均可，并且傳感器間距可以從一厘米到幾百米，易于安裝維護(hù)與系統(tǒng)拓展，但是它的不足之處主要是對(duì)波長(zhǎng)移位的檢測(cè)需要較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器。 近年來(lái)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)。這種方法一般在制造或繞組改造過(guò)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。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(guò)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(lái)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。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。變壓器運(yùn)行時(shí)，有一部分電磁能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｓ捎谧儔浩鞑捎梅忾]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。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。 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。電力變壓器是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵?，是?guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和千家萬(wàn)戶能量來(lái)源的必經(jīng)之路。變壓器過(guò)熱故障是常見(jiàn)的多發(fā)性故障，它對(duì)變壓器的安全運(yùn)行和使用壽命具有嚴(yán)重威脅。也就是說(shuō)，在變壓器運(yùn)行時(shí)，在鐵心、繞組和鋼結(jié)構(gòu)件中均要產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪l(fā)散到周圍介質(zhì)中去，從而引起變壓器發(fā)熱和溫度升高。過(guò)去一般采用間接的模擬測(cè)量方法，準(zhǔn)確性差，而且不及時(shí)。國(guó)外已嘗試?yán)冒雽?dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電力設(shè)備的溫度狀況進(jìn)行檢測(cè)，而且取得了較好的效果。 上述兩種測(cè)溫系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)比較容易實(shí)現(xiàn)，均為單點(diǎn)式測(cè)量，但是由于其原理上的限制，不能進(jìn)行光路復(fù)用，如果要測(cè)量多個(gè)不同位置，則每個(gè)位置都需要引出光纖。光纖光柵是 20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型全光纖無(wú)源器件。 論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與原有電力變壓器在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自己的體會(huì)。如果密封墊壓緊面上有異物， 接觸面糙、偏斜都會(huì)出現(xiàn)滲漏。 如果變壓器油色發(fā)黑，說(shuō)明油質(zhì)變壞。 如果變壓器油位低于變壓器的上蓋則可能導(dǎo)致瓦斯保護(hù)誤動(dòng)作， 嚴(yán)重時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致變壓器線圈或引線油面露出，引發(fā)絕緣擊穿事故。由于大氣過(guò)電壓或操作過(guò)電壓，使繞組匝間或相間絕緣被擊穿而發(fā)生短路； 如果線圈繞得不緊， 線匝間絕緣在負(fù)載激烈變化時(shí)， 絕緣紙摩擦破損反復(fù)重合閘， 也會(huì)造成匝間短路； 變壓器油面過(guò)低或散熱受限， 致使繞組溫度過(guò)高而損壞絕緣造成整體短路等， 都會(huì)使變壓器發(fā)生短路故障。異常響聲(1)音響中夾有爆炸聲，既大又不均勻時(shí)，可能是變壓器的器身絕緣有擊穿現(xiàn)象。變壓器在負(fù)荷和散熱條件、環(huán)境溫度都不變的情況下，較原來(lái)同條件時(shí)的溫度高，并有不斷升高的趨勢(shì)，也是變壓器溫度異常升高，與超極限溫度升高同樣是變壓器故障象征。(3)第三章 電力變壓器的故障檢測(cè)方法和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體功能電力變壓器故障從發(fā)展過(guò)程上可分為兩大類：即突發(fā)性故障和潛伏性故障。光測(cè)法光測(cè)法是利用局放產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行檢測(cè)。但對(duì)于三相變壓器而言，該測(cè)試系統(tǒng)得到的信號(hào)是三相局放量的總和，無(wú)法進(jìn)行分辨，信號(hào)容易受外界干擾。甚高頻法的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)放電量的校準(zhǔn)比較可靠。另外，因?yàn)槌暡▊鞲衅魍ǔｎl帶為30～200 kHz。油中溶解氣體以CH4 和C2H4為特征氣體，二者之和常占總烴的80%以上。將三比值法與磁回路過(guò)熱判據(jù)結(jié)合使用來(lái)判斷磁回路與導(dǎo)電回路的過(guò)熱性故障。電力變壓器的絕緣基本上可以分為二種：液體絕緣和固體絕緣。油色譜在線監(jiān)測(cè)雖然已經(jīng)很普遍地被運(yùn)用，但也有許多缺點(diǎn)：首先，氣體傳感器對(duì)所監(jiān)測(cè)各種氣體均敏感，準(zhǔn)確度不高，目前國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品準(zhǔn)確度都達(dá)不到25%。特征氣體法故障點(diǎn)產(chǎn)生氣體的特征是隨故障類型、故障能量的級(jí)別以及所涉及的絕緣材料的不同而不同。變壓器是變電站重要設(shè)備之一。（二） 非接觸式測(cè)量非接觸測(cè)溫主要是利用光輻射來(lái)測(cè)量物體溫度。 傳感器：是指將感受到的物理量、化學(xué)量等信息，按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)的裝置。獨(dú)立式電阻傳感器測(cè)溫常見(jiàn)的故障有:熱電阻電阻絲之間短路或接地；熱電阻電阻絲斷開(kāi)；保護(hù)套管內(nèi)有積水或污物，局部短路；電阻元件接線盒間引出導(dǎo)線斷路：連接導(dǎo)線接觸不良使電阻值增大 或有局部短路等。設(shè)定溫度指示分左、右兩個(gè)刻度盤(pán)，各自可獨(dú)立設(shè)定，實(shí)際溫度指示為圓弧270分度，具有指示范圍大、指示清晰的特點(diǎn)。由于變壓器內(nèi)部不同的故障會(huì)產(chǎn)生不同的氣體，因此通過(guò)分析油中氣體的成分、含量、產(chǎn)氣率和相對(duì)百分比，就可達(dá)到對(duì)變壓器絕緣診斷的目的。通過(guò)對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析，從而達(dá)到對(duì)變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。繞組溫度指示器就是用于監(jiān)測(cè)變壓器繞組的溫度，給出越限報(bào)警，并在需要時(shí)啟動(dòng)保護(hù)跳閘。光纖光柵傳感技術(shù)相比傳統(tǒng)的電信號(hào)傳感技術(shù)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。 (4)體積小，重量輕。1980年羅杰斯首次提出了利用OTDR原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分布的溫度的測(cè)量。信號(hào)包括脈沖沿光纖向前傳輸過(guò)程中的散射光和在返回方向上被導(dǎo)向器(Waveguide)回收的光，它是散射單元dx位置z的函數(shù)，可表示為 （4—2）式中 Pj——發(fā)射功率W——脈沖寬度——散射波在光纖中的傳播速度——分別為散射損耗和總損耗系數(shù)，是位置z的函數(shù)——俘獲率，代表光學(xué)系統(tǒng)收集到的散射光的比例俘獲率可近似地由光纖數(shù)值孔徑NA和纖芯折射系數(shù)的關(guān)系式得出，即 (4—3) 式(4—3)對(duì)單模光纖和梯度多模光纖均適合。但是它也約只是入射光的45dB。對(duì)后面在分布光纖溫度傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)中的研究作了理論上的鋪墊。 自發(fā)拉曼散射 自發(fā)拉曼散射簡(jiǎn)介 在1923年，A．Smekal從理論上預(yù)言：當(dāng)頻率一定的單色光入射到介質(zhì)以后，除了產(chǎn)生光的反射和折射外，還會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象。整數(shù)倍的旁頻。一般情況下，二氧化硅分子密度服從波爾茲曼因子分布 （4—12）式中 k——波爾茲曼常數(shù)T——絕對(duì)溫度E——運(yùn)動(dòng)能量式（4—12）表明，由于激發(fā)態(tài)E1的能量高，故處于激發(fā)態(tài)E1的二氧化硅分子較處于基態(tài)E2的二氧化硅分子少，即自發(fā)拉曼散射中反斯托克斯光較斯托克斯光弱。受激拉曼散射的實(shí)質(zhì)是非線性效應(yīng)的一種。以受激斯托克斯光為例，當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，泵浦激光功率、斯托克斯光功率分別為 （4—22） （4—23） AntiStokes與Stokes的比值分析對(duì)于處于受激Raman散射下的光纖分子，熱平衡被破壞，隨著泉浦光在光纖中的傳輸，越來(lái)越多的受激Stokes粒子數(shù)由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，這樣經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度z后，處于能級(jí)上的粒子數(shù)迅速增加，等于甚至超過(guò)能級(jí)上的粒子數(shù)，此時(shí)、能級(jí)上的粒子數(shù)不再簡(jiǎn)單地按玻爾茲曼規(guī)律分布，用耦合波理論可推出 （4—31）可見(jiàn)R不反映溫度T的變化情況。在軟件中進(jìn)行各種設(shè)置的控制，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 可通過(guò)設(shè)定各種溫度報(bào)警類型及時(shí)輸出溫度異常點(diǎn)，并保存各時(shí)刻數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)顯示和查詢功能。與真空光電倍增管相比，雪崩光電二極管具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點(diǎn)，因而更適于實(shí)際應(yīng)用：與一般的半導(dǎo)體光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時(shí)，能使系統(tǒng)的探測(cè)性能獲得大的改善。我們要選擇一個(gè)合適的雪崩二極管，主要從下面幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行考慮。當(dāng)反向電壓逐漸升高時(shí)，雪崩二極管的噪聲就會(huì)迅速升高。首先是放大微弱信號(hào)。因此，前置放大器電路的好壞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的，它必須具有很高的輸入阻抗，以便有接收微弱有用信號(hào)的能力，而且還要保證正確放大接收到的有用的信號(hào)。3)最佳增益M倒由上式可以看出，當(dāng)雪崩二極管中的散粒噪聲和熱噪聲大小相等時(shí)，對(duì)應(yīng)著雪崩二極管有著最好的信噪比,此時(shí)的增益為最佳增益,即其中X=log綜合各個(gè)因素，結(jié)合本系統(tǒng)的需求，選用雪崩光電二極管型號(hào)為C30902B，與我們選擇的激光發(fā)生器搭配。為反向擊穿電壓，n為一常數(shù)。雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí)，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。 激光器和光纖光源采用FLDM系列多模光纖耦合半導(dǎo)體激光器中FLDM91510000T，其特性參數(shù)如下：1)中心波長(zhǎng):830～875nm2)封裝形式:PUMA3)光譜寬度:2nm4)峰值功率:10W5)光纖芯徑:105um6)整體消耗功率:20W7)激光器類型:FP型光纖的種類比較多，結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及需要，采用標(biāo)準(zhǔn)梯度多模通信光纖， 分光器分光器部分主要有兩個(gè)任務(wù)，即分離出斯托克斯光和反斯托克斯光，其規(guī)格如下：1)斯托克斯濾光片:891nm2)FWHM:16nm3)反斯托克斯濾光片:中心波長(zhǎng):826nm4)FWHM:16nm5)13耦合器分光比:503812 光電轉(zhuǎn)換器件的選擇一般我們選擇的光電轉(zhuǎn)換器主要從以下幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行考慮：1)光譜響應(yīng)：這是所有光電器件都具有的非常普遍的特性，即不同頻率的光作用后，探測(cè)器上輸出的信號(hào)也不一樣，其隨波長(zhǎng)汪的變化關(guān)系稱為探測(cè)器的光譜響應(yīng)。綜上所述，得出結(jié)論：對(duì)分布式光纖溫度傳感的注入泵浦光功率有一定的限制，即注入光纖的泵浦光功率對(duì)應(yīng)小于泵浦闋值功率。(2) 當(dāng)時(shí) （4—28） （4—29）這說(shuō)明，沿光纖傳輸?shù)谋闷旨す夤β蕩缀鯙榱?，幾乎所有的泵浦激光全部轉(zhuǎn)化為斯托克斯光。當(dāng)受激拉曼散射產(chǎn)生時(shí)，受激拉曼散射光束的空間發(fā)散角顯著變小，可與入射光發(fā)散角接近；而自發(fā)拉曼散射無(wú)明顯的方向性；(2)受激拉曼散射光的功率很強(qiáng)。取上述二式之比，有 （4—15）式中 ——反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比——反斯托克斯光波數(shù)——斯托克斯光波數(shù)c——真空中光速——拉曼頻移h——普朗克常數(shù)K——波爾茲曼常數(shù)T——環(huán)境的絕對(duì)溫度從式（4—15）得到的結(jié)論是：自發(fā)拉曼散射中反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比僅是介質(zhì)所處溫度的函數(shù)，而與注入光源的光功率等其它條件無(wú)關(guān)。而且從分析可以知道斯托克斯散射強(qiáng)度和反斯托克斯散射強(qiáng)度大體相當(dāng)，這與受激拉曼現(xiàn)象相一致，但試驗(yàn)表明自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯散射比斯托克斯要弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由經(jīng)典理論不能解釋這一現(xiàn)象。在頻移波數(shù)與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)而與組成光纖的二氧化硅結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的十分微弱的拉曼(Raman)散射光譜中，低于入射光波的頻率分量稱斯托克斯(Stokes)光，高于入射光波的頻率分量稱反斯托克斯(Anti—stokes)光，(圖中是入射光波數(shù))。激發(fā)光子與光纖分子的相互作用，分為彈性碰撞和非彈性碰撞。因此，