本文介紹了變壓器光纖測溫的必要性，對比了三種變壓器繞組光纖測溫技術特點。針對深圳電網(wǎng)110kV油浸變壓器繞組測溫項目，介紹了光纖傳感器的安裝和測溫數(shù)據(jù)分析，并與傳統(tǒng)的繞組溫度計和油溫計測量數(shù)據(jù)進行了比較。實際應用證明，基于光纖光柵技術的光纖溫度傳感器能夠安全、準確、可靠和實時的監(jiān)測繞組、鐵心、母排溫度。
1 概述
大型變壓器在運行時, 繞組溫度分布是不均勻的。通過傳統(tǒng)的熱模擬法測量的技術，運行繞組的溫升過程與模擬不盡相同，誤差較大，法國電網(wǎng)已停用該測溫裝置[1]。在頂層油溫處于正常水平的情況下，繞組的熱點溫度可能已發(fā)生局部過熱。繞組過熱一方面會造成該處油的分解并產生氣泡, 另一方面還會造成該處局部絕緣累積性的老化(多次重復過熱)，最終將導致絕緣擊穿而損壞變壓器。因此從設備安全的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測意義重大。
變壓器絕緣運行壽命一般認為應遵循六度法則:年平均溫度為98℃時具有正常壽命，當超過或達不到98℃時,每上升或降低6℃,則變壓器壽命降低一半或延長一倍，如圖1所示[2]。從資產管理的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測將保證資產在正確的工況條件下使用，而不影響變壓器的壽命。
因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素，應盡力準確測出[3]。標準[4]中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。
2 變壓器熱點溫度直接測量技術
在變壓器熱點溫度直接測量技術上，主要采用光纖測溫技術。光纖為SiO2材料，具有非常優(yōu)異的絕緣特性，敏感組件測量和信號的傳輸均由光來完成，由于沒有電信號的引入，使得光纖傳感技術在變壓器熱點溫度監(jiān)測上成為可能。
目前使用光纖傳感技術測量變壓器熱點溫度主要有三種測量技術：熒光式測量，半導體式測量和光纖光柵測量。采用光纖熒光吸收式測溫技術[5]和光纖半導體吸收式測量技術[6]的的繞組測溫技術，受制于1根光纖只能接1個傳感器的技術特點，難以實現(xiàn)多點的監(jiān)測。光纖光柵式測量技術則可實現(xiàn)多點測溫。
2.1 熒光式測溫
熒光式測溫方法是在光纖末端鍍上熒光物質，經(jīng)過一定波長的光激勵后，熒光物質受激輻射出熒光能量。由于受激輻射能量按指數(shù)方式衰減，衰減時間常數(shù)根據(jù)溫度的不同而不同，通過測量衰減時間，從而得出測量點的溫度。
由于衰減時間常數(shù)的計算是通過熒光物質受激輻射后的光強測量而換算得到的，而光強受光纖彎曲所產生的損耗、光纖接頭處的插入損耗以及外接光纜的光損耗等因素影響，可能導致衰減時間常數(shù)測量誤差，從而影響溫度測量精度。
2.2 半導體測溫
半導體測溫原理是在光纖末端加入砷化鎵晶體，當光源發(fā)出多重波長的光照射到砷化鎵晶體時，該晶體在不同的溫度會吸收不同波長的光，同時將剩余不能吸收的波長的光反射回去。通過檢測反射光的光譜，換算出測量溫度。
半導體測溫由于測量的是光的頻譜，不是光強，因此測量不受光功率影響，但是在實際操作過程中，光路的變化(如光纜的重新布置, 傳感器的重新熔接)還會影響測溫的準確性，還須重新定標，確保溫度測量的準確性[7]。同熒光式測溫技術一樣，溫度敏感組件都是處于光纖的末端，單根光纖只能接一個傳感器。
2.3 光纖光柵測溫
光纖光柵是在光纖上制作的、只反射特定波長的光傳感組件。該器件反射的波長與溫度具有優(yōu)異的線性關系，和溫度線性擬合的相關系數(shù)可達99.99%。通過測量光纖光柵反射回的光的波長，即可換算出測量點的溫度。
在單根光纖上的不同位置可以刻寫不同波長的光纖光柵傳感器，通過波分復用技術，實現(xiàn)單根光纖多達18個光纖光柵傳感器的串聯(lián)。
2.4 三種光纖測溫技術的比較
3 光纖光柵繞組熱點測溫原理
光纖光柵是通過相位掩模板制造技術，光纖經(jīng)過激光照射形成光波長反射器件。一定帶寬的光與光纖光柵場發(fā)生作用，光纖光柵反射回特定中心波長的窄帶光，并沿原傳輸光纖返回;其余寬帶光沿光纖繼續(xù)傳輸。
反射的中心波長隨作用于光纖光柵的溫度變化而線性變化，從而使光纖光柵成為性能優(yōu)異的溫度測量元件。通過測量光纖光柵反射的中心波長，即可測量出光纖光柵溫度傳感器測量點相應的溫度值。
沿光纖繼續(xù)傳輸?shù)耐干涔饫^續(xù)傳輸給其它具有不同中心波長的光纖光柵，并逐一反射各個光纖光柵的中心波長，通過測量各反射光的中心波長，從而實現(xiàn)一根光纖上多個光纖光柵溫度傳感器的串聯(lián)。
4 變壓器繞組測溫系統(tǒng)主要構成
4.1 光纖光柵測溫主機
該測溫主機是光纖光柵測溫主機，除了具備在線測量繞組熱點溫度的功能之外，還有多路光纖通道和8路繼電器及數(shù)據(jù)傳輸接口，內置了Modbus和IEC61850傳輸協(xié)議。
4.2 光纖光柵溫度傳感器
光纖光柵溫度傳感器不受電磁干擾，與變壓器油相容，可耐受諸如煤油氣相干燥，熱油循環(huán)等變壓器制造過程。傳感器可方便的安裝到變壓器繞組、鐵心、母線排、電氣接點等熱點區(qū)域。
4.3 光纖接口板
光纖接口板由不銹鋼材料制成(專利號：ZL201120115532.1)，安裝在變壓器油箱壁上，在保證變壓器不漏油的情況下，實現(xiàn)光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牡蛽p耗傳輸。
5 深圳電網(wǎng)110kV主變溫度測量案例
5.1 傳感器監(jiān)測位置和數(shù)量
經(jīng)與變壓器廠商議，在A，B，C三相高壓繞組上，每相安裝2個傳感器，位置分別在第二和第三個線餅之間、第四和第五個線餅之間;頂層和底層油溫部分，各安裝兩個傳感器;鐵芯上安裝2個傳感器;母線排上安裝3個傳感器。如圖6所示：
5.2 傳感器在變壓器中的安裝
傳感器在繞組、鐵芯、母線排及頂層油的安裝如圖7-10所示：
5.3 測量結果及分析
5.3.1 繞組熱點溫度、頂層油溫度及溫升分析
表2是溫升試驗中，繞組、鐵芯、母線與油溫度穩(wěn)定后的測量結果。
注：*1，表示傳感器安裝在第2、3線餅間;*2，表示傳感器安裝在第4、5線餅間;
所測量的繞組最高溫度在C相高壓繞組上第二個線餅和第三個線餅之間，為110.6℃，根據(jù)標準[4]，該點即作為繞組熱點溫度。
根據(jù)標準[4]中規(guī)定的溫度分布模型，已知銅油溫差為20K，作圖如下：
該臺變壓器的銅油溫差為20K，根據(jù)熱點溫度模擬計算法，熱點系數(shù)選擇1.3，則模擬計算的熱點溫度=頂層油溫(油溫計測量溫度為81.6℃)+熱點系數(shù)×銅油溫差，為107.6℃，計算的熱點溫升為107.6-27.3=80.3K。
標準[4]中規(guī)定了頂層油溫升限制為60K，但沒有規(guī)定熱點溫升限制，標準[8]則規(guī)定了熱點溫升限制為78K。
5.3.2 繞組溫度分析
從測量結果看，第二、三個線餅間的溫度高于第四、五線餅間的溫度;相同位置不同繞組的測量溫度較為接近。
因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素, 應盡力準確測出[3]，標準[4]中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。由于在2、3餅之間各放置了1個傳感器，為了更加準確的評估變壓器的繞組熱點溫度，因此傳感器數(shù)量有必要增加，以測量出繞組可能存在的更高溫度。
5.3.3 頂層油溫測量結果比較
采用傳統(tǒng)的Pt100油溫計與采用光纖光柵技術測量的油溫比較如圖12所示，可看出當溫度穩(wěn)定之后：
(1)光纖測量的兩個頂層油溫非常接近，相差0.2℃;
(2)Pt100油溫計測量的兩個頂層油溫相差2.3℃，最大值比光纖測量溫度差大約0.5℃。Pt100油溫計2在5:00-5:30時間段，溫度突變9.4℃，判斷可能存在測量故障。在變壓器投運不久，該Pt100傳感器果然出現(xiàn)故障，并更換。
5.3.4 光纖測溫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析
從圖13可看出，繞組、鐵芯，還是母排在溫升試驗期間溫度數(shù)據(jù)變化均非常平穩(wěn)，本項目所采用光纖測溫系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準確。
5.3.5 變壓器運行后的數(shù)據(jù)比較
圖14是變壓器投運后連續(xù)6天的繞組溫度計測量溫度(線溫)、光纖測量的熱點溫度和對應的電流負載關系圖，圖15是油溫計和光纖測量的頂層油溫和對應的電流負載關系圖。
由圖14和圖15可以看出：
1) 光纖測量的溫度能夠更準確的跟蹤電流負載的變化;
2) 所測量到繞組上的熱點溫度隨負載電流不一樣高于線溫0-8K。
3) 鐵芯溫度高于繞組熱點溫度。
6 共性問題探討
應該看到，光纖測溫技術為變壓器繞組熱點溫度的監(jiān)測提供了一種有效的技術手段。為了更準確測量到繞組熱點溫度，有必要增加測點數(shù)量，增加發(fā)現(xiàn)最高熱點溫度的幾率。
所測量溫度數(shù)據(jù)如何系統(tǒng)的指導變壓器使用方對變壓器運行、維護和檢修等工作，甚至結合油色譜和局放技術，對變壓器的潛在問題評估及壽命預測，是非常有意義的、待實施的工作。
7 結束語
基于光纖光柵測溫技術的變壓器繞組溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的實用價值，其直接、準確和實時的測溫效果，明顯提高了變壓器的監(jiān)測效率，降低了運維費用，同時有效避免了變壓器惡性事故的發(fā)生，在不降低變壓器壽命的情況下，保障變壓器更高負載的運行，實踐證明該方法行之有效。
參考文獻
[1] 陸萬烈, 夏業(yè)勤, 變壓器繞組溫度測量的“熱模擬”誤差, 變壓器, 1999, 36(10): 15～17
[2] IEEE STD C57.100-1999
[3] IEC. Loading guide for oil-immersed power transformer, revision of publication 354. 1991
[4] 余崇高，淺談變壓器的全壽命價格，內蒙古水利，2009(1)
[5] 陳軍, 光纖測溫技術在變壓器上的應用. 變壓器，2008(01)
[6] 宋偉，彭淑迪，陳仁全，胡啟明，變壓器光纖測溫原理及其安裝試驗工藝探討，重慶市電機工程學會2012年學術會議論文
[7] GB 1094.2-1996，電力變壓器 第2部分 溫升
[8] IEC 60076-2, Power transformers –Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers, Edition 3.0 2011-02
1 概述
大型變壓器在運行時, 繞組溫度分布是不均勻的。通過傳統(tǒng)的熱模擬法測量的技術，運行繞組的溫升過程與模擬不盡相同，誤差較大，法國電網(wǎng)已停用該測溫裝置[1]。在頂層油溫處于正常水平的情況下，繞組的熱點溫度可能已發(fā)生局部過熱。繞組過熱一方面會造成該處油的分解并產生氣泡, 另一方面還會造成該處局部絕緣累積性的老化(多次重復過熱)，最終將導致絕緣擊穿而損壞變壓器。因此從設備安全的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測意義重大。
變壓器絕緣運行壽命一般認為應遵循六度法則:年平均溫度為98℃時具有正常壽命，當超過或達不到98℃時,每上升或降低6℃,則變壓器壽命降低一半或延長一倍，如圖1所示[2]。從資產管理的角度考慮，繞組熱點溫度的有效監(jiān)測將保證資產在正確的工況條件下使用，而不影響變壓器的壽命。
因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素，應盡力準確測出[3]。標準[4]中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。
2 變壓器熱點溫度直接測量技術
在變壓器熱點溫度直接測量技術上，主要采用光纖測溫技術。光纖為SiO2材料，具有非常優(yōu)異的絕緣特性，敏感組件測量和信號的傳輸均由光來完成，由于沒有電信號的引入，使得光纖傳感技術在變壓器熱點溫度監(jiān)測上成為可能。
目前使用光纖傳感技術測量變壓器熱點溫度主要有三種測量技術：熒光式測量，半導體式測量和光纖光柵測量。采用光纖熒光吸收式測溫技術[5]和光纖半導體吸收式測量技術[6]的的繞組測溫技術，受制于1根光纖只能接1個傳感器的技術特點，難以實現(xiàn)多點的監(jiān)測。光纖光柵式測量技術則可實現(xiàn)多點測溫。
2.1 熒光式測溫
熒光式測溫方法是在光纖末端鍍上熒光物質，經(jīng)過一定波長的光激勵后，熒光物質受激輻射出熒光能量。由于受激輻射能量按指數(shù)方式衰減，衰減時間常數(shù)根據(jù)溫度的不同而不同，通過測量衰減時間，從而得出測量點的溫度。
由于衰減時間常數(shù)的計算是通過熒光物質受激輻射后的光強測量而換算得到的，而光強受光纖彎曲所產生的損耗、光纖接頭處的插入損耗以及外接光纜的光損耗等因素影響，可能導致衰減時間常數(shù)測量誤差，從而影響溫度測量精度。
2.2 半導體測溫
半導體測溫原理是在光纖末端加入砷化鎵晶體，當光源發(fā)出多重波長的光照射到砷化鎵晶體時，該晶體在不同的溫度會吸收不同波長的光，同時將剩余不能吸收的波長的光反射回去。通過檢測反射光的光譜，換算出測量溫度。
半導體測溫由于測量的是光的頻譜，不是光強，因此測量不受光功率影響，但是在實際操作過程中，光路的變化(如光纜的重新布置, 傳感器的重新熔接)還會影響測溫的準確性，還須重新定標，確保溫度測量的準確性[7]。同熒光式測溫技術一樣，溫度敏感組件都是處于光纖的末端，單根光纖只能接一個傳感器。
2.3 光纖光柵測溫
光纖光柵是在光纖上制作的、只反射特定波長的光傳感組件。該器件反射的波長與溫度具有優(yōu)異的線性關系，和溫度線性擬合的相關系數(shù)可達99.99%。通過測量光纖光柵反射回的光的波長，即可換算出測量點的溫度。
在單根光纖上的不同位置可以刻寫不同波長的光纖光柵傳感器，通過波分復用技術，實現(xiàn)單根光纖多達18個光纖光柵傳感器的串聯(lián)。
2.4 三種光纖測溫技術的比較
3 光纖光柵繞組熱點測溫原理
光纖光柵是通過相位掩模板制造技術，光纖經(jīng)過激光照射形成光波長反射器件。一定帶寬的光與光纖光柵場發(fā)生作用，光纖光柵反射回特定中心波長的窄帶光，并沿原傳輸光纖返回;其余寬帶光沿光纖繼續(xù)傳輸。
反射的中心波長隨作用于光纖光柵的溫度變化而線性變化，從而使光纖光柵成為性能優(yōu)異的溫度測量元件。通過測量光纖光柵反射的中心波長，即可測量出光纖光柵溫度傳感器測量點相應的溫度值。
沿光纖繼續(xù)傳輸?shù)耐干涔饫^續(xù)傳輸給其它具有不同中心波長的光纖光柵，并逐一反射各個光纖光柵的中心波長，通過測量各反射光的中心波長，從而實現(xiàn)一根光纖上多個光纖光柵溫度傳感器的串聯(lián)。
4 變壓器繞組測溫系統(tǒng)主要構成
4.1 光纖光柵測溫主機
該測溫主機是光纖光柵測溫主機，除了具備在線測量繞組熱點溫度的功能之外，還有多路光纖通道和8路繼電器及數(shù)據(jù)傳輸接口，內置了Modbus和IEC61850傳輸協(xié)議。
4.2 光纖光柵溫度傳感器
光纖光柵溫度傳感器不受電磁干擾，與變壓器油相容，可耐受諸如煤油氣相干燥，熱油循環(huán)等變壓器制造過程。傳感器可方便的安裝到變壓器繞組、鐵心、母線排、電氣接點等熱點區(qū)域。
4.3 光纖接口板
光纖接口板由不銹鋼材料制成(專利號：ZL201120115532.1)，安裝在變壓器油箱壁上，在保證變壓器不漏油的情況下，實現(xiàn)光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕牡蛽p耗傳輸。
5 深圳電網(wǎng)110kV主變溫度測量案例
5.1 傳感器監(jiān)測位置和數(shù)量
經(jīng)與變壓器廠商議，在A，B，C三相高壓繞組上，每相安裝2個傳感器，位置分別在第二和第三個線餅之間、第四和第五個線餅之間;頂層和底層油溫部分，各安裝兩個傳感器;鐵芯上安裝2個傳感器;母線排上安裝3個傳感器。如圖6所示：
5.2 傳感器在變壓器中的安裝
傳感器在繞組、鐵芯、母線排及頂層油的安裝如圖7-10所示：
5.3 測量結果及分析
5.3.1 繞組熱點溫度、頂層油溫度及溫升分析
表2是溫升試驗中，繞組、鐵芯、母線與油溫度穩(wěn)定后的測量結果。
注：*1，表示傳感器安裝在第2、3線餅間;*2，表示傳感器安裝在第4、5線餅間;
所測量的繞組最高溫度在C相高壓繞組上第二個線餅和第三個線餅之間，為110.6℃，根據(jù)標準[4]，該點即作為繞組熱點溫度。
根據(jù)標準[4]中規(guī)定的溫度分布模型，已知銅油溫差為20K，作圖如下：
該臺變壓器的銅油溫差為20K，根據(jù)熱點溫度模擬計算法，熱點系數(shù)選擇1.3，則模擬計算的熱點溫度=頂層油溫(油溫計測量溫度為81.6℃)+熱點系數(shù)×銅油溫差，為107.6℃，計算的熱點溫升為107.6-27.3=80.3K。
標準[4]中規(guī)定了頂層油溫升限制為60K，但沒有規(guī)定熱點溫升限制，標準[8]則規(guī)定了熱點溫升限制為78K。
5.3.2 繞組溫度分析
從測量結果看，第二、三個線餅間的溫度高于第四、五線餅間的溫度;相同位置不同繞組的測量溫度較為接近。
因為繞組熱點溫度是變壓器負載的最主要限定因素, 應盡力準確測出[3]，標準[4]中提出“由于熱點的位置很難預先準確確定，加之油流的隨意變化，各不同位置的溫度也會隨之變化，因此最好同時用多個傳感器”。由于在2、3餅之間各放置了1個傳感器，為了更加準確的評估變壓器的繞組熱點溫度，因此傳感器數(shù)量有必要增加，以測量出繞組可能存在的更高溫度。
5.3.3 頂層油溫測量結果比較
采用傳統(tǒng)的Pt100油溫計與采用光纖光柵技術測量的油溫比較如圖12所示，可看出當溫度穩(wěn)定之后：
(1)光纖測量的兩個頂層油溫非常接近，相差0.2℃;
(2)Pt100油溫計測量的兩個頂層油溫相差2.3℃，最大值比光纖測量溫度差大約0.5℃。Pt100油溫計2在5:00-5:30時間段，溫度突變9.4℃，判斷可能存在測量故障。在變壓器投運不久，該Pt100傳感器果然出現(xiàn)故障，并更換。
5.3.4 光纖測溫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析
從圖13可看出，繞組、鐵芯，還是母排在溫升試驗期間溫度數(shù)據(jù)變化均非常平穩(wěn)，本項目所采用光纖測溫系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準確。
5.3.5 變壓器運行后的數(shù)據(jù)比較
圖14是變壓器投運后連續(xù)6天的繞組溫度計測量溫度(線溫)、光纖測量的熱點溫度和對應的電流負載關系圖，圖15是油溫計和光纖測量的頂層油溫和對應的電流負載關系圖。
由圖14和圖15可以看出：
1) 光纖測量的溫度能夠更準確的跟蹤電流負載的變化;
2) 所測量到繞組上的熱點溫度隨負載電流不一樣高于線溫0-8K。
3) 鐵芯溫度高于繞組熱點溫度。
6 共性問題探討
應該看到，光纖測溫技術為變壓器繞組熱點溫度的監(jiān)測提供了一種有效的技術手段。為了更準確測量到繞組熱點溫度，有必要增加測點數(shù)量，增加發(fā)現(xiàn)最高熱點溫度的幾率。
所測量溫度數(shù)據(jù)如何系統(tǒng)的指導變壓器使用方對變壓器運行、維護和檢修等工作，甚至結合油色譜和局放技術，對變壓器的潛在問題評估及壽命預測，是非常有意義的、待實施的工作。
7 結束語
基于光纖光柵測溫技術的變壓器繞組溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的實用價值，其直接、準確和實時的測溫效果，明顯提高了變壓器的監(jiān)測效率，降低了運維費用，同時有效避免了變壓器惡性事故的發(fā)生，在不降低變壓器壽命的情況下，保障變壓器更高負載的運行，實踐證明該方法行之有效。
參考文獻
[1] 陸萬烈, 夏業(yè)勤, 變壓器繞組溫度測量的“熱模擬”誤差, 變壓器, 1999, 36(10): 15～17
[2] IEEE STD C57.100-1999
[3] IEC. Loading guide for oil-immersed power transformer, revision of publication 354. 1991
[4] 余崇高，淺談變壓器的全壽命價格，內蒙古水利，2009(1)
[5] 陳軍, 光纖測溫技術在變壓器上的應用. 變壓器，2008(01)
[6] 宋偉，彭淑迪，陳仁全，胡啟明，變壓器光纖測溫原理及其安裝試驗工藝探討，重慶市電機工程學會2012年學術會議論文
[7] GB 1094.2-1996，電力變壓器 第2部分 溫升
[8] IEC 60076-2, Power transformers –Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers, Edition 3.0 2011-02
