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专利名称：基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头故障诊断装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头过热故障
诊断装置，属于电气控制工程领域。
背景技术：
变压器调压主要是通过改变分接绕组的抽头位置来实现的，分为无励磁调压和有 载调压两种形式。变压器中连接和切换变压器分接抽头的装置通常称为分接开关。切换分 接抽头不需将变压器从电网中切除，即带负载切换调压，称有载调压。有载调压所采用的分 接开关称为有载分接开关。有载分接开关是变压器完成有载调压的核心部件，也是变压器 的重要配套组件之一。 110kV及以上的电力变压器中有载分接开关应用日益普及，随着对电能质量要求 的提高，电力变压器有载分接开关日均调压次数显著增多，有载分接开关的故障有增加的 趋势。开展分接开关运行的状态监测和故障诊断对电力系统安全运行意义重大，具有良好 的应用前景。 有载分接开关的在线监测和故障诊断技术起步于20世纪90年代，目前仍在发展 中。国内外通用的监测方法是采用振动传感器测量分接开关操作过程中的振动信号，然后 利用一定的信号处理方法和诊断算法来评估和预测分接开关的工作状态。 触头过热故障是有载分接开关的常见故障之一。由于机械性能劣化导致触头分接 不到位，或是由于电气性能劣化导致的触头接触电阻增大等等，触头温度都将异常升高。然 而有载分接开关触头过热的传感受下述因素的限制①发热部位通常密封在设备外壳内， 红外传感技术受限；②发热部位常处较高的电位，热电偶、热电阻等常用热敏元件接触传感 方法受限；③在油箱内的触头过热对分接开关来说是局部过热，反映在整个油箱(外部)的 温度变化不敏感，因而，在变压器外部测量温度的可靠性受限。目前对有载分接开关触头温 度的监测还没有理想的方法，研究中的测量技术主要有两种，一是采用温度传感器在油箱 外监测温升。该监测方法实现简单，只需在变压器油箱外壳上安装温度传感器或红外传感 器，但正如上面所述，受外部环境影响较大，准确度和可靠性都难以保证；二是采用声音传 感器监测局部过热产生的高频噪声信号。当触头温度升高到一定程度，被加热的变压器油 将产生噪声信号。通过声音传感器在变压器油箱外部监测噪声信号，通过信号分析处理对 变压器内部过热情况进行判断。该方法受油的状态、油箱结构、发热源类型以及各种干扰信 号的影响较大，而且变压器运行时本身的电磁噪声较大，对基于噪声的测量影响较大，特别 是基于噪声的监测技术需要油的温度上升到一定程度(文献报道要达到20(TC左右)，这时 变压器分接开关故障已很严重，不符合故障诊断的基本原则。另外，由于分接开关正常工作 状态下分接开关油箱中也会产生相关的气体，因此人们在变压器主体油箱中常使用的三比 值法，在分接开关油的分析中应用也非常困难。 总之，目前对变压器有载分接开关触头温度的监测还缺乏切实有效的手段。

发明内容本实用新型的目的在于解决有载分接开关触头过热故障难以诊断这一疑难课题，
提出了切实可行的一种基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头过热故障诊断装置。
本实用新型的技术解决方案其特征是宽带光源的光源输出端与3dB耦合器第一
输入端相连，光纤光栅温度传感器放置在有载分接开关油箱内的油中，光纤光栅温度传感
器的输出/输入端与3dB耦合器的输入/输出端对应相接，3dB耦合器的信号输出端与光谱
分析仪的信号输入端相接，光谱分析仪的信号输出端再与计算机的信号输入相接。
本实用新型的优点1)、本系统利用光纤光栅温度传感器测温，由于光纤光栅测温
系统采用光信号进行测量和传输，现场实现了检测的电气隔离。2)、同时该系统使用光栅技
术，检测信号以光信号中心波长为表征量，克服了传统光传感器依赖光强大小的缺点，稳定
性好，使用寿命长。3)、该传感器伸入到分接开关内部，距离触头近，灵敏度和可靠性都更高。

图1是故障诊断系统的结构框图 图2是光纤光栅温度传感试验原理图 图3是试验中温度变化时反射光波的波长变化曲线 图4是现场实施例示意图. 附图1中的1为有载分接开关切换触头，2为油(实际上整个开关切换触头均在油 中)，3为光纤光栅温度传感器(采用现有技术)，4为3dB耦合器(现有技术)，5为光谱分 析仪(现有技术)，6为计算机，7为宽带光源。
具体实施方式如附图l所示，其结构是光纤光栅传感系统的入射光由宽带光源7经3dB耦合器4 输入，当有载分接开关触头1温度升高时，将使有载分接开关触头上方油2的温度也上升， 从而使光纤光栅温度传感器3的温度发生变化，导致光栅周期变化，因而产生光栅反射光 信号的波长位移；反射光信号从光纤光栅温度传感器输出经3dB耦合器输入到光谱分析仪 5进行分析，光谱分析仪分析得到的反射光波长信号输入到计算机6，通过计算机中的监测 程序即可监测触头温度的变化。 1、系统工作原理 基于光纤光栅温度测量的有载分接开关故障诊断系统的连接框图如附图1所示。
满足要求的入射光波被光纤光栅反射，反射光波的波长为 AB = 2neffA (1) 式中AB为光纤光栅反射波长(nm)， neff为纤芯有效折射率，A为光栅周期(栅 距)。r^f和A均受外界环境彭响(温度、压力等而发生变化，因而导致光纤光据的反射波 长发生移动。由温度变化引起的光纤光栅中心反射波长的漂移为 A入b = 2neff A (a+《)AT (2) 式中A "为光纤光栅反射波长的漂移量(nm)， a为光纤的线性热膨胀系数 (/°C )，《为光纤的热光系数(/°C ) ， AT为温度变化量(°C )。[0022] 当温度发生变化时，通过获知光纤光栅反射波长漂移量即可获得温度的变化数 据。 将光纤光栅温度传感器安装于有载分接开关触头上方约20cm左右的空隙处，并 浸于油中(工程中可根据实际上的允许空间决定)，光纤则通过分接开关输油口 (或其它 口 )伸入到分接切换开关内部靠近分接开关上触头的位置，并通过绝缘包扎线将光纤光栅 温度传感器与分接开关机体固定。当有载分接开关触头温度升高时，通过有载分接开关触 头附近油的传导使光纤光栅温度传感器的温度也升高，从而使光纤光栅反射波长漂移。通 过对反射光波波长漂移量的监测即可判断有载分接开关触头温度的变化。
实施例1 :实验 为了验证本发明的可行性，进行如下实验。光纤光栅温度传感测试实验原理图如 附图2所示。首先吊出分接开关切换芯子，将发热电阻固定到分接开关的触头上方，然后 将切换芯子装回分接开关油箱内，通电给发热电阻加热。从宽带光源(BBS)发出的光经过 3dB耦合器入射到单模光纤，进而入射到分接开关油箱内的光纤光栅传感器，经光纤光栅传 感器反射的光又经3dB耦合器进入光谱分析仪(OSA)，通过光谱分析仪观察光纤光栅反射 光中心波长的变化。光纤光栅的工作温度由安装在其附近的温度计读取。与耦合器连接的 光谱仪(AnritsuMS9710C)的分辨率为0. Olnm，用以监测光纤光栅反射光波中心波长入b。 对照图3，其结构是宽带光源的光源输出端与3dB耦合器的光源输入端相接，光纤 光栅温度传感器放入分接开关油箱内，分接开关油箱内的加热电阻接工频交流电源，温度 计放置在光纤光栅温度传感器的一侧，光纤光栅温 度传感器的输出/输入端与3dB耦合器的输入/输出端对应相接，3dB耦合器的信 号输出端与光谱分析仪的信号输入端相接。 实验中，温度变化范围为20 18(TC，温度每变化l(TC记录一个Ab，対于硅 基质掺锗光纤材料，a "5. 5X10—7°C，《"6. 3X10—6厂C，2(TC时反射光中心波长为 1550. 21nm。在该温度变化范围内，中心波长的A B总漂移量为1. 70nm。实验中的光纤光栅 中心反射波长随温度变化的响应曲线如图4所示。 对附图3中的实验数据进行线性拟合，曲线方程都是Y = 0. 01062X+1550，且温度 的线性拟合度很好。因此，通过光谱分析仪监测的反射光中心波长的数据，即可推算出传感 器的温度数据。当监测到的有载分接开关触头温度超过设定的预警值时，说明有载分接开 关存在触头过热故障，监测系统将通过报警提醒监控中心停机检修。 实施例2 :现场 现场实施按图4方式进行，光信号的前向通路(输入通路)与前面一样，即光 从光源发出经3dB耦合器、连接光缆到安放在分接开关内所充的油中的光纤光栅温度传感 器；反射光经传感器、3dB耦合器、到光电转换器转变为电信号，经计算机处理，得到分接开 关油的温度，再根据正常状态下分接开关油的温度情况，诊断分接开关的状态。
权利要求基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头过热故障诊断装置，其特征是宽带光源的光源输出端与3dB耦合器的第一输入端相接，3dB耦合器输出/输入端与光纤光栅温度传感器的输入/输出端对应相接，光纤光栅温度传感器放入有载分接开关油箱内，3dB耦合器的信号输出端与光谱分析仪的信号输入端相接，光谱分析仪的信号输出端与计算机的信号输入相接。
2. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头过热故障诊断 装置，其特征是所述的光纤光栅温度传感器安装在分接开关工作触头上方约20cm的空隙 处，并通过绝缘包扎线将光纤光栅温度传感器与分接开关机体固定。
专利摘要本实用新型是基于光纤光栅温度测量的有载分接开关触头过热故障诊断装置，其特征是宽带光源的光源输出端与3dB耦合器的第一输入端相接，3dB耦合器输出/输入端与光纤光栅温度传感器的输入/输出端对应相接，光纤光栅温度传感器放入有载分接开关油箱内，3dB耦合器的信号输出端与光谱分析仪的信号输入端相接，光谱分析仪的信号输出端与计算机的信号输入相接。优点利用光纤光栅温度传感器测温，采用光信号进行测量和传输，现场实现检测的电气隔离。使用光栅技术，检测信号以光信号中心波长为表征量，克服传统光传感器依赖光强大小的缺点，稳定性好，使用寿命长。传感器伸入到分接开关内，距离触头近，灵敏度和可靠性高。
文档编号G01K11/32GK201514294SQ20092023076
公开日2010年6月23日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者姚华阳, 姜宁, 王春平, 金基平, 马宏忠 申请人:江苏省电力公司南京供电公司;河海大学;陕西博能电力技术有限公司