CN103389176B - 一种变压器绕组幅向应力测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器绕组幅向应力测量装置和测量方法，它包括第一光纤接头、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸上的第一玻璃纤维带、固定在第一玻璃纤维带上的第一光纤光栅应变传感器、输入端与第一光纤光栅应变传感器的输出端连接的第一光纤耦合器、一端与第一光纤耦合器输出端连接的第一内部连接光纤、与第一内部连接光纤的另一端连接的第一外部连接光纤、与第一外部连接光纤连接的光纤光栅解调仪、与光纤光栅解调仪连接的计算机，其中，第一内部连接光纤通过第一光纤接头与第一外部连接光纤连接。本发明为变压器抗短路能力研究，变压器绕组变形诊断提供了准确有效的绕组幅向应力测量数据。
Description
技术领域
本发明涉及变压器状态监测技术领域，具体地指一种变压器绕组幅向应力测量装置和测量方法。
背景技术
大型电力变压器是电力系统中的重要设备之一，若在运行中发生事故，有可能导致区域内大面积停电，将给社会带来巨大的经济损失，并给电力部门带来不良的社会影响。
变压器绕组载流以后，在它们所在的空间以及周围空间将建立起轴向和辐向的漏磁场；处于这个磁场中的绕组本身又要受到作用力，这个力称为“洛伦兹力”或者称之为电磁力。电磁力在变压器绕组材料中产生机械应力，并部分地传到变压器其它元件上。在正常运行时，电磁力并不大，但是发生短路时，绕组受到的短路电磁力将剧增，达到正常值的几十倍，甚至几百倍。
而电力变压器在运行过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击，一旦短路故障发生在变压器出口附近，如果绕组内部机械结构存在薄弱环节，必然会产生绕组扭曲、鼓包或移位等变形现象，严重时甚至导致突发性损坏事故。因此，开展变压器绕组短路电动力及绕组应力、变形测试研究，对防止变压器事故的发生有重要的作用。
目前国内针对变压器遭受短路电流冲击时，绕组轴向和幅向应力的研究都是采用理论计算的方法，但是因为变压器内部机械结构复杂，电流密度、漏磁场等相关参数计算与实际仍有差距，而且变压器绕组短路冲击存在叠加效应，相关计算难以真实掌握变压器绕组的应力状况，无法为变压器短路变形的研究判断提供支撑。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种变压器绕组幅向应力测量装置和测量方法，该测量装置和测量方法能够测量绕组在正常运行和遭受短路电流冲击时的绕组幅向应力，为变压器抗短路能力研究，变压器绕组变形诊断提供有效的绕组幅向应力测量。
为实现此目的，本发明所设计的变压器绕组幅向应力测量装置，其特征在于：它包括第一光纤接头、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸上的第一玻璃纤维带、固定在第一玻璃纤维带上的第一光纤光栅应变传感器、输入端与第一光纤光栅应变传感器的输出端连接的第一光纤耦合器、一端与第一光纤耦合器输出端连接的第一内部连接光纤、与第一内部连接光纤的另一端连接的第一外部连接光纤、与第一外部连接光纤连接的光纤光栅解调仪、与光纤光栅解调仪连接的计算机，其中，所述第一内部连接光纤通过第一光纤接头与第一外部连接光纤连接。
一种利用上述变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述变压器线圈绕组表面绝缘纸对应测量点实时产生的幅向应变，由第一玻璃纤维带的应变线性表征，第一光纤光栅应变传感器感应第一玻璃纤维带的应变信号，并得到相应的光感应信号；
步骤2：所述第一光纤光栅应变传感器将得到的光感应信号传送到第一光纤耦合器进行信号放大；
步骤3：第一光纤耦合器将放大后的光感应信号通过第一内部连接光纤和第一外部连接光纤传输给光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪将接收到的光感应信号解调成幅向应变电信号；
步骤4：所述光纤光栅解调仪将幅向应变电信号传输给计算机，计算机经过计算得到对应的幅向应力信号。
本发明中变压器绕组的应变通过上述玻璃纤维带的应变来线性表征，并通过光纤光栅应变传感器感应该线性应变信号，该线性应变信号经过后续放大、解调等处理后传输给计算机，得到需要测量的绕组幅向应力。本发明通过上述设计解决了变压器绕组在正常运行和遭受短路电流冲击时的绕组幅向应力测量问题，为变压器抗短路能力研究，变压器绕组变形诊断提供了准确有效的绕组幅向应力测量数据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1—变压器线圈绕组表面绝缘纸、2—第一玻璃纤维带、2.1—第二玻璃纤维带、2.2—第三玻璃纤维带、3—第一光纤光栅应变传感器、3.1—第二光纤光栅应变传感器、3.2—第三光纤光栅应变传感器、4—第一光纤耦合器、4.1—第二光纤耦合器、4.2—第三光纤耦合器、5—第一内部连接光纤、5.1—第二内部连接光纤、5.2—第三内部连接光纤、6—第一外部连接光纤、6.1—第二外部连接光纤、6.2—第三外部连接光纤、7—光纤光栅解调仪、8—计算机、9—光纤法兰、9.1—第一法兰孔、9.2—第二法兰孔、9.3—第三法兰孔、10—第一光纤接头、10.1—第二光纤接头、10.2—第三光纤接头、11—变压器箱体、11.1—第一通孔、11.2—第二通孔、11.3—第三通孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
当变压器绕组通过交流电流时，变压器绕组会产生幅向的应力，从而使得变压器绕组产生幅向的应变，通过检测变压器绕组幅向的应变达到测量变压器绕组应力的目的。具体地说，在变压器绕组外层缠绕一条玻璃纤维带，这样，变压器绕组的应变可以通过此玻璃纤维带的应变来线性表征。在玻璃纤维带上安装光纤光栅应变传感器，通过光纤光栅应变传感器测量玻璃纤维带的形变，然后由光纤光栅调解仪对信号进行解析并计算测量的应变，最后将应变转换为绕组的应力。
本发明设计的变压器绕组幅向应力测量装置，如图1所示，它包括第一光纤接头10、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸1上的第一玻璃纤维带2、固定在第一玻璃纤维带2上的第一光纤光栅应变传感器3、输入端与第一光纤光栅应变传感器3的输出端连接的第一光纤耦合器4、一端与第一光纤耦合器4输出端连接的第一内部连接光纤5、与第一内部连接光纤5的另一端连接的第一外部连接光纤6、与第一外部连接光纤6连接的光纤光栅解调仪7、与光纤光栅解调仪7连接的计算机8，其中，第一内部连接光纤5通过第一光纤接头10与第一外部连接光纤6连接。
上述技术方案中，它还包括第二光纤接头10.1、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸1上的第二玻璃纤维带2.1、固定在第二玻璃纤维带2.1上的第二光纤光栅应变传感器3.1、输入端与第二光纤光栅应变传感器3.1的输出端连接的第二光纤耦合器4.1、一端与第二光纤耦合器4.1输出端连接的第二内部连接光纤5.1、与第二内部连接光纤5.1的另一端连接的第二外部连接光纤6.1，其中，第二内部连接光纤5.1通过第二光纤接头10.1连接第二外部连接光纤6.1，所述第二外部连接光纤6.1接入光纤光栅解调仪7，第一玻璃纤维带2位于变压器线圈绕组表面绝缘纸1的中部，第二玻璃纤维带2.1位于第一玻璃纤维带2的上方。
上述技术方案中，优选的，它还可以包括第三光纤接头10.2、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸1上的第三玻璃纤维带2.2、固定在第三玻璃纤维带2.2上的第三光纤光栅应变传感器3.2、输入端与第三光纤光栅应变传感器3.2的输出端连接的第三光纤耦合器4.2、一端与第三光纤耦合器4.2输出端连接的第三内部连接光纤5.2、与第三内部连接光纤5.2的另一端连接的第三外部连接光纤6.2，其中，第三内部连接光纤5.2通过第三光纤接头10.2连接第三外部连接光纤6.2，第三外部连接光纤6.2接入光纤光栅解调仪7，第三玻璃纤维带2.2位于第一玻璃纤维带2的下方。上述设计中在变压器线圈绕组的上中下方铺设玻璃纤维带能更精确的反应变压器线圈绕组的应力情况。
上述技术方案中，优选的，它还包括固定在变压器箱体11上的光纤法兰9，变压器箱体11上开设有第一通孔11.1、第二通孔11.2和第三通孔11.3，所述光纤法兰9上开设有与第一通孔11.1对应的第一法兰孔9.1、与第二通孔11.2对应的第二法兰孔9.2、与第三通孔11.3对应的第三法兰孔9.3，其中，第一光纤接头10装配在第一通孔11.1和第一法兰孔9.1内，第二光纤接头10.1装配在第二通孔11.2和第二法兰孔9.2内，第三光纤接头10.2装配在第三通孔11.3和第三法兰孔9.3内。
上述技术方案中，优选的，第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2平行布置。为了更好的测量变压器线圈绕组的应力，玻璃纤维带的粘贴方向应该与绕组相同，所以上述第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2为平行布置。
上述技术方案中，优选的，第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2的两端均与变压器线圈绕组表面绝缘纸1的两端对齐，第一玻璃纤维带2的宽度范围为18~20mm，第二玻璃纤维带2.1的宽度范围为18~20mm，第三玻璃纤维带2.2的宽度范围为18~20mm。
上述技术方案中，优选的，第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2的厚度相等，厚度范围均为1.25~1.30mm。在上述厚度下玻璃纤维带能更好的线性表征变压器线圈绕组的应力。
上述技术方案中，优选的，第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2的抗拉强度为11120N，弹性模量为71.5GPa。该第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2为E-玻璃纤维即无碱玻璃，该E玻璃纤维具有绝缘、耐热、耐变压器油等性能。
上述技术方案中，第一玻璃纤维带2、第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2均采用玻璃粘带配胶粘接在变压器线圈绕组表面绝缘纸1相应位置。
上述技术方案中，第一光纤光栅应变传感器3、第二光纤光栅应变传感器3.1和第三光纤光栅应变传感器3.2均采用Micron Optics光栅表面式非金属应变传感器（型号OS3200），布喇格光栅(FBG)应力传感技术，测量波段1300nm，应变敏感度1.2pm/με，应变极限2500μm/m，测量温度范围-20℃～80℃，尺寸长25mm、宽6mm、厚1mm，尾纤长度2m，采用表贴式，利用胶粘剂将光纤光栅应变传感器贴于玻璃纤维带表面。
上述技术方案中，第一内部连接光纤5、第二内部连接光纤5.1、第三内部连接光纤5.2、第一外部连接光纤6、第二外部连接光纤6.1、第三外部连接光纤6.2均为单模光纤。本发明选用单模光纤来传输信号是因为单模光纤传导距离远，信号更好。
上述技术方案中，光纤光栅解调仪7为1300nm波段，具有16通道，能够依据信号的中心波长漂移量计算应变，同时校正温度影响。
一种利用上述变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，它包括如下步骤：
步骤1：变压器线圈绕组表面绝缘纸1对应测量点实时产生的幅向应变，由第一玻璃纤维带2的应变线性表征，第一光纤光栅应变传感器3感应第一玻璃纤维带2的应变信号，并得到相应的光感应信号；
步骤2：第一光纤光栅应变传感器3将得到的光感应信号传送到第一光纤耦合器4进行信号放大；
步骤3：第一光纤耦合器4将放大后的光感应信号通过第一内部连接光纤5和第一外部连接光纤6传输给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7将接收到的光感应信号解调成幅向应变电信号；
步骤4：光纤光栅解调仪7将幅向应变电信号传输给计算机8，计算机8经过计算得到对应的幅向应力信号。
上述技术方案的步骤1进行的同时还进行步骤1.1：所述变压器线圈绕组表面绝缘纸1对应测量点实时产生的幅向应变，分别由第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2的应变线性表征，第二光纤光栅应变传感器3.1和第三光纤光栅应变传感器3.2分别感应第二玻璃纤维带2.1和第三玻璃纤维带2.2的应变信号，并得到相应的光感应信号；
所述步骤2进行的同时还进行步骤2.1：所述第二光纤光栅应变传感器3.1和第三光纤光栅应变传感器3.2分别将得到的光感应信号传送到第二光纤耦合器4.1和第三光纤耦合器4.2进行信号放大；
所述步骤3进行的同时还进行步骤3.1：第二光纤耦合器4.1和第三光纤耦合器4.2将放大后的光感应信号传输给光纤光栅解调仪7，光纤光栅解调仪7将接收到的光感应信号解调成幅向应变电信号。
下面对本发明的工作原理作详细说明：
变压器线圈绕组载流以后，在它们所在的空间以及周围将建立起轴向和辐向的漏磁场；处于这个磁场中的绕组本身又要受到作用力，这个力称为“洛伦兹力”或者称之为电磁力。电磁力在变压器线圈绕组的材料中产生机械应力，由于外线圈的电流方向与内线圈的电流方向相反,两个线圈在突发的短路幅向力的作用下将有变形的趋势。外线圈在圆周方向受到拉伸力，有扩大线圈直径的趋势，内线圈在圆周方向受到压缩力，线圈有向铁心方向压缩的趋势。
为了测量绕组的这种幅向应力，本发明采用的光纤光栅应变传感器具有以下优点：1）光纤为绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能在变压器线圈绕组附近的高压环境下可靠运行；2）光纤为无源器件, 对变压器绕组自身电场不产生影响；3）光纤体积小，重量轻，可以在变压器线圈绕组上进行安装；4）光纤光栅应变传感器的载体是光，其频率数量级为1014Hz，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大，不受变压器内部电磁场干扰；5）具有很好的灵敏度和分辨率，能够测量短路冲击瞬间的变压器线圈绕组应变变化。
光纤光栅应变传感器测量变压器线圈绕组幅向应力的核心是解决光纤光栅应变传感器的安装问题。由于变压器线圈绕组的强电磁环境及自身安全性能要求的特殊性，无法采用焊接或螺钉紧固法进行安装，只能采取胶粘法进行安装。但是由于变压器线圈绕组导线表面存在绝缘纸包裹，在变压器线圈绕组表面直接粘贴光纤光栅应变传感器存在以下问题：1）被测面为纸结构，应变难以反映绕组真实的应力变化。2）在绕组表面直接粘贴应变传感器，会破坏绕组绝缘纸，降低绕组绝缘性能，造成变压器故障。3）在短路电动力冲击下，安装结构有松动脱落的可能。因此，本发明采用了一种间接的粘贴安装方法。
E-玻璃纤维带拥有良好的电气绝缘性及机械性能，常用于变压器铁心的绑扎工艺上，满足绝缘、耐热、耐变压器油等性能要求。同时，玻璃纤维带弹性系数高，刚性佳，其弹性模量为71.5GPa，略低于金属合金，高于有机纤维，弹性限度内伸长量大且拉伸强度高。采用此种材料既能够满足变压器内部绝缘、耐热、耐变压器油等要求，同时也满足应变测量基底的性能要求，能够较好的反应应变和应力的关系。在绕组上缠绕三条玻璃纤维带，采用玻璃粘带配胶进行预紧粘接。粘接采用铁心绑扎时的粘接工艺，符合本发明的性能要求。采用玻璃纤维带缠绕绕组，绕组的幅向应力会直接的反映在玻璃纤维带的拉伸变化上。此时在玻璃纤维带上安装光纤光栅应变传感器，测量的应变就能够真实的反应绕组应力的变化。同时，光纤光栅应变传感器与绕组间间隔一层玻璃纤维带，对变压器绕组绝缘性能影响小，粘接在接近刚性体的玻璃纤维带上，安装强度也有保障。为准确测量绕组应力，本发明在绕组上、中、下部分各布置一条玻璃纤维带，在每跟玻璃纤维带上安装光纤光栅应变传感器，就能够测量绕组上、中、下三处部位的应力变化。
本发明的玻璃纤维带及光纤光栅应变传感器厚度均为1mm左右，且材料绝缘性能良好，对变压器线圈绕组的撑条及绝缘纸筒安装及其绝缘性能影响较小。光纤光栅应变传感器尾纤可以沿撑条固定布置，然后由绕组底部出线。然后将尾纤与内部连接光纤通过耦合器连接，内部光纤可沿夹件及油箱固定布置，然后由光纤法兰盘引出。并通过外部连接光纤连至光纤光栅解调仪，通过测量中心波长漂移量计算应变，同时校正温度影响。再由连接的计算机对测量数据进行分析处理，通过相关材料的弹性模量计算绕组的幅向应力。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，所述变压器绕组幅向应力测量装置包括第一光纤接头(10)、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)上的第一玻璃纤维带(2)、固定在第一玻璃纤维带(2)上的第一光纤光栅应变传感器(3)、输入端与第一光纤光栅应变传感器(3)的输出端连接的第一光纤耦合器(4)、一端与第一光纤耦合器(4)输出端连接的第一内部连接光纤(5)、与第一内部连接光纤(5)的另一端连接的第一外部连接光纤(6)、与第一外部连接光纤(6)连接的光纤光栅解调仪(7)以及与光纤光栅解调仪(7)连接的计算机(8)，其中，所述第一内部连接光纤(5)通过第一光纤接头(10)与第一外部连接光纤(6)连接；
变压器绕组幅向应力测量装置还包括第二光纤接头(10.1)、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)上的第二玻璃纤维带(2.1)、固定在第二玻璃纤维带(2.1)上的第二光纤光栅应变传感器(3.1)、输入端与第二光纤光栅应变传感器(3.1)的输出端连接的第二光纤耦合器(4.1)、一端与第二光纤耦合器(4.1)输出端连接的第二内部连接光纤(5.1)、与第二内部连接光纤(5.1)的另一端连接的第二外部连接光纤(6.1)，其中，第二内部连接光纤(5.1)通过第二光纤接头(10.1)连接第二外部连接光纤(6.1)，所述第二外部连接光纤(6.1)接入光纤光栅解调仪(7)，所述第一玻璃纤维带(2)位于变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)的中部，所述第二玻璃纤维带(2.1)位于第一玻璃纤维带(2)的上方；
变压器绕组幅向应力测量装置还包括第三光纤接头(10.2)、粘贴在变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)上的第三玻璃纤维带(2.2)、固定在第三玻璃纤维带(2.2)上的第三光纤光栅应变传感器(3.2)、输入端与第三光纤光栅应变传感器(3.2)的输出端连接的第三光纤耦合器(4.2)、一端与第三光纤耦合器(4.2)输出端连接的第三内部连接光纤(5.2)、与第三内部连接光纤(5.2)的另一端连接的第三外部连接光纤(6.2)，其中，所述第三内部连接光纤(5.2)通过第三光纤接头(10.2)连接第三外部连接光纤(6.2)，所述第三外部连接光纤(6.2)接入光纤光栅解调仪(7)，所述第三玻璃纤维带(2.2)位于第一玻璃纤维带(2)的下方；
其特征在于，应力测量方法包括如下步骤：
步骤1：所述变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)对应测量点实时产生的幅向应变，由第一玻璃纤维带(2)的应变线性表征，第一光纤光栅应变传感器(3)感应第一玻璃纤维带(2)的应变信号，并得到相应的光感应信号；
步骤2：所述第一光纤光栅应变传感器(3)将得到的光感应信号传送到第一光纤耦合器(4)进行信号放大；
步骤3：第一光纤耦合器(4)将放大后的光感应信号通过第一内部连接光纤(5)和第一外部连接光纤(6)传输给光纤光栅解调仪(7)，光纤光栅解调仪(7)将接收到的光感应信号解调成幅向应变电信号；
步骤4：所述光纤光栅解调仪(7)将幅向应变电信号传输给计算机(8)，计算机(8)经过计算得到对应的幅向应力信号。
2.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：所述步骤1进行的同时还进行步骤1.1：所述变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)对应测量点实时产生的幅向应变，分别由第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)的应变线性表征，第二光纤光栅应变传感器(3.1)和第三光纤光栅应变传感器(3.2)分别感应第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)的应变信号，并得到相应的光感应信号；
所述步骤2进行的同时还进行步骤2.1：所述第二光纤光栅应变传感器(3.1)和第三光纤光栅应变传感器(3.2)分别将得到的光感应信号传送到第二光纤耦合器(4.1)和第三光纤耦合器(4.2)进行信号放大；
所述步骤3进行的同时还进行步骤3.1：第二光纤耦合器(4.1)和第三光纤耦合器(4.2)将放大后的光感应信号传输给光纤光栅解调仪(7)，光纤光栅解调仪(7)将接收到的光感应信号解调成幅向应变电信号。
3.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：变压器绕组幅向应力测量装置还包括固定在变压器箱体(11)上的光纤法兰(9)，变压器箱体(11)上开设有第一通孔(11.1)、第二通孔(11.2)和第三通孔(11.3)，所述光纤法兰(9)上开设有与第一通孔(11.1)对应的第一法兰孔(9.1)、与第二通孔(11.2)对应的第二法兰孔(9.2)、与第三通孔(11.3)对应的第三法兰孔(9.3)，其中，所述第一光纤接头(10)装配在第一通孔(11.1)和第一法兰孔(9.1)内，所述第二光纤接头(10.1)装配在第二通孔(11.2)和第二法兰孔(9.2)内，所述第三光纤接头(10.2)装配在第三通孔(11.3)和第三法兰孔(9.3)内。
4.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：所述第一玻璃纤维带(2)、第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)平行布置。
5.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：所述第一玻璃纤维带(2)、第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)的两端均与变压器线圈绕组表面绝缘纸(1)的两端对齐，所述第一玻璃纤维带(2)的宽度范围为18～20mm，所述第二玻璃纤维带(2.1)的宽度范围为18～20mm，所述第三玻璃纤维带(2.2)的宽度范围为18～20mm。
6.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：所述第一玻璃纤维带(2)、第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)的厚度相等，厚度范围均为1.25～1.30mm。
7.根据权利要求1所述的变压器绕组幅向应力测量装置的应力测量方法，其特征在于：所述第一玻璃纤维带(2)、第二玻璃纤维带(2.1)和第三玻璃纤维带(2.2)的抗拉强度为11120N，弹性模量为71.5GPa。
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