基于光纤光栅的变压器油温油位铁芯接地电流在线监测试验分析

张金鹏，刘镖峰，花婷婷

（1.南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏省南京市 211106；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏省南京市 211106）

基于光纤光栅的变压器油温油位铁芯接地电流在线监测试验分析

张金鹏1，刘镖峰1，花婷婷2

（1.南京南瑞集团公司水利水电技术分公司，江苏省南京市 211106；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏省南京市 211106）

本文介绍了基于光纤光栅的变压器油温油位铁芯接地电流在线监测的基本原理，同时结合在国内某110kV变电站内进行的实测试验数据进行分析，验证了光纤光栅技术在变压器在线监测方面的可行性，同时从侧面反映了南瑞集团自主研发的“SJ9000变压器在线监测系统”的准确性和可靠性，在相关领域具有广阔的应用前景。

光纤光栅；变压器；油温油位；铁芯接地电流；在线监测

0 引言

变压器在平时的运行过程中，随着负荷及周围环境的变化，变压器油温也将发生改变，导致油的体积变化，影响油位[1]。同时，随着变压器使用时间的累积，有可能引起变压器局部绝缘老化，甚至发生绝缘击穿事故，而反映绝缘老化的一个重要指标就是铁芯接地电流的增大[2]。由此可见，变压器油温油位以及铁芯接地电流的变化直接反映了其运行状态和工作性能，对其的监测将给变压器维护及检修提供明确的方向，保证其安全、可靠、稳定地运行。随着科技的发展，传统的变压器检测方法正被在线监测技术所冲击。

1 光纤光栅技术

光纤光栅有着不受光路光强波动及电磁干扰影响、波长绝对编码和易于实现分布式传感等突出优点[3]，从出现至今发展迅速，并在光纤通信与光纤传感领域获得了广泛应用。在光纤通信方面，光纤光栅本身的结构决定其便于实现波分、时分、空分复用，容易与光纤及其他光学器件连接，并可直接参与光谱分析、光学通信、光学编码[4]。在光纤传感方面，光纤光栅为光纤传感技术开辟了一个新的应用领域。在光纤上用紫外光刻写光栅，10mm的光纤光栅包含了10000个在纤芯中规则分布的微小的反射镜面，由于温度、应变等参量的变化与所导致的栅距变化呈线性，光栅反射波长也随栅距变化而线性变化（见图1），通过测量光栅反射波长，即可换算出被测体温度、应变等参量[5]。同时，通过对不同波长光栅进行特定的封装，可以实现在同一根光纤上温度、应变等多参数的实时测量，文中对于油温和油位的测量就是通过封装在一根光纤上来实现的。

2 在线监测系统

在线监测系统主要由以下几个部分组成：

（1）信号变送：由相应的传感器从电气设备上检测出那些反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号，传送到后续单元。

（2）信号处理：对传感器变送来的信号进行预处理，对干扰信号进行抑制。

（3）数据采集：对经过处理的信号进行采集、A/D转换和记录。

（4）信号传输：将采集到的信号传送到后续单元。

（5）数据处理：对所采集到的数据进行处理和分析。

（6）故障诊断：对历史数据和当前数据分析、比较后诊断。

图1 光纤光栅技术原理简图Fig.1 Schematic diagram of fiber grating technology

现场试验所使用的是南京南瑞集团自主研发的“SJ9000变压器在线监测系统”，它基于B/S架构进行实时采集、分析、显示及诊断，在海量数据库平台的基础之上，对汇总的历史数据进行抽取、统计、分析和挖掘，实现生产过程数据的图形化分析展示，同时生成相关的分析报告和报表，以Web发布的方式提供给网络终端用户，实现分析成果及信息共享的最大化，为电厂预防性维护提供可靠的依据，从而及时消除故障隐患，减少破坏性事故的发生。

3 现场试验分析

现场在变压器储油柜油位计下方安装了光纤光栅油温、油位传感器（见图2），油温油位传感器通过光纤连接到厂房机柜内的光纤光栅解调仪上，并由网线连接到工控机，经程序解析收到CDT协议报文，从而得出油温油位的实时数据；变压器接地铜线穿过铁芯接地电流传感器（见图3）。

由传感器输出的4～20mA信号线依次连接到现地端子箱内的研华亚当模块（ADAM-4117）和光电转换器上，实现了电信号—RS485信号—光信号的转换过程。并通过光纤连接到机柜内的光电转换器上，经由串口接到工控机上，经程序解析收到标准Modbus协议报文，从而得到铁芯接地电流的实时数据，其基本结构如图4所示。

变压器油温油位以及铁芯接地电流的实时数据反映在SJ9000系统平台的主监视图上，如图5所示。

现场所选用的系统平台数据库为SQL Server 2005，所有解析得到的实时数据均完成入库操作，通过系统平台的历史查询功能，调用数据库中24h的历史数据生成对应曲线，如图6所示。

同一时刻下，通过变压器油温油位表以及万用表的实测，得到的数据见表1：

图2 油温、油位传感器现场安装图Fig.2 Site installation drawing of oil temperature and oil level sensor

图3 铁芯接地电流传感器现场安装图Fig.3 Site installation drawing of core grounding current sensor

图4 变压器在线监测系统基本结构图Fig.4 Basic structure diagram of transformer monitoring system

图5 变压器油温油位铁芯接地电流主监视图Fig.5 Main monitoring diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

图6 变压器油温油位铁芯接地电流24h历史曲线图Fig.6 Historical curve diagram of transformer oil temperature and oil level with core grounding current in 24 hours

表1 变压器油温油位铁芯接地电流实测值Tab.1 Measured value of transformer oil temperature and oil level with core grounding current

将实测值与平台数据列表中的实时数据分别进行对比，在一定精度下，两者数据基本一致，均在可接受的误差范围内。

为了验证24h内变压器油温油位铁芯接地电流的变化趋势是否正确，现场安排人员轮班，每隔半小时人工采集一次数据并记录在excel表中，共记录了48个时间点的数据。通过excel拟合曲线得到下列曲线，分别如图7～图9所示。

图7 铁芯接地电流24h测值拟合曲线图Fig.7 Fitting curve diagram of core grounding current in 24 hours

图8 油温24h测值拟合曲线图Fig.8 Fitting curve diagram of oil temperature in 24 hours

图9 油位24h测值拟合曲线图Fig.9 Fitting curve diagram of oil level in 24 hours

分析：

（1）现场实测的变压器油温油位及铁芯接地电流值与同一时间点下系统平台上所显示的实时数据具有良好的一致性，这也从侧面反映了光纤光栅传输具有高度的灵敏度和精确度。

（2）从图6所示的24h历史曲线图中可以看出，变压器油温和油位的变化趋势基本一致，符合实际变化规律，这也从侧面反映了SJ9000变压器在线监测系统离线分析的准确性。

（3）根据现场对油温油位铁芯接地电流24h实测值拟合的曲线，对照平台的24h历史曲线，可以看出，各被测量整体的变化趋势基本一致，由此可见该系统的准确性以及与光纤光栅技术结合的可行性。

（4）结论：变压器在线监测系统工作稳定，显示的测点信号准确、可靠，变化趋势与实际吻合，说明光纤光栅技术在变压器在线监测方面具有良好的应用，与SJ9000系统实现了高度的融合性。

4 结束语

光纤光栅技术越来越多地被应用于变压器油温油位铁芯接地电流等状态量的监测当中，但与南京南瑞集团“SJ9000变压器状态监测分析系统”结合使用尚属首次。目前该系统在实际工程中主要应用在水轮机组状态监测方面，通过现场试验证明了该系统测量的准确性和可靠性，以及与光纤光栅技术的融合性，在相关领域具有广阔的应用前景。

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[1] 张霁月，王维娟.主变压器油温油位关系命名的分析[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2015（1）：44-47.ZHANG Jiyue，WANG Weijuan.Analysis of Main Transformer Oil Temperature and Oil Level Naming Relationship[J].Journal of Anhui Electrical Engineering Professional Technique College，2015（1）：44-47.

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2016-10-12

2017-05-09

张金鹏（1989—），男，助理调试工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测。E-mail：zhangjinpeng@sgepri.sgcc.com.cn

刘镖峰（1984—），男，工程师，主要研究方向：水电厂主设备状态监测。E-mail：liubiaofeng@sgepri.sgcc.com.cn

花婷婷（1991—），女，助理工程师，主要研究方向：电网电气试验：微水、局放、接地网、发电机转子RSO试验等。E-mail：huatingting@js.sgcc.com.cn

Test Analysis of Online Monitoring System of Transformer Oil Temperature and Level with Core Grounding Current Based on Fiber Grating

ZHANG Jinpeng1，LIU Biaofeng1，HUA Tingting2
（1.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China ；2.Fang Tian Electric Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

This paper introduces the basic principle of online monitoring of transformer oil temperature and oil level with core grounding current based on fiber grating，combining with analysis of measured test in some domestic 110kV substation，which has verified the feasibility of fiber grating technology in online monitoring on transformer.Besides，it reflects the accuracy and reliability of the SJ9000 transformer monitoring system created by NARI independently，which has broad application prospects in related fields.

Fiber grating；Transformer；Oil temperature and level；Core grounding current；Online monitoring

TM406

A学科代码：470.4017

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.023