基于光纤光栅传感器的变压器储油柜油位计研究

0 引言

电力变压器是电力系统中能量转换、传输的中枢部分，关于变压器的设计已经有些研究[1，2]，而油浸式变压器由于容量大、制造工艺相对简单等优点在电力系统中得到了广泛的应用.在油浸式变压器中，储油柜是其关键组件，而储油柜中油位过高或过低，都会影响变压器的使用寿命，因此，对变压器中储油柜油位变化进行监测至关重要.目前，储油柜油位的主要监测方法有电磁式法、红外线法等.电磁式法中磁耦合系统及指针传动系统容易受磁场状态的影响，从而使得油位监测的精确度低.

红外线法中图像处理比较复杂，需要工作人员有较高的专业素质，增加了工作人员的难度[3].

近年来，光纤光栅传感器凭借其重量轻、体积小、直径细、柔韧性好、灵敏度高、分辨率高、抗电磁干扰、本质安全、易于埋入结构中、易于构建分布式或准分布式网络等独特优点在电力系统中受到了大家的广泛关注[4-7].如成立于2004年的山东微感光电子有限公司经过广泛的市场调研，采用光纤光栅测温技术，推出了可满足变压器设备测温要求的MSP-T6000系列光纤多点温度监测系统，从根本上解决了传统变压器测温设备的缺陷.2008年，重庆大学赵涛[8]对基于光纤光栅温度传感器的变压器内部温度监测原理和方法进行了研究.2010年，燕山大学李进[9]对基于FPGA的分布式光纤光栅变压器绕组温度在线监测进行了研究.2015年，曹海东等[10]研究了一种在电力设备热点温度监测的光纤光栅传感器系统，并设计了采取回型卡槽封装的光纤光栅温度传感器.

在电力系统中，现有光纤光栅传感器智能监测系统主要集中在电力系统中关键设备及关键点的温度监测，将光纤光栅传感技术应用于变压器储油柜油位监测的研究相对较少.基于以上分析，本文提出了一种基于光纤光栅传感器的变压器储油柜油位计,用于电力系统中变压器储油柜油位的智能监测，为变压器储油柜油位的监测提供了一种新的方法.

1 光纤光栅储油柜油位计工作原理

1.1 光纤光栅传感器工作原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用是在纤芯内形成一个窄带的滤波或反射镜，利用这个特性构成了光纤光栅传感器[11,12].当光纤光栅传感器处于外界应力场或温度场时，光纤光栅传感器中心波长将由λB变为λB′，此时，根据弹光性理论可得出光纤光栅传感器中心波长变化Δλ满足式(1)[13,14]：

Δλ=λB((1-Pe)ε+(α+ξ)ΔT).

(1)

式中：ε表示光纤光栅轴向应变，Pe表示光纤的光弹系数，α表示光纤的热膨胀系数，ξ表示光纤的热光系数，ΔT表示温度变化量.

在温度场恒定的条件下，光纤光栅中心波长的改变将主要由应变引起,则光纤光栅中心波长的相对偏移量可表示为[15，16]：

Δλ=λB(1-Pe)ε.

(2)

因此，可以通过监测光纤光栅传感器中心波长的变化来监测引起被监测对象应变中任何物理参量的变化.

1.2 光纤光栅油位计工作原理

由于裸光纤光栅的灵敏度比较低，因此，若将光纤光栅传感器用于变压器油位的监测，需要借助于应变量较大的弹性敏感元件进行增敏，本文提出了基于C型弹簧管的光纤光栅油位计.根据胡克定律，在压力载荷作用下，弹簧管产生的法向应力σ1和径向应力σ2分别为[17]：

(3)

(4)

式中：E为弹性模量，μ为泊松比，ε1为法向应变，ε2为径向应变.

根据弹簧管应力与应变的关系以及弹簧管截面外壁法向应变与压强的关系可得出弹簧管截面外壁应变为[18]：

(5)

(6)

式中:P为单位面积下压力，R为弹簧管曲率半径，a为弹簧管截面长轴长，b为弹簧管截面短轴长，K为与R、h、a2有关的函数，为弹簧管壁厚，β为与a/b有关的函数，Ω和φ可查弹簧管相关资料获得相应值.

确定材料和截面形状之后，在一定的压力值下，E、u、R、a、b、h都是固定值，可以知道，弹簧管表面各点的法向应变和径向应变均与单位面积下压力P，即压强Pa呈线性关系，表示为ε=kPa.

对于变压器储油柜，

Pa=ρ油gH,

(7)

式(7)中：ρ油为变压器油密度，g为重力加速度，H为储油柜油位，代入公式(2)可得：

Δλ=λB(1-Pe)kρ油gH.

(8)

因此，光纤光栅中心波长偏移量与变压器储油柜油位的高度呈线性关系.

2 光纤光栅储油柜油位计监测系统

2.1 光纤光栅油位计设计

本文所设计的光纤光栅油位计如图1所示.弹簧管内腔与变压器油箱口连通，弹簧管的密封端为自由端，将刻有光栅的光纤光栅传感器置于C型弹簧管的最大应变处，并使其与弹簧管外壁法向中心轴线相重合，连接于C型弹簧管上的光纤光栅传感器预先施加一定的预应力，以保持光纤光栅传感器在监测过程中保持一定的拉应变.由于C型弹簧管是一种良好的弹性元件，当管内和管外承受不同压强时，则在其弹性极限内发生相应形变.当作用在C型弹簧管上的压强发生变化时，封装在C型弹簧管上的光纤光栅传感器的中心波长将发生偏移.根据监测光纤光栅传感器中心波长偏移量与弹簧管在不同油位压强下发生形变量的关系计算油位高度，从而对储油柜的油位进行监测.为了消除温度对应变的影响,设计中选用了温度和应变响应系数基本相同的光纤光栅传感器进行补偿.

图1 光纤光栅油位计结构图

Fig. 1 The fiber Bragg grating oil level gauge

2.2 光纤光栅油位计监测系统

基于光纤光栅传感器的变压器储油柜油位计监测系统如图2所示.

图2 光纤光栅油位模拟监测系统

Fig. 2 The fiber Bragg grating oil level simulating monitoring system

整个监测系统由充气泵、压力表校验器、引压导管、光纤光栅油位计组成，系统中，气体压缩机充气泵和压力表校验器组成标准加压装置、引压导管模拟变压器储油柜，光纤光栅传感器中心波长为1535.97 nm，光栅长度为10 mm，通过光纤光栅解调仪(sm225)采集光纤光栅传感器中心波长的变化.试验中，通过调节标准加压装置来改变导压管中的压强值以模拟变压器储油柜中油位的变化，当调节标准加压装置时，引起引压导管中的压强发生变化，该部分压强信号的大小与油位高度信号成线性函数关系.因此，油位信号转化为压强信号，压强信号通过引压导管传递到C型弹簧管上，压强使得C型弹簧管产生轴向应变，从而引起粘贴在C型弹簧管上的光纤光栅中心波长发生偏移，由光纤光栅解调仪sm225读取光纤光栅中心波长的变化量并输入到计算机中进行处理，得到储油柜中油位的高度.

3 结果与分析

试验在室温下进行，在0～0.1 MPa的压强范围内，利用标准加压装置给引压导管加压来模拟储油柜不同油位下的压强变化.分别从0 MPa开始，至0.1 MPa停止施压，每增加0.05 MPa记录一次试验数据，然后从0.1 MPa开始，至压力表读数为0 MPa停止减压，同样，每减少0.05 MPa记录一次试验数据.重复上述试验，共做多次.图3为其中两次升压和降压过程中不同压强下光纤光栅传感器的中心波长变化.从图3中可以看出，在升压和降压过程中，光纤光栅传感器中心波长的变化量与施加给储油柜的压强之间具有良好的线性关系.在升压过程中，光纤光栅中心波长随着压强的逐渐增加而出现蓝移，在降压过程中，光纤光栅中心波长随着压强的逐渐减小而出现红移.

图3 光纤光栅油位计中心波长同压强变化关系

Fig. 3 The relationship between the central wavelength and pressure

变压器油的主要成分是烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃等化合物，被广泛应用于变压器类和断路器类等设备中，当温度在20 ℃时，25#变压器油的密度是ρ=0.895×103 kg/m3依据光纤光栅油位计监测原理，换算出变压器储油柜中相应变压器油的高度，得出储油柜中不同油位对应光纤光栅传感器的中心波长如图4所示.从图4可以看出，光纤光栅传感器中心波长偏移量同储油柜中的油位呈良好的线性关系.

图4 光纤光栅油位计中心波长同油位变化关系

Fig. 4 The relationship between the central wavelength and the oil level

分别对模拟试验中两次升压和两次降压的数据进行处理，得出储油柜油位与光纤光栅传感器中心波长的曲线拟合方程及拟合度如表1所示.

表1 光纤光栅油位计中心波长和油位拟合方程和拟合度
Tab. 1 The fitting equations and fitting degree of the relationship between Bragg central wavelength and oil level

从表1可以看出，在升压和降压过程中，所设计的光纤光栅油位传感器的线性拟合度平均值为0.9996，接近于1，具有良好的线性特性，灵敏度均值为4.7472 pm/dm.上述结果与分析是直接利用光纤光栅解调仪采集数据进行处理得到的.根据光纤光栅传感器的应变特性，光纤光栅反射波中心波长的偏移量同应变的变化是完全线性关系，拟合度应该为1，并且每次试验中传感器的灵敏度应该保持不变.但是，每次试验结果所得线性拟合度与理论值相比，存在一定的误差，加压与减压过程中拟合曲线并不完全重合，每次试验中传感器的灵敏度有一定的偏差，这些主要是由于光纤光栅传感器是通过环氧树脂胶固定在C型弹簧管上，C型弹簧管、环氧树脂胶及光纤光栅的膨胀系数不同使得传感器产生一定的蠕变和迟滞，同时，压强的调节及读取都是采用人工操作，易于产生视觉偏差.

4 结论

所设计的光纤光栅油位计中心波长与变压器油位变化呈现良好的线性变化关系，将其用于变压器储油柜油位的监测是可行的.研究结果为变压器储油柜油位的监测提供了新的思路.研究中发现传感器数据的一致性不好，多次试验曲线不完全重合，后续应对光纤光栅油位计的结构形式和固定方式进一步展开研究，以提高传感器数据的一致性.