團隊介紹

劉云鵬，華北電力大學電氣與電子工程學院副院長，電力工程系主任，教授，博導，中國電機工程學會測試技術及儀表專委會委員、高壓青年學組組長，中電聯“電網電磁環境與噪聲控制標準化技術委員會”副主任委員，電力行業“高壓試驗技術標準化技術委員會”和“絕緣子標準化技術委員會”委員，河北省電機工程學會副會長，教育部霍英東青年基金獲得者，河北省三三三人才一層次。

主要從事超特高壓輸電和電氣設備狀態檢修研究工作，負責國家科技部重點研發計劃、自然科學基金項目等課題7項；獲省部級科技獎7項（一等獎4項），在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》等刊物上發表SCI/EI檢索110余篇，授權發明專利21項。

李歡，博士研究生，主要研究方向為分布式光纖傳感技術在變壓器繞組變形和溫度檢測領域的應用以及變壓器內部溫度分布特性。

本文通過在導線表面開槽置入光纖，制成了具備溫度、應變雙重傳感功能的變壓器繞組，通過分布式光纖應變傳感技術，實現了對繞組輻向變形的精確定位和程度檢測，為變壓器繞組變形的在線監測提供了新的思路。

研究背景

電力變壓器作為電網中能量傳輸和轉換的重要部件，其受到短路沖擊后繞組的健康狀況一直難以準確感知，頻響法、電抗法等只能實現間接判斷，且多依賴于經驗，難以實現對繞組變形的準確定位與程度判斷。

論文方法及創新點

在銅線表面開槽，置入一根用于溫度和應變傳感的單模光纖和一根用于溫度補償的多模光纖，使用絕緣紙進行包裹，其外形尺寸保持不變，制成了具有應變和溫度分布式感知功能的導線，其截面如圖1所示。通過電場、溫度場等仿真和耐壓試驗等驗證了這一設計的可行性。

圖1

通過仿真研究了輻向變形情況下導線上布置的光纖所受應變與繞組變形程度（后文用撓度作為量化指標，定義為變形后繞組外圈與原繞組外圈圓周徑向的最大距離）之間的關系，結果顯示在一定變形范圍內，內凹變形和外凸變形時光纖所受平均體積應變與繞組撓度均成二次函數關系，其相關系數R2＞0.999。

圖2

使用這一復合導線，按照某35kV繞組尺寸繞制了光纖復合變壓器連續式繞組模型，搭建如圖3所示試驗平臺。對繞組施加不同位置、不同形式的輻向變形，其中內凹和外凸變形分別進行四組試驗，選取對應位置應變量變化極值作為檢測量，以撓度進行自變量進行二次曲線擬合，建立應變-變形程度對應關系。

圖3

對繞組施加兩個方向各1-2組變形，通過BOTDR檢測到的應變計算變形程度，與實際測量值進行比較，作為變形程度擬合模型的驗證組，試驗結果如圖4所示。通過應變分布曲線可以獲知變形位置和類型，前期試驗獲得的應變-撓度對應關系可以準確預測繞組變形程度。

圖4

總結

為了實現對變壓器繞組變形的在線監測，文章設計了內置傳感光纖的復合導線，并用其繞制成具有溫度和應變分布式感知功能的光纖復合繞組。通過仿真和模擬實驗確定在外凸和內凹兩種輻向變形情況下，應變量與繞組撓度呈二次函數關系，相關系數R2達到0.999以上。通過試驗驗證了這一結論，實現了誤差1餅之內的繞組變形定位和精度10%范圍的輻向變形程度識別。

引用本文

劉云鵬， 李歡， 田源， 賀鵬， 范曉舟. 基于分布式光纖傳感的繞組變形程度檢測[J]. 電工技術學報， 2021, 36(7): 1347-1355. Liu Yunpeng, Li Huan, Tian Yuan, He Peng, Fan Xiaozhou. Winding Deformation Detection Based on Distributed Optical Fiber Sensing. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1347-1355.