團隊介紹

劉云鵬，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副院長，電力工程系主任，教授，博導(dǎo)，中國電機工程學(xué)會測試技術(shù)及儀表專委會委員、高壓青年學(xué)組組長，中電聯(lián)“電網(wǎng)電磁環(huán)境與噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”副主任委員，電力行業(yè)“高壓試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”和“絕緣子標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”委員，河北省電機工程學(xué)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(shè)備狀態(tài)檢修研究工作，負責(zé)國家科技部重點研發(fā)計劃、自然科學(xué)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(fā)表SCI/EI檢索110余篇，授權(quán)發(fā)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(shù)在變壓器繞組變形和溫度檢測領(lǐng)域的應(yīng)用以及變壓器內(nèi)部溫度分布特性。

本文通過在導(dǎo)線表面開槽置入光纖，制成了具備溫度、應(yīng)變雙重傳感功能的變壓器繞組，通過分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)，實現(xiàn)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(jiān)測提供了新的思路。

研究背景

電力變壓器作為電網(wǎng)中能量傳輸和轉(zhuǎn)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(zhǔn)確感知，頻響法、電抗法等只能實現(xiàn)間接判斷，且多依賴于經(jīng)驗，難以實現(xiàn)對繞組變形的準(zhǔn)確定位與程度判斷。

論文方法及創(chuàng)新點

在銅線表面開槽，置入一根用于溫度和應(yīng)變傳感的單模光纖和一根用于溫度補償?shù)亩嗄９饫w，使用絕緣紙進行包裹，其外形尺寸保持不變，制成了具有應(yīng)變和溫度分布式感知功能的導(dǎo)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(shè)計的可行性。

圖1

通過仿真研究了輻向變形情況下導(dǎo)線上布置的光纖所受應(yīng)變與繞組變形程度（后文用撓度作為量化指標(biāo)，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(guān)系，結(jié)果顯示在一定變形范圍內(nèi)，內(nèi)凹變形和外凸變形時光纖所受平均體積應(yīng)變與繞組撓度均成二次函數(shù)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2＞0.999。

圖2

使用這一復(fù)合導(dǎo)線，按照某35kV繞組尺寸繞制了光纖復(fù)合變壓器連續(xù)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(nèi)凹和外凸變形分別進行四組試驗，選取對應(yīng)位置應(yīng)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(yīng)變-變形程度對應(yīng)關(guān)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(yīng)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(jié)果如圖4所示。通過應(yīng)變分布曲線可以獲知變形位置和類型，前期試驗獲得的應(yīng)變-撓度對應(yīng)關(guān)系可以準(zhǔn)確預(yù)測繞組變形程度。

圖4

總結(jié)

為了實現(xiàn)對變壓器繞組變形的在線監(jiān)測，文章設(shè)計了內(nèi)置傳感光纖的復(fù)合導(dǎo)線，并用其繞制成具有溫度和應(yīng)變分布式感知功能的光纖復(fù)合繞組。通過仿真和模擬實驗確定在外凸和內(nèi)凹兩種輻向變形情況下，應(yīng)變量與繞組撓度呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達到0.999以上。通過試驗驗證了這一結(jié)論，實現(xiàn)了誤差1餅之內(nèi)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(shù)學(xué)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.