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電力發(fā)展對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，而變壓器作為電能傳輸和轉(zhuǎn)換中的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，大型變壓器因遭受多次區(qū)外故障造成繞組變形直至最終發(fā)展成為內(nèi)部匝間故障的事故較為多見，對電網(wǎng)安全影響極大。

傳統(tǒng)的檢測手段，如短路阻抗法、頻率響應(yīng)法和掃頻阻抗法等，具有易受現(xiàn)場環(huán)境干擾、無法實現(xiàn)變形定位與程度準(zhǔn)確判斷等缺點。在對電網(wǎng)運行安全要求逐漸提高的今天，急需一種能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)繞組變形定位和變形程度檢測的新型傳感手段。

分布式光纖傳感技術(shù)在近年逐漸興起，其使用光纖作為信號傳輸媒質(zhì)和傳感媒質(zhì)，能獲得沿線各點處的溫度、應(yīng)變、振動等各種信息，相比于其他點式傳感器具有測量點數(shù)多（上千乃至上萬點）、傳感距離遠(yuǎn)（數(shù)千米至數(shù)十千米）等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于建筑健康監(jiān)測、橋梁隧道和飛機(jī)等航天器狀態(tài)監(jiān)測等各領(lǐng)域。這一技術(shù)還具有傳感光纖體積小和材質(zhì)均為絕緣、不受電磁干擾等優(yōu)點，使得其在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中也能有用武之地。

為了實現(xiàn)繞組輻向變形的定位與程度判斷，將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于繞組變形領(lǐng)域。華北電力大學(xué)等單位的研究人員，把一種表面開槽的電磁線作為研究對象，通過在導(dǎo)線表面開槽，槽中鋪設(shè)直徑0.5mm的護(hù)套緊包纖作為傳感介質(zhì)，制造了光纖復(fù)合電磁線。使用COMSOL Multiphysics對其進(jìn)行了靜電場仿真，結(jié)果顯示光纖復(fù)合電磁線相較正常導(dǎo)線未發(fā)生明顯電場畸變和絕緣強(qiáng)度降低。

圖1 光纖復(fù)合式繞組

他們對該導(dǎo)線進(jìn)行了固體力學(xué)仿真，結(jié)果顯示在內(nèi)凹和外凸兩種變形條件下，光纖應(yīng)變與導(dǎo)線變形程度（以撓度作為指標(biāo)）之間關(guān)系可以用二次函數(shù)來描述，R2＞0.999。之后使用粘貼光纖的銅排模擬實際繞組，搭建試驗平臺。在仿真結(jié)論的基礎(chǔ)上，獲得了繞組撓度與光纖布里淵頻移之間的關(guān)系。

圖2 試驗平臺示意圖

研究人員使用光纖復(fù)合電磁線繞制了一個35kV變壓器繞組模型，并搭建了基于分布式光纖傳感的變壓器繞組變形監(jiān)測試驗平臺，基于此平臺，對繞組施加11組輻向變形，使用分布式光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)了精度在2餅以內(nèi)的繞組變形定位。在內(nèi)凹和外凸兩種變形下，繞組變形程度與應(yīng)變量之間均呈二次函數(shù)關(guān)系，R2分別為0.9644和0.9995，通過這一關(guān)系計算出的繞組變形程度與實際值誤差在10%以內(nèi)，能較好地滿足工程需求。

圖3 繞組施加變形

圖4 繞組變形程度判斷

他們最后指出，這一技術(shù)不易受電磁干擾、振動等影響，可以實現(xiàn)對變壓器內(nèi)部繞組變形程度、變形位置的準(zhǔn)確實時在線檢測，為變壓器的智能傳感和智能運維提供一種新的解決方案。

本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于分布式光纖傳感的繞組變形程度檢測”，作者為劉云鵬、李歡 等。