电力变压器状态监测光学传感器综述

题目：电力变压器状态监测光学传感器综述

作者：马国明，王渊，秦炜淇，周宏扬，阎超，江军，琚诒光.


内容整理自《High Voltage》2021年第6卷第3期。


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研究背景
电力变压器是电力系统中的核心装备，采用先进传感技术对电力变压器局部放电、气体组分、温度变化等关键参量进行实时、有效地检测，对于保障设备安全和供电可靠性具有重大的意义。

经过数十年的发展，基于传统传感器的变压器状态监测技术已十分成熟，并积累了大量的研究经验。但由于存在绝缘风险，电子式传感器只能在变压器外部安装，隔靴搔痒，不能及时准确的获得变压器内部多物理场信息。且这些电学传感器在实际应用时常面临强电磁干扰、灵敏度不足、难以复用等问题，严重制约了变压器状态监测水平。近年来，随着各学科间的交叉发展，光学传感器受到研究人员的关注。先进的光学传感器由于其良好的绝缘性能，可以直接置于变压器内部，掌握缺陷发生、发展过程信息，为变压器运行状态的准确诊断提供参考。

本论文综述了近年关于变压器局部放电、气体状态、温度变化等参量的光学传感技术应用研究，介绍了光学传感器的工作机制，总结了各类光学传感器在变压器状态监测领域的应用情况及其优缺点，并阐明了新型光学传感器的发展趋势，以期对变压器状态监测技术的发展提供参考。



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局部放电光学检测
声学方法是电力变压器局部放电监测的一种有效方法。目前，用于电力变压器局部放电监测的光纤超声传感器主要有Fabry-Perot、Michelson、Mach-Zehnder和Sagnac等干涉式光纤超声传感器，以及FBG超声波传感器。

Fabry-Perot干涉结构

Fabry-Perot干涉式光纤超声传感器的优点是对微弱的超声波信号具有高灵敏度，并且体积小，适合安装在变压器中。但由于使用腔体，可能会导致尖端放电。Fabry-Perot干涉式光纤超声传感器还具有制造方法复杂、价格昂贵以及使用中难以复用的问题。

其他干涉结构

Michelson、Mach-Zehnder和Sagnac干涉式光纤超声传感器绝缘性能好且易于制造。为实现微小局放信号所诱发的超声信号监测，所需要的传感光纤长度较长，且温度变化或随机振动产生的低频噪声易对干涉式超声传感器的稳定性产生影响。此外，此三种干涉式光纤超声传感器同样难以实现多路复用。

FBG超声传感器

荧光光纤具有绝缘性能好、成本低、抗电磁干扰等优点，通过与传统特高频传感器结合，有望实现与变压器的融合安装。但其检测灵敏度有待进一步提高。

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图1 不同干涉型光纤超声传感器原理示意图

(a) Fabry-Perot  (b) Mach-Zehnder

(c) Michelson  (d) Sagnac



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油中溶解气体光学检测
红外吸收光谱法、光声光谱法、拉曼光谱法以及FBG氢气传感器是变压器油中溶解气体光学监测的主要方法。

红外吸收光谱法

可用于对多种变压器油中溶解烃类气体的成分与浓度进行分析，检测下限多为ppm水平；但其存在多种气体间交叉敏感问题，并且存在由于吸收光程长而导致气池体积大的问题。目前在保证足够吸收光程的条件下，利用空心光子晶体光纤作为吸收气池成为研究热点。

光声光谱法

具有灵敏度高、选择性好、响应时间短等优点，可用于监测多种变压器油中溶解烃类气体，但外部噪声是影响其电力现场适用性的主要因素，如何降低大噪声干扰以实现变压器油中溶解气体的现场在线监测仍需要进一步研究探索。

拉曼光谱法

通过直接测量物质因激光照射产生拉曼散射光而分析物质结构和性质。拉曼光谱法具有无需分离混合气体且仅使用单一频率的激光便可同时分析多种特征气体的优点。但目前大多研究中检测下限（几十ppm）尚无法满足实际工程的需求。

FBG氢气检测

在FBG栅区上涂覆氢敏材料后，当氢气浓度变化时FBG所受拉力将会发生变化，进而实现油中氢气含量监测的。研究人员通过涂覆不同氢敏材料以及对FBG结构进行加工等方式进行增敏，成功满足了油中氢气在线监测的灵敏度、检测限等关键性能需求。但由于缺少其他油中气体敏感材料，尚无法实现多气体同时检测。

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(a) Beer-Lambert定律

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(b) 拉曼效应

图2 典型特征气体检测方法原理示意图




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温度变化光学监测
目前应用于电力变压器温度监测的光学方法主要包括荧光光纤温度传感、光纤光栅（FBG）温度传感和光纤分布式温度传感（DTS）。

荧光光纤传感器

荧光光纤传感器是一种成熟且应用广泛的温度传感器，可直接测量变压器绕组温度。根据荧光信号的处理方式，荧光光纤温度传感器一般可分为强度型、强度比型和荧光寿命型。由于具有较强的抗干扰能力和较高的精度，用于变压器绕组温度测量的荧光光纤传感器均为荧光寿命型。但是荧光光纤传感器复用难度较大，多点测量时维护复杂。

FBG温度传感器

FBG温度传感器是一种较为成熟简单的技术，因其灵敏度高、成本低等优点已经得到了较为广泛的应用。FBG温度传感采用波长解调方式，不易受到光源不稳定性的干扰。多个FBG可以通过波分复用（WDM）和时分复用（TDM）方便地实现准分布式监测。

分布式光纤温度传感(DTS)

使用的光纤既是传感元件又是信号传输元件，能够连续监测光纤路径上温度分布。基于Raman散射的光时域反射（R-OTDR）技术在气体绝缘设备测温领域较早得到应用；基于Brillouin散射的光时域反射（BOTDR）技术在空间分辨率和信号强度上有所提高，可以同时测量温度与应变；基于Rayleigh散射的光频域反射（OFDR）技术在空间分辨率和测量精度上优势明显，具有巨大的应用前景。

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（a）R-OTDR技术原理图

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（b）OFDR技术原理图

图3 典型光纤分布式温度检测技术原理示意图



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其他状态光学检测
绕组变形监测

变压器绕组变形的光学监测方法有两种：基于光纤光栅的振动或压力传感和分布式光纤传感。对FBG进行封装可制成压力传感器，置于变压器绕组中用于应力测量。分布式光纤振动或应变传感能够对绕组形变进行量化监测与定位。研究人员提出了一种基于OFDR的变压器绕组变形分布式监测技术，能够直接显示绕组变形情况，准确定位变形位置，确定变形水平。

振动监测

传统振动监测方法通常在变压器油箱外表面测量振动，在光学传感器的帮助下，将传感器置于变压器箱中，可以直接监测铁芯振动。光纤干涉传感器和FBG传感器均有望用于对铁芯和绕组进行内置式振动监测，但是现场应用中可能很脆弱，应进一步提高其可靠性。

受潮监测

变压器油纸绝缘中水分的扩散速度很慢，由于光学传感器可以直接安装在油纸绝缘层中，可以更早地检测水分含量。目前光纤湿度传感主要有FBG结合湿敏涂覆材料及光纤倏逝波传感器两种方法。

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图4 变压器状态监测量与对应光学监测方法



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结论
本论文综述了近年关于变压器局部放电、气体状态、温度变化等参量的光学传感技术应用研究，旨在对该领域的研究近况进行全面的总结与分析。目前诸多光学传感技术的研究仍处于实验室研究阶段，由于缺乏光学物理知识，大多数电力学科的研究人员和工程师仍然不熟悉这些新技术。如何实现光学传感器与现场电力设备的融合安装是现阶段面临的主要问题。此外，进一步提高光学传感器的灵敏度并实现长距离分布式传感是未来的研究方向。





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文献信息
Guoming Ma, Yuan Wang, Weiqi Qin, Hongyang Zhou, Chao Yan, Jun Jiang, Yiguang Ju.Optical sensors for power transformer monitoring: A review. High Voltage. , vol. 6. no 3, Jun. 2021: 367-386.



团队介绍
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作者隶属于新能源电力系统国家重点实验室先进传感实验室，实验室负责人马国明，教授，博士生导师，IEEE Senior member，入选中国科协“青年人才托举工程”，获得“中国电力优秀青年工程师奖”。作为国际大电网会议D1/B3.57工作组，D1.60工作组中国代表起草两项CIGRE 工作报告，作为IEEE P2426标准工作组秘书组织起草IEEE国际标准。主持国家重点研发项目子课题1项，973子课题1项，国家自然科学基金青年项目1项（结题优秀）、面上项目2项，霍英东教育基金会高等院校青年教师基金1项。共发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利30余项，获得省部级奖励4项。
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高电压与绝缘技术研究所是新能源电力系统国家重点实验室、高电压与电磁兼容北京市重点实验室的重要组成部分。研究所现有专职教师19人，其中教授8人（博士生导师7人），副教授8人，高级工程师2人，讲师1人。研究所现有首批新世纪百千万人才工程国家级人才1名，全国模范教师1名，教育部新世纪优秀人才计划获得者1名，万人计划青年拔尖人才1名。另有博士后2人，科研助理2人。研究所主要开展电介质物理与放电机理、新型绝缘材料、输变电装备故障诊断与状态评估等领域的研究。近年来获得国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项。





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编辑：李晓涵

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