Come utilizzare i sensori a reticolo in fibra ottica per monitorare la temperatura interna dei trasformatori a secco

Nella rete intelligente, i trasformatori di potenza sono diventati apparecchiature indispensabili. Il funzionamento dei trasformatori influisce direttamente sulla produzione e sulla vita delle persone. Per meglio rilevare lo stato dei trasformatori, è necessario effettuare una rilevazione controllabile sui trasformatori. La durata di vita di un trasformatore dipende principalmente dalla sua capacità di isolamento. Nel funzionamento effettivo dei trasformatori, la temperatura del trasformatore influisce sulla sua capacità di isolamento, quindi la durata del trasformatore viene dedotta rilevando la temperatura del trasformatore. Durante il funzionamento del trasformatore, la temperatura interna può riflettere direttamente la temperatura interna, quindi c'è un urgente bisogno di un metodo di rilevamento in grado di rilevare con precisione la temperatura interna.

Adesso, esistono tre metodi principali per rilevare la temperatura dei nuclei di ferro: metodo di misurazione della simulazione termica, metodo di misurazione del calcolo indiretto, e metodo di misurazione diretta. L'uso del metodo di misurazione della simulazione termica per misurare la temperatura degli avvolgimenti è ampiamente utilizzato grazie alla sua semplicità, ma il processo di simulazione e il processo di aumento della temperatura presentano errori significativi, con conseguenti risultati di previsione imprecisi che non possono riflettere accuratamente la temperatura dell'avvolgimento. Il metodo di calcolo indiretto per misurare la temperatura degli avvolgimenti semplifica la distribuzione delle caratteristiche termiche dei trasformatori, e il calcolo è semplice e ha un certo grado di precisione. Tuttavia, i risultati del calcolo potrebbero essere influenzati dai punti caldi negli avvolgimenti. Il metodo di misurazione diretta può riflettere con precisione l'andamento delle variazioni di temperatura all'interno del trasformatore misurando direttamente la temperatura dell'avvolgimento. I metodi di misurazione diretta includono principalmente il test dei sensori di segnale elettrico, test di misurazione della temperatura a infrarossi, e test di misurazione della temperatura in fibra ottica.

Il metodo di misurazione del sensore di segnale elettrico viene utilizzato per misurare direttamente la temperatura interna dei trasformatori, ma il sensore del segnale elettrico ha una vita breve ed è fortemente influenzato dalle interferenze elettromagnetiche, e i risultati del test non possono riflettere accuratamente la temperatura interna. Il metodo di misurazione della temperatura a infrarossi utilizza test a infrarossi, ma è suscettibile alle interferenze elettromagnetiche e non può trasmettere i risultati del test in modo tempestivo, rendendo impossibile ottenere la funzione di monitoraggio in tempo reale. Il metodo di misurazione della temperatura in fibra ottica è stato ampiamente utilizzato grazie alla sua elevata precisione di misurazione. Tuttavia, quando questo metodo viene applicato alla misurazione della temperatura del trasformatore, i sensori in fibra ottica possono essere posizionati solo in base all'esperienza, con conseguenti problemi come un numero limitato di punti di misurazione della temperatura e una distribuzione non uniforme dei punti di misurazione della temperatura.

Questo articolo propone un metodo di monitoraggio della temperatura interna della bobina del trasformatore basato sulla fibra sensori a reticolo ottico per affrontare i problemi del numero limitato di punti di misurazione della temperatura, distribuzione non uniforme dei punti di prova, e incapacità di trasmettere i risultati delle misurazioni in tempo reale negli attuali metodi di misurazione diretta. Questo metodo può migliorare l'attuale livello di rilevamento della temperatura interna nei trasformatori, aumentare la durata dei trasformatori, e ridurre il tasso di guasto dei trasformatori.

1. Principi dei sensori a reticolo
Il Fiber Grating Sensor è un sensore in fibra ottica modulato in lunghezza d'onda che ottiene informazioni di rilevamento modulando la lunghezza d'onda della fibra di Bragg con parametri fisici esterni. I sensori a reticolo in fibra ottica presentano vantaggi come l'anti-interferenza elettromagnetica, buone prestazioni di isolamento elettrico, di piccole dimensioni, e bassa perdita di trasmissione.

I reticoli in fibra di Bragg hanno effetti di espansione termica, ottica e termica, che influenzerà direttamente le caratteristiche di temperatura dei reticoli in fibra di Bragg. Quando si verifica l'effetto ottico termico nel reticolo in fibra ottica, l'indice di rifrazione effettivo del reticolo corrispondente cambierà. Se cambia il periodo di concessione, indica che il reticolo in fibra ottica ha subito un effetto di dilatazione termica. Se la temperatura e la lunghezza d'onda di Bragg cambiano, indica che sul reticolo in fibra ottica vengono generati sia l'effetto ottico termico che l'effetto di dilatazione termica.

Il reticolo in fibra di Bragg non può solo misurare la temperatura, ma anche sforzarsi. Le caratteristiche di deformazione dei reticoli in fibra di Bragg sono influenzate principalmente da effetti elastici ed elasto ottici. L'effetto elastico ha un impatto significativo sul periodo reticolare dei reticoli in fibra di Bragg, mentre l'effetto ottico elastico modifica l'indice di rifrazione effettivo dei sensori in fibra con reticolo di Bragg.

2 Metodi di progettazione
Il sistema di monitoraggio della temperatura del nucleo di ferro basato su Sensori per reticolo in fibra ottica è principalmente suddiviso in trasformatori integrati con sensori, sistemi di rilevamento della temperatura, e sistemi di trasmissione di sensori.

2.1 Sistema di rilevamento della temperatura
Il rilevamento tradizionale della temperatura presenta problemi come la difficoltà nella misurazione della temperatura, punti di misurazione limitati, e debole capacità anti-interferenza dei metodi di test. Pertanto, questo studio propone un metodo per incorporare sensori a reticolo in fibra ottica nei nuclei dei trasformatori, raccolta dei dati di temperatura tramite sensori a reticolo in fibra ottica e trasmissione dei segnali raccolti. A causa delle dimensioni ridotte e della forte capacità anti-interferenza dei sensori a reticolo in fibra ottica, possono funzionare normalmente in ambienti ad alta temperatura e alta pressione, quindi possono essere completamente integrati all'interno dei trasformatori. Dapprima, il reticolo in fibra ottica viene preallungato utilizzando uno strumento di preallungamento della fibra ottica, e poi la fibra operata viene placcata in oro. A causa delle caratteristiche di temperatura e deformazione dei sensori a reticolo in fibra ottica, al fine di migliorare la precisione di misurazione dei sensori a reticolo in fibra ottica, è necessario ridurre l'influenza delle caratteristiche di deformazione e migliorare il coefficiente di dilatazione termica per aumentare la sensibilità. A causa dell'elevato coefficiente di dilatazione termica della lega di alluminio, le prestazioni di misurazione dei sensori a reticolo in fibra ottica possono essere migliorate combinandoli con il substrato in lega di alluminio del nucleo di ferro attraverso la tecnologia di saldatura rigida. Utilizzare gli strumenti per eseguire lavori di scanalatura sul retro del nucleo di ferro, con una dimensione moderata che non pregiudica il normale funzionamento del nucleo di ferro. Durante il processo di avvolgimento del filo piatto di rame con carta, un dispositivo di guida viene utilizzato per guidare la fibra ottica nella piccola scanalatura aperta dal filo piatto di rame, riservando la fibra della coda per l'invio dei segnali di rilevamento.

2.2 Sistema di trasmissione del sensore
Questo studio adotta la tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda e la tecnologia di multiplexing a divisione spaziale. La tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda è la trasmissione di due o più segnali attraverso canali diversi su una singola fibra ottica, senza influenzarsi a vicenda. Questo metodo di trasmissione consente alle fibre ottiche di trasmettere più informazioni. La tecnologia di multiplexing a divisione spaziale combina più fibre ottiche per formare più canali, ognuno dei quali è indipendente l'uno dall'altro, e il segnale viene trasmesso sul canale corrispondente. Adottando la tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda e la tecnologia di multiplexing a divisione spaziale, le fibre ottiche limitate possono essere trasmesse al massimo delle informazioni, risolvendo efficacemente il problema del minor numero di punti di misurazione della temperatura interna nei trasformatori. Dapprima, i dati di rilevamento vengono raccolti tramite sensori a reticolo in fibra ottica, e poi trasmesso ad un demodulatore. Il demodulatore converte il segnale della lunghezza d'onda in un segnale digitale, e il computer riceve il segnale e visualizza i risultati del rilevamento in tempo reale.

Per risolvere il problema della difficile misurazione della temperatura e dei pochi punti di misurazione della temperatura nei trasformatori, questo articolo propone un metodo di monitoraggio della temperatura per il nucleo in ferro della bobina del trasformatore basato su sensori a reticolo in fibra ottica. Incorporare il sensore del reticolo in fibra ottica nel nucleo del trasformatore, e utilizzare metodi di multiplexing a divisione di spazio e di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda per trasmettere le informazioni del sensore al demodulatore. Il demodulatore converte il segnale della lunghezza d'onda in informazioni digitali e lo trasmette al computer per ottenere la funzione di monitoraggio in tempo reale. I risultati della simulazione lo mostrano rispetto al metodo di misurazione ESSM, Metodo di misurazione ITM, e metodo di misurazione della temperatura FOTM, il metodo di misurazione FGCTM proposto in questo documento può migliorare efficacemente la precisione di rilevamento della temperatura interna nei trasformatori. Grazie ai suoi vantaggi come le dimensioni ridotte, forte resistenza alle interferenze elettromagnetiche, e buon isolamento, I sensori a reticolo in fibra ottica possono ottenere continuamente il monitoraggio della temperatura in tempo reale di apparecchiature ad alta tenuta e ad alta tensione, rendendoli adatti per altre applicazioni di rilevamento della temperatura.

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