Como medir a temperatura do transformador com fibra óptica

Fibras ópticas fluorescentes medem a temperatura do transformador detectando o tempo de decaimento da fluorescência de substâncias fluorescentes, como o tempo de decaimento da fluorescência é uma função da temperatura

1. Método para medir a temperatura do transformador usando fibra óptica

1.1 Método de medição baseado em grade Bragg de fibra

A rede de Bragg de fibra é um dispositivo passivo no qual o índice de refração é modulado periodicamente dentro do núcleo da fibra. Quando a temperatura externa muda, afetará o índice de refração da rede de Bragg de fibra e o índice de refração do núcleo da fibra, causando assim mudanças no comprimento de onda de pico de reflexão ou transmissão da rede de Bragg de fibra. Medindo com precisão o comprimento de onda do sinal refletido, detecção de temperatura pode ser alcançada. Este método normalmente requer a instalação de sensores de rede de Bragg de fibra próximos aos enrolamentos do transformador ou outros locais críticos para detectar com precisão as mudanças de temperatura..

1.2 Método de medição de temperatura de fibra óptica de fluorescência

Sensores fluorescentes de fibra óptica podem ser usados ​​para medir a temperatura interna de transformadores. O princípio é utilizar as características dos materiais fluorescentes. Quando um pulso de luz é emitido de uma fonte de luz e transmitido através de uma fibra óptica para um sensor, a substância fluorescente na sonda é iluminada pelo espectro. As moléculas absorvem luz e são excitadas para um estado eletrônico excitado, em seguida, irradie fluorescência para fora e retorne ao estado fundamental eletrônico. A temperatura do ambiente circundante e o tempo de decaimento da fluorescência exibem uma relação funcional, e o valor da temperatura pode ser obtido detectando o tempo de decaimento da fluorescência. Insira a sonda do termômetro de fibra fluorescente na posição dentro do transformador que precisa ser medida, como o enrolamento do transformador, para realizar medição de temperatura.

1.3 Método de medição de sensor de fibra óptica baseado em materiais semicondutores

Existe uma relação entre a temperatura e a absorção de luz de materiais semicondutores. A largura do bandgap da maioria dos semicondutores mostra uma correlação linear negativa com a temperatura, aquilo é, à medida que a temperatura aumenta, a largura do bandgap diminui linearmente e o comprimento de onda da banda de absorção de luz aumenta. Esta característica pode ser utilizada para fabricar sensores de fibra óptica com intensidade modulada, como usar modulação reflexiva ou transmissiva, bem como métodos de modulação de intensidade de índice de refração e coeficiente de absorção. Ao medir, se uma fonte de luz correspondente ao espectro de radiação e banda de absorção for selecionada, um aumento na temperatura causará uma diminuição na intensidade da luz do semicondutor. Então, com base na relação funcional entre intensidade de luz e temperatura, a temperatura do material semicondutor pode ser calculada pelo valor da intensidade da luz refletida. Este tipo de sensor de temperatura de fibra óptica consiste principalmente em dispositivos de conversão fotoelétrica, fontes de luz, e componentes sensíveis (como semicondutores de arsenieto de gálio).

1.4 Método de medição baseado em toda a tecnologia de fibra óptica

Projetar um sistema de detecção de temperatura usando redes de Bragg de fibra como elementos sensores. Durante o processo de medição, pode haver problemas de interferência externa, que pode ser efetivamente abordado usando o método de diferença para melhorar a precisão dos resultados de medição.

2. Caso de aplicação de fibra óptica na medição de temperatura de transformadores

2.1 Monitoramento de Temperatura do Enrolamento do Transformador na Subestação

Um sistema de monitoramento online de temperatura de fibra óptica de enrolamento de transformador baseado em tecnologia de fibra óptica foi utilizado em uma subestação de uma determinada empresa de energia. Este sistema consiste principalmente em sensores de temperatura de fibra óptica, transmissores de temperatura de fibra óptica, sistemas de medição de temperatura de fibra óptica, etc.. Sensores de temperatura de fibra óptica são responsáveis ​​por coletar informações de temperatura dos enrolamentos do transformador, e, em seguida, analisar o sinal óptico através de transmissores de temperatura de fibra óptica para obter informações sobre mudança de temperatura. Finalmente, o sistema de medição de temperatura de fibra óptica processa e analisa os dados de temperatura obtidos para obter monitoramento em tempo real da temperatura do enrolamento do transformador. Ao organizar sensores de fibra óptica em diferentes posições do enrolamento do transformador, dados de temperatura em tempo real podem ser coletados. Uma vez detectadas condições anormais, o sistema emitirá um alarme e tomará as medidas correspondentes em tempo hábil para evitar falhas no transformador.

2.2 Monitoramento de temperatura de transformadores imersos em óleo

Aplicação de medição de temperatura de grade de Bragg de fibra
Em transformadores imersos em óleo, grades de fibra Bragg são usadas para monitoramento da temperatura do óleo. Por exemplo, encapsulando a grade de fibra óptica dentro de um invólucro isolante, a temperatura ambiente externa é transmitida através do invólucro para a grade de fibra óptica, causando uma mudança em seu comprimento de onda. Devido à excelente relação linear entre o comprimento de onda central das redes de Bragg de fibra e a temperatura, a temperatura do óleo pode ser detectada medindo o comprimento de onda do sinal refletido. E normalmente, múltiplo (como 18) sensores de temperatura de grade de fibra óptica com diferentes comprimentos de onda podem ser conectados a um único cabo de fibra óptica. Os sinais refletidos dos sensores são retornados ao detector através de um dispositivo de loopback, e os dados são lidos no computador através de um cartão DIO digital, conseguindo assim um monitoramento eficaz da temperatura do óleo de transformadores imersos em óleo.
No sistema de detecção de temperatura do enrolamento do transformador baseado na detecção de rede de Bragg de fibra, o sistema adota sensores de grade Bragg de fibra com forte capacidade anti-interferência e extremamente sensíveis à temperatura. A medição e transmissão de sinais ópticos, seguido de demodulação em sinais de temperatura, pode atender aos requisitos de medição de temperatura de alta precisão dos enrolamentos do transformador, medir com precisão a temperatura do enrolamento de transformadores imersos em óleo, e garantir a operação segura dos transformadores.
Aplicação de medição de temperatura de fibra óptica fluorescente
Para grandes transformadores imersos em óleo, método de medição de temperatura de fibra óptica de fluorescência é adotado. Por exemplo, o sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente da Fuzhou Yingnuo Technology pode ser usado para monitoramento de temperatura de grandes transformadores imersos em óleo. Possui a característica de isolamento essencial e pode realizar monitoramento on-line de temperatura em componentes que suportam alta tensão ou corrente forte. Inserindo a sonda do material fluorescente na posição dentro do transformador que precisa ser medida, e detecção de temperatura através da relação entre o tempo de vida da fluorescência e a temperatura, reduz significativamente o impacto da estabilidade da fonte de luz.

3. Princípio da tecnologia de fibra óptica para medição de temperatura de transformadores

3.1 Princípio da tecnologia de grade de fibra Bragg

Princípios básicos
A grade de fibra Bragg é um dispositivo de filtro de fibra reflexiva. É conseguido irradiando uma fibra óptica nua com franjas de interferência ultravioleta, e o núcleo absorve a radiação ultravioleta para gerar mudanças periódicas permanentes no índice de refração. Quando o comprimento de onda que entra na fibra óptica satisfaz a condição de Bragg (λB=2n ∧, onde λ B é o comprimento de onda central da onda de luz refletida de Bragg da rede de fibra, n é o índice de refração do núcleo da fibra, e ∧ é o período de grade), o modo guiado para frente que se propaga no guia de ondas óptico se acoplará ao modo refletido para trás, formando reflexão de Bragg.
O comprimento de onda central de uma rede de Bragg de fibra está relacionado ao estresse e às mudanças de temperatura, e sua fórmula de relacionamento é Δ λ B=λ B (1- R) D e+l B (1+x) D T, onde Δ λ B é a mudança no comprimento de onda central da luz refletida causada por estresse e mudanças de temperatura; Δ ε é a mudança na tensão; Δ T é a mudança na temperatura; ρ é o coeficiente elástico óptico da fibra óptica; ξ é o coeficiente óptico térmico da fibra óptica. Quando a grade de fibra óptica é encapsulada dentro de um invólucro isolante, é afetado principalmente pela temperatura. A temperatura ambiental externa altera o n e ∧ da rede de fibra óptica, resultando em uma mudança no comprimento de onda da luz refletida. Medindo com precisão o comprimento de onda do sinal refletido, detecção de temperatura pode ser alcançada, e o comprimento de onda central da rede de fibra óptica tem uma relação linear muito boa com a temperatura.
Processo de detecção
A fonte de luz de banda larga é inserida na fibra óptica, e depois de passar pela rede de Bragg de fibra, o espectro de banda estreita no comprimento de onda de Bragg é refletido na extremidade de entrada da fibra, enquanto os comprimentos de onda restantes são transmitidos através. Quando a temperatura muda, o índice de refração e outros parâmetros da mudança da rede de Bragg de fibra, fazendo com que o comprimento de onda de Bragg mude, e o comprimento de onda da luz refletida também muda de acordo. Ao detectar a mudança no comprimento de onda da luz refletida e com base em uma relação predeterminada de comprimento de onda e temperatura, o valor de temperatura correspondente pode ser obtido.

3.2 Princípio da Tecnologia de Fibra Fluorescente

Princípio da geração de fluorescência
A substância fluorescente no termômetro de fibra fluorescente possui uma estrutura especial de nível de energia. Quando o pulso de luz é emitido pela fonte de luz e transmitido através da fibra óptica para a substância fluorescente na sonda do sensor, as moléculas da substância fluorescente absorvem a energia do fóton e fazem a transição do estado fundamental para o estado excitado. Devido à instabilidade do estado excitado, moléculas liberarão energia através da fluorescência radiativa e retornarão ao estado fundamental.
A relação entre temperatura e características de fluorescência
A temperatura do ambiente circundante e o tempo de decaimento da fluorescência exibem uma relação funcional. Em diferentes temperaturas, o tempo de decaimento da fluorescência de uma substância fluorescente muda à medida que ela retorna do estado excitado para o estado fundamental. De um modo geral, quanto maior a temperatura, quanto menor o tempo de decaimento da fluorescência. Ao detectar o tempo de decaimento da fluorescência e utilizar a relação de função de temperatura do tempo de decaimento da fluorescência predeterminada, o valor da temperatura do ponto de medição pode ser obtido.

4. Comparação da medição de temperatura de transformadores usando diferentes fibras ópticas

4.1 Sensor de grade de Bragg de fibra

vantagem
Alta precisão: O comprimento de onda central da rede de Bragg de fibra tem uma relação linear muito boa com a temperatura, e a medição de temperatura de alta precisão pode ser alcançada medindo com precisão a mudança no comprimento de onda refletido. Por exemplo, em alguns experimentos e aplicações práticas, pode atender aos requisitos de medição de temperatura de alta precisão dos enrolamentos do transformador com erros de medição relativamente pequenos.
Boa estabilidade: Os próprios sensores de rede de Bragg de fibra têm boa estabilidade e podem se adaptar às necessidades de monitoramento de temperatura durante a operação de longo prazo dos transformadores. Durante o monitoramento de temperatura de longo prazo, seu desempenho não sofrerá flutuações significativas e poderá refletir de forma contínua e precisa as mudanças de temperatura.
Interferência anti-eletromagnética: No forte ambiente eletromagnético dos transformadores, sensores de grade de Bragg de fibra, baseado no princípio de transmissão e detecção de sinal óptico, não são afetados por interferência eletromagnética e podem garantir a precisão dos dados de medição. Este recurso o torna altamente vantajoso na medição da temperatura do transformador em sistemas de potência.
Reutilização: Vários sensores de temperatura de rede de Bragg de fibra com diferentes comprimentos de onda geralmente podem ser conectados a uma única fibra óptica, facilitando a medição de temperatura multiponto em diferentes partes do transformador, construindo uma rede de sensores, e monitorar a distribuição geral de temperatura do transformador.
deficiência
Custo relativamente alto: O processo de produção de sensores de rede de Bragg de fibra é relativamente complexo, exigindo equipamentos e tecnologia especiais para preparar redes de Bragg de fibra, e o equipamento de desmodulação relacionado também é relativamente caro, o que torna alto o custo de todo o sistema de medição de temperatura da rede Bragg de fibra.
Altos requisitos de instalação: Ao instalar sensores de rede de Bragg de fibra, é necessário garantir a precisão de sua embalagem e posição de instalação para detectar com precisão as mudanças de temperatura e evitar fatores de interferência desnecessários, como estresse. Se instalado incorretamente, isso pode afetar a precisão da medição.

4.2 Sensor fluorescente de fibra óptica
vantagem

Requerimento reduzido de estabilidade da fonte de luz: Comparado com sensores de temperatura do tipo intensidade de fluorescência, detectar a temperatura através da relação entre a vida útil da fluorescência e a temperatura reduz significativamente o impacto da estabilidade da fonte de luz. Isto permite que sensores de fibra óptica fluorescentes meçam com precisão a temperatura em alguns cenários de aplicação onde a estabilidade da fonte de luz pode ser fraca.

Propriedades intrínsecas de isolamento: Sensores fluorescentes de fibra óptica possuem propriedades de isolamento inerentes, tornando-os altamente adequados para medição de temperatura em equipamentos de alta tensão, como transformadores. Ele pode realizar monitoramento de temperatura on-line diretamente em componentes que suportam alta tensão ou corrente forte, sem se preocupar com riscos de segurança causados ​​por problemas de isolamento.
Materiais fluorescentes com resistência a altas temperaturas e desempenho estável: Os próprios materiais fluorescentes têm características de resistência a altas temperaturas e desempenho estável, que pode se adaptar ao ambiente de alta temperatura dentro dos transformadores e garantir a confiabilidade da medição de temperatura durante a operação do transformador.
deficiência
Depuração do sistema: Em aplicações práticas, a instalação e depuração de sistemas de medição de temperatura por fibra óptica fluorescente exigem ajustes precisos na posição dos sensores, conexões de fibra óptica, etc., para garantir uma medição precisa da temperatura.

4.3 Sensores de fibra óptica baseados em materiais semicondutores

vantagem
Baixo custo: Este sensor de temperatura de fibra óptica consiste principalmente em dispositivos de conversão fotoelétrica, diodos emissores de luz baratos como fontes de luz, e semicondutores de arseneto de gálio comumente usados ​​como componentes sensíveis. A estrutura é simples e fácil de fabricar, então o custo é relativamente baixo.
Princípio e estrutura simples: Baseia-se na relação entre temperatura e absorção de luz de materiais semicondutores, e mede a temperatura através da modulação de intensidade (como modulação reflexiva ou transmissiva, bem como métodos de modulação de intensidade de índice de refração e coeficiente de absorção). O princípio e a estrutura são relativamente simples.

deficiência
O desempenho dos sensores é muito afetado pela intensidade da luz, qual é a sua principal desvantagem. A variação da intensidade da luz afetará diretamente a precisão dos resultados da medição.
É necessário trabalho de calibração: Antes da medição, temperatura e intensidade de luz precisam ser calibradas. Além disso, além da influência da temperatura na intensidade da luz, fatores como fotodetectores para medir a intensidade da luz, iluminação de fonte de luz instável, perdas de acoplamento, e flutuações aleatórias causadas pela flexão da fibra também podem ter um impacto. Portanto, confiar apenas na relação da função de intensidade de luz de temperatura pré-calibrada não pode melhorar efetivamente seu desempenho de medição de temperatura.

5. Precisão da medição de temperatura de fibra óptica para transformadores

5.1. Precisão do sensor de grade de Bragg de fibra

Sensores de rede de Bragg de fibra têm alta precisão. Devido à excelente relação linear entre o comprimento de onda central das redes de Bragg de fibra e a temperatura, contanto que a mudança no comprimento de onda da luz refletida possa ser medida com precisão, o valor da temperatura pode ser obtido com precisão. Em aplicações práticas, como em um sistema de detecção de temperatura do enrolamento do transformador baseado na detecção de rede de Bragg de fibra, pode atender aos requisitos de medição de temperatura de alta precisão dos enrolamentos do transformador, alcançar monitoramento preciso da temperatura do enrolamento do transformador, e fornecer garantias para a operação segura de transformadores.

5.2 Precisão do sensor de fibra óptica fluorescente

Sensores fluorescentes de fibra óptica determinam a temperatura detectando o tempo de decaimento da fluorescência, e sua precisão depende das características do material fluorescente e da precisão do equipamento de detecção. Em circunstâncias normais, se o material fluorescente tiver desempenho estável e o equipamento de detecção tiver alta precisão, pode alcançar uma medição de temperatura mais precisa. Por exemplo, alguns sensores de fibra óptica fluorescentes podem medir a temperatura dos enrolamentos do transformador uma vez por segundo dentro da faixa normal de temperatura de monitoramento, e a resolução da temperatura pode atingir um determinado padrão, atendendo aos requisitos de precisão do monitoramento de temperatura do transformador.

5.3 Precisão de sensores de fibra óptica baseados em materiais semicondutores

A precisão deste sensor é afetada por vários fatores. Devido à sua medição de temperatura baseada na relação funcional entre intensidade de luz e temperatura, a intensidade da luz em si é facilmente afetada por vários fatores, como iluminação instável da fonte de luz e curvatura da fibra. Em uma situação ideal, se esses fatores que afetam a intensidade da luz puderem ser bem controlados e a relação da função de intensidade da luz com temperatura puder ser calibrada com precisão, medição de temperatura com certa precisão também pode ser alcançada. No entanto, a precisão geral pode ser relativamente baixa em comparação com sensores de rede de Bragg de fibra e sensores de fibra fluorescente.

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