Como usar sensores de grade de fibra óptica para monitorar a temperatura central de transformadores do tipo seco-INNO

Controlador de temperatura para transformador tipo seco da linha de metrô de Shenzhen 4

Na rede inteligente, transformadores de potência tornaram-se equipamentos indispensáveis. O funcionamento dos transformadores afeta diretamente a produção e a vida das pessoas. Para melhor detectar o status dos transformadores, é necessário realizar detecção controlável em transformadores. A vida útil de um transformador depende principalmente da sua capacidade de isolamento. Na operação real de transformadores, a temperatura do transformador afeta sua capacidade de isolamento, portanto, a vida útil do transformador é inferida pela detecção da temperatura do transformador. Durante a operação do transformador, a temperatura central pode refletir diretamente a temperatura interna, portanto, há uma necessidade urgente de um método de detecção que possa detectar com precisão a temperatura central.

Atualmente, existem três métodos principais para detectar a temperatura dos núcleos de ferro: método de medição de simulação térmica, método de medição de cálculo indireto, e método de medição direta. O uso do método de medição de simulação térmica para medir a temperatura do enrolamento é amplamente utilizado devido à sua simplicidade, mas o processo de simulação e o processo de aumento de temperatura apresentam erros significativos, resultando em resultados de previsão imprecisos que não podem refletir com precisão a temperatura do enrolamento. O método de cálculo indireto para medição da temperatura do enrolamento simplifica a distribuição das características térmicas dos transformadores, e o cálculo é simples e tem um certo grau de precisão. No entanto, os resultados do cálculo podem ser afetados pelos pontos quentes nos enrolamentos. O método de medição direta pode refletir com precisão a tendência das mudanças de temperatura dentro do transformador, medindo diretamente a temperatura do enrolamento. Os métodos de medição direta incluem principalmente testes de sensores de sinal elétrico, teste de medição de temperatura infravermelha, e testes de medição de temperatura de fibra óptica.

O método de medição do sensor de sinal elétrico é usado para medir diretamente a temperatura interna dos transformadores, mas o sensor de sinal elétrico tem uma vida útil curta e é muito afetado por interferência eletromagnética, e os resultados do teste não podem refletir com precisão a temperatura interna. O método de medição de temperatura infravermelha usa testes infravermelhos, mas é suscetível a interferência eletromagnética e não pode transmitir os resultados do teste em tempo hábil, tornando impossível alcançar a função de monitoramento em tempo real. O método de medição de temperatura por fibra óptica tem sido amplamente utilizado devido à sua alta precisão de medição. No entanto, quando este método é aplicado à medição de temperatura do transformador, sensores de fibra óptica só podem ser colocados com base na experiência, resultando em problemas como um pequeno número de pontos de medição de temperatura e distribuição desigual de pontos de medição de temperatura.

Este artigo propõe um método de monitoramento da temperatura do núcleo da bobina do transformador baseado em fibra sensores de grade óptica para resolver os problemas de número limitado de pontos de medição de temperatura, distribuição desigual de pontos de teste, e incapacidade de transmitir resultados de medição em tempo real em métodos atuais de medição direta. Este método pode melhorar o nível atual de detecção de temperatura interna em transformadores, aumentar a vida útil dos transformadores, e reduzir a taxa de falhas dos transformadores.

1. Princípios de sensores de grade
O sensor de grade de fibra é um sensor de fibra óptica modulado em comprimento de onda que obtém informações de detecção modulando o comprimento de onda de Bragg da fibra com parâmetros físicos externos. Sensores de grade de fibra óptica têm vantagens como interferência anti-eletromagnética, bom desempenho de isolamento elétrico, tamanho pequeno, e baixa perda de transmissão.

As grades de fibra Bragg têm efeitos térmicos, ópticos e de expansão térmica, o que afetará diretamente as características de temperatura das grades de Bragg de fibra. Quando o efeito óptico térmico ocorre na grade de fibra óptica, o índice de refração efetivo da grade correspondente mudará. Se o período de concessão mudar, indica que a grade de fibra óptica sofreu efeito de expansão térmica. Se a temperatura e o comprimento de onda de Bragg mudarem, indica que tanto o efeito óptico térmico quanto o efeito de expansão térmica são gerados na grade de fibra óptica.

A grade de Bragg de fibra não pode apenas medir a temperatura, mas também tensão. As características de deformação das redes de Bragg de fibra são afetadas principalmente por efeitos elásticos e elasto-ópticos. O efeito elástico tem um impacto significativo no período de grade das redes de Bragg de fibra, enquanto o efeito óptico elástico altera o índice de refração efetivo dos sensores de rede de Bragg de fibra.

2 Métodos de projeto
O sistema de monitoramento da temperatura do núcleo de ferro baseado em sensores de grade de fibra óptica é dividido principalmente em transformadores incorporados em sensores, sistemas de detecção de temperatura, e sistemas de transmissão de sensores.

2.1 Sistema de detecção de temperatura
A detecção tradicional de temperatura apresenta problemas como dificuldade na medição de temperatura, pontos de medição limitados, e fraca capacidade anti-interferência dos métodos de teste. Portanto, este estudo propõe um método de incorporação de sensores de grade de fibra óptica em núcleos de transformadores, coletando dados de temperatura através de sensores de grade de fibra óptica e transmitindo os sinais coletados. Devido ao tamanho pequeno e à forte capacidade anti-interferência dos sensores de grade de fibra óptica, eles podem funcionar normalmente em ambientes de alta temperatura e alta pressão, para que possam ser totalmente incorporados dentro dos transformadores. Primeiramente, a grade de fibra óptica é pré-esticada usando uma ferramenta de pré-estiramento de fibra óptica, e então a fibra operada é banhada a ouro. Devido às características de temperatura e deformação dos sensores de grade de fibra óptica, a fim de melhorar a precisão da medição de sensores de grade de fibra óptica, é necessário reduzir a influência das características de deformação e melhorar o coeficiente de expansão térmica para aumentar a sensibilidade. Devido ao alto coeficiente de expansão térmica da liga de alumínio, o desempenho de medição dos sensores de grade de fibra óptica pode ser melhorado combinando-os com o substrato de liga de alumínio do núcleo de ferro por meio de tecnologia de soldagem rígida. Use ferramentas para realizar trabalhos de ranhura na parte traseira do núcleo de ferro, com um tamanho moderado que não afeta o funcionamento normal do núcleo de ferro. Durante o processo de embrulhar fio plano de cobre com papel, um dispositivo de orientação é usado para guiar a fibra óptica na pequena ranhura aberta pelo fio plano de cobre, enquanto reserva a fibra da cauda da fibra para conduzir os sinais de detecção.

2.2 Sistema de transmissão de sensores
Este estudo adota tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda e tecnologia de multiplexação por divisão espacial. A tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda é a transmissão de dois ou mais sinais através de canais diferentes em uma única fibra óptica., sem afetar um ao outro. Este método de transmissão permite que as fibras ópticas transmitam mais informações. A tecnologia de multiplexação por divisão espacial combina múltiplas fibras ópticas para formar múltiplos canais, cada um dos quais é independente um do outro, e o sinal é transmitido no canal correspondente. Ao adotar a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda e a tecnologia de multiplexação por divisão espacial, fibras ópticas limitadas podem transmitir informações ao máximo, resolvendo efetivamente o problema de menos pontos de medição de temperatura interna em transformadores. Primeiramente, os dados de detecção são coletados através de sensores de grade de fibra óptica, e então transmitido para um demodulador. O demodulador converte o sinal de comprimento de onda em um sinal digital, e o computador recebe o sinal e exibe resultados de detecção em tempo real.

Para resolver o problema de difícil medição de temperatura e poucos pontos de medição de temperatura em transformadores, este artigo propõe um método de monitoramento de temperatura para núcleo de ferro de bobina de transformador baseado em sensores de grade de fibra óptica. Incorporar o sensor de grade de fibra óptica no núcleo do transformador, e usar métodos de multiplexação por divisão de espaço e multiplexação por divisão de comprimento de onda para transmitir as informações do sensor ao demodulador. O demodulador converte o sinal de comprimento de onda em informação digital e o transmite ao computador para obter a função de monitoramento em tempo real. Os resultados da simulação mostram que, em comparação com o método de medição ESSM, Método de medição ITM, e método de medição de temperatura FOTM, o método de medição FGCTM proposto neste artigo pode efetivamente melhorar a precisão da detecção da temperatura interna em transformadores. Devido às suas vantagens como tamanho pequeno, forte resistência à interferência eletromagnética, e bom isolamento, sensores de grade de fibra óptica podem obter continuamente monitoramento de temperatura em tempo real de equipamentos de alta vedação e alta tensão, tornando-os adequados para outras aplicações de detecção de temperatura.