Cách sử dụng cảm biến cách tử sợi quang để giám sát nhiệt độ lõi máy biến áp loại khô-INNO

Bộ điều khiển nhiệt độ cho máy biến áp loại khô của Tuyến tàu điện ngầm Thâm Quyến 4

Trong lưới điện thông minh, Máy biến áp điện lực đã trở thành thiết bị không thể thiếu. Hoạt động của máy biến áp ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất và đời sống con người. Để phát hiện tốt hơn tình trạng của máy biến áp, cần phải thực hiện việc phát hiện có thể điều khiển được trên máy biến áp. Tuổi thọ của máy biến áp chủ yếu phụ thuộc vào khả năng cách điện của nó. Trong hoạt động thực tế của máy biến áp, nhiệt độ của máy biến áp ảnh hưởng đến khả năng cách điện của nó, do đó tuổi thọ của máy biến áp được suy ra bằng cách phát hiện nhiệt độ của máy biến áp. Trong quá trình vận hành máy biến áp, nhiệt độ lõi có thể phản ánh trực tiếp nhiệt độ bên trong, vì vậy cần có một phương pháp phát hiện có thể phát hiện chính xác nhiệt độ lõi.

Hiện tại, Có ba phương pháp chính để phát hiện nhiệt độ lõi sắt: phương pháp đo mô phỏng nhiệt, phương pháp đo lường tính toán gián tiếp, và phương pháp đo trực tiếp. Việc sử dụng phương pháp đo mô phỏng nhiệt để đo nhiệt độ cuộn dây được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản của nó., nhưng quá trình mô phỏng và quá trình tăng nhiệt độ có sai sót đáng kể, dẫn đến kết quả dự đoán không chính xác, không thể phản ánh chính xác nhiệt độ cuộn dây. Phương pháp tính toán gián tiếp đo nhiệt độ cuộn dây giúp đơn giản hóa việc phân bố đặc tính nhiệt của máy biến áp, và việc tính toán đơn giản và có độ chính xác nhất định. Tuy nhiên, kết quả tính toán có thể bị ảnh hưởng bởi các điểm nóng trong cuộn dây. Phương pháp đo trực tiếp có thể phản ánh chính xác xu hướng thay đổi nhiệt độ bên trong máy biến áp bằng cách đo trực tiếp nhiệt độ cuộn dây. Phương pháp đo trực tiếp chủ yếu bao gồm kiểm tra cảm biến tín hiệu điện, thử nghiệm đo nhiệt độ hồng ngoại, và thử nghiệm đo nhiệt độ sợi quang.

Phương pháp đo cảm biến tín hiệu điện dùng để đo trực tiếp nhiệt độ bên trong máy biến áp, nhưng cảm biến tín hiệu điện có tuổi thọ ngắn và bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiễu điện từ, và kết quả kiểm tra không thể phản ánh chính xác nhiệt độ bên trong. Phương pháp đo nhiệt độ hồng ngoại sử dụng thử nghiệm hồng ngoại, nhưng nó dễ bị nhiễu điện từ và không thể truyền kết quả kiểm tra kịp thời, làm cho không thể đạt được chức năng giám sát thời gian thực. Phương pháp đo nhiệt độ sợi quang đã được sử dụng rộng rãi do có độ chính xác đo cao. Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này để đo nhiệt độ máy biến áp, cảm biến sợi quang chỉ có thể được đặt dựa trên kinh nghiệm, dẫn đến các vấn đề như số lượng điểm đo nhiệt độ ít và sự phân bố không đồng đều của các điểm đo nhiệt độ.

Bài báo đề xuất phương pháp giám sát nhiệt độ lõi cuộn dây máy biến áp dựa trên sợi quang cảm biến cách tử quang để giải quyết các vấn đề về số lượng điểm đo nhiệt độ hạn chế, sự phân bổ điểm kiểm tra không đồng đều, và không có khả năng truyền kết quả đo theo thời gian thực trong các phương pháp đo trực tiếp hiện nay. Phương pháp này có thể cải thiện mức độ phát hiện nhiệt độ bên trong hiện tại của máy biến áp, tăng tuổi thọ của máy biến áp, và giảm tỷ lệ hỏng hóc của máy biến áp.

1. Nguyên lý của cảm biến cách tử
Cảm biến cách tử sợi là cảm biến sợi quang được điều chế bước sóng, thu được thông tin cảm biến bằng cách điều chỉnh bước sóng Bragg của sợi với các thông số vật lý bên ngoài. Cảm biến cách tử sợi quang có ưu điểm như chống nhiễu điện từ, hiệu suất cách điện tốt, kích thước nhỏ, và tổn thất truyền tải thấp.

Lưới sợi Bragg có hiệu ứng giãn nở nhiệt và quang học, điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính nhiệt độ của lưới sợi Bragg. Khi hiệu ứng quang nhiệt xảy ra trong cách tử sợi quang, chiết suất hiệu dụng của cách tử tương ứng sẽ thay đổi. Nếu thời gian cách tử thay đổi, nó chỉ ra rằng cách tử sợi quang đã trải qua hiệu ứng giãn nở nhiệt. Nếu nhiệt độ và bước sóng Bragg thay đổi, nó chỉ ra rằng cả hiệu ứng quang nhiệt và hiệu ứng giãn nở nhiệt đều được tạo ra trên cách tử sợi quang.

Fiber Bragg Gration không chỉ có thể đo nhiệt độ, nhưng cũng căng thẳng. Các đặc tính biến dạng của cách tử Bragg sợi chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng quang học đàn hồi và đàn hồi. Hiệu ứng đàn hồi có tác động đáng kể đến thời gian mài của lưới sợi Bragg, trong khi hiệu ứng quang học đàn hồi làm thay đổi chiết suất hiệu dụng của cảm biến cách tử sợi Bragg.

2 Phương pháp thiết kế
Hệ thống giám sát nhiệt độ lõi sắt dựa trên cảm biến cách tử sợi quang chủ yếu được chia thành máy biến áp nhúng cảm biến, hệ thống phát hiện nhiệt độ, và hệ thống truyền cảm biến.

2.1 Hệ thống phát hiện nhiệt độ
Phát hiện nhiệt độ truyền thống có vấn đề như khó đo nhiệt độ, điểm đo giới hạn, và khả năng chống nhiễu yếu của các phương pháp thử nghiệm. Vì thế, Nghiên cứu này đề xuất phương pháp nhúng cảm biến cách tử sợi quang vào lõi máy biến áp, thu thập dữ liệu nhiệt độ thông qua các cảm biến cách tử sợi quang và truyền tín hiệu thu thập được. Do kích thước nhỏ và khả năng chống nhiễu mạnh của cảm biến cách tử sợi quang, chúng có thể hoạt động bình thường ở môi trường nhiệt độ cao và áp suất cao, để chúng có thể được nhúng hoàn toàn vào bên trong máy biến áp. Trước hết, lưới sợi quang được kéo dài trước bằng công cụ kéo dài sợi quang, và sau đó sợi hoạt động được mạ vàng. Do đặc tính nhiệt độ và biến dạng của cảm biến cách tử sợi quang, để cải thiện độ chính xác đo của cảm biến cách tử sợi quang, cần giảm ảnh hưởng của đặc tính biến dạng và cải thiện hệ số giãn nở nhiệt để tăng cường độ nhạy. Do hệ số giãn nở nhiệt cao của hợp kim nhôm, Hiệu suất đo của cảm biến cách tử sợi quang có thể được cải thiện bằng cách kết hợp chúng với nền hợp kim nhôm của lõi sắt thông qua công nghệ hàn cứng. Dùng dụng cụ thực hiện công việc xẻ rãnh mặt sau lõi sắt, với kích thước vừa phải không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của lõi sắt. Trong quá trình quấn dây dẹt đồng bằng giấy, một thiết bị dẫn hướng được sử dụng để dẫn sợi quang vào rãnh nhỏ được mở bằng dây đồng dẹt, đồng thời bảo lưu sợi đuôi sợi để dẫn tín hiệu cảm biến.

2.2 Hệ thống truyền cảm biến
Nghiên cứu này áp dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng và công nghệ ghép kênh phân chia không gian. Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng là việc truyền hai hoặc nhiều tín hiệu qua các kênh khác nhau trên một sợi quang, không ảnh hưởng lẫn nhau. Phương thức truyền dẫn này cho phép sợi quang truyền được nhiều thông tin hơn. Công nghệ ghép kênh phân chia không gian kết hợp nhiều sợi quang tạo thành nhiều kênh, mỗi cái đều độc lập với nhau, và tín hiệu được truyền trên kênh tương ứng. Bằng cách áp dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng và công nghệ ghép kênh phân chia không gian, sợi quang hạn chế có thể truyền tải thông tin tối đa, giải quyết hiệu quả vấn đề ít điểm đo nhiệt độ bên trong máy biến áp. Trước hết, dữ liệu phát hiện được thu thập thông qua các cảm biến cách tử sợi quang, và sau đó được truyền đến bộ giải điều chế. Bộ giải điều chế chuyển đổi tín hiệu bước sóng thành tín hiệu số, và máy tính nhận tín hiệu và hiển thị kết quả phát hiện theo thời gian thực.

Để giải quyết vấn đề khó đo nhiệt độ và ít điểm đo nhiệt độ trong máy biến áp, Bài báo đề xuất phương pháp giám sát nhiệt độ lõi sắt cuộn máy biến áp dựa trên cảm biến cách tử sợi quang. Nhúng cảm biến cách tử sợi quang vào lõi máy biến áp, và sử dụng các phương pháp ghép kênh phân chia không gian và ghép kênh phân chia bước sóng để truyền thông tin cảm biến đến bộ giải điều chế. Bộ giải điều chế chuyển đổi tín hiệu bước sóng thành thông tin số và truyền nó đến máy tính để đạt được chức năng giám sát thời gian thực. Kết quả mô phỏng cho thấy so với phương pháp đo ESSM, Phương pháp đo ITM, và phương pháp đo nhiệt độ FOTM, Phương pháp đo FGCTM được đề xuất trong bài báo này có thể cải thiện hiệu quả độ chính xác phát hiện nhiệt độ bên trong máy biến áp. Do những ưu điểm của nó như kích thước nhỏ, khả năng chống nhiễu điện từ mạnh mẽ, và cách nhiệt tốt, Cảm biến cách tử sợi quang có thể liên tục đạt được giám sát nhiệt độ thời gian thực của thiết bị điện áp cao và kín cao, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng phát hiện nhiệt độ khác.