１ 光纤绕组测温装置的原理介绍

确定绕组热点温度的方法可分为直接测量法、热模拟测量法和间接计算法三种。直接测量法是在绕组中埋设传感器，由光纤传播信号在高电压、高磁场条件下实现在线、实时地准确测量绕组的热点温度，是未来变压器温升试验热点测量的首选方法。

以美国Ｌｕｍａｓｅｎｓｅ公司的ＴｈｅｒｍＡｓｓｅｔ２为例，该变压器绕组热点光纤温控器是通过测量磷光体单独的固有参数（衰减时间）而确定的，不会因为光纤的物理变化而改变，所以该系统是一个无需校验的系统。磷光物质传感器直接附于光纤 探头末端，该探头采用经过验证与油浸高压电力变压器长期兼容，且具有优良电气性能的材料制成。从２０世纪８０年代起，该技术就已经运用于电力变压器（多年来，广泛被世界各地大变压器厂商作为工业标准所接受）。在温升试验期间仅需安装光纤探头（使用工厂现有的工具），由光纤探头测量的数据即可知道绕组最热点的实际温度而且操作简单。该系统具有４～８个有独立输出和显示的测量通道，采用的温度传感器由一种稳定的耐高温的荧光材料制成，直接置于光导纤维一端。其原理是当ＬＥＤ光源发出的光脉冲通过光纤送到与绕组接触的温度传感器时，该脉冲激励传感器的荧光材料，使其产生波长较长的荧光，根据返回荧光的衰减时间测出该传感器的温度，然后通过处理，显示出温度值和有关系统参数，并同时将温度信息传输到控制室。该系统可在变压器处于峰值负载和紧急超铭牌容量运行时提供精确的绕组温度，并可使变压器根据测出的绕组实际温度及时调整负载，具体原理框图如图1所示，系统产品示意图如图2所示，光纤通道（含ＴＣ耦合器）系统连接图如图3所示。

２ 绕组测温的必要性

变压器的电流和温度是否正常：国家规定变压器绕组温升为６５Ｋ，它的依据是以Ａ级绝缘为基础的，因为一般环境温度低于４０°，那么４０°＋６５°＝１０５°，正是Ａ级绝缘的极限温度。

（１）从安全角度考虑，在不同的外围温度下，以不同容量运行的变压器，其绕组热点温度不能超过绝缘材料耐热等级所允许的最高热点温度值。如油浸式变压器的最高热点温度限值为１４０℃，如果绕组热点温度超过了这一温度，则部分油就会因裂解而生成气体，绝缘材料的性能就会降低，导致因气体或绝缘击穿而发生事故。

（２）从变压器等高压设备的寿命角度来看，所选用的各种耐热等级的绝缘材料都有热老化寿命的温度指标。高压设备的寿命取决于绝缘的老化，而绝缘的老化又主要取决于运行的温度。就油浸式变压器而言，当绕组热点温度为９８℃时具有额定标牌寿命；　Ｆ级干式变压器绕组热点温度为１４０℃时具有额定标牌寿命。故在产品运行中必须注意设备最热点温度，不能超过该耐热等级的热点温度允许值。根据最新的研究表明，绕组热点温度每增减６Ｋ，绝缘预期寿命会减一半或增一倍。当变压器在运行时，绕组温度分布是不均匀的，决定绝缘寿命的关键因素是绕组最热点的绝对温度，而不是绕组平均温度。新修订的电力变压器负载导则（ＩＥＣ－３５４）认为：“绕组最热区域内达到的温度，是变压器负载值的最主要限制因数，故应尽一切努力来准确地决定这一温度值”。所以，对大容量变压器而言，必须在结构上保证绕组热点温度在合格范围内，在运行中能控制绕组热点温度的最高允许值，并能计及热点温度使绝缘预期寿命降低的情况，并设法以降低热点温度来补偿所由于温升而牺牲的寿命。

（３）从输变电设备的运行效率来看，在变压器配备了稳定可靠的温控系统之后，我们就可以根据该系统提供的参数，在合理的范围内充分发挥设备的负载能力，从而提高设备的经济运行效益。

３ 传统绕组测温的方式和缺点

油温就是直接测量的。现在一般是两种方式，一种是铂电阻测温，一种是液体测温。液体测温应用比较广，是利用一根毛细管把温度探头和测压力的原件连起来，探头里的液体温度与变压器一致，根据热胀冷缩，通过毛细管对感压原件产生一个压力。感压原件测定压力，再由转换原件把压力转换为温度值。绕组温度是间接得到的，是在油温的基础上，根据套管ｃｔ的二次输出电流，折算一个铜油温差，与油温相加而得，相对来说，油温是比较准确的值，绕组温度不太准确。

变压器线圈温度保护仪应输出一路４～２０ｍＡ模拟量至全厂计算机监控系统；另外，应分别输出一对线圈温度过高信号接点和一对线圈温度升高信号接点至变压器保护系统。

变压器线圈温度测量装置（包括信号源、测量及转换装置等）均应由卖方成套供货，如采用电流测量法，要求高压套管内所配电流互感器精度为０．２级“光纤型”温度传感器和ＧＰＲＳ无线传输型温度传感系统存在模块内供电电池及其他它零件长期在高温环境下工作寿命短及维护困难等问题，造成系统整体可靠性下降，实用性受到影响。

气压式测温系统会随着温包内部压力的泄漏而使整个测温系统报废。

综上所述，热电阻、热电偶等电类传感器测温都需要用金属导线传输信号，由于电磁干扰、金属零部件／导线在强电磁环境下，存在严重的电磁干扰和涡流发热现象，以及无法保证长期稳定可靠的高压绝缘性能，使之在高压电气温度监测应用中，存在先天不足。

压力式温度传感器存在着测温腔体中高压气体或液体的泄漏问题，其可靠工作寿命和灵敏度、精度都无法保证。金属制品温包在高压及强电磁环境中的安装也是很大的问题。

ＧＰＲＳ无线传输和传光型的点式“光纤型”温度传感模块，可靠稳定性差，误报率高，维护困难，间隔一定时间就要更换发射／测温模块电池等问题，并且同样存在破坏设备原有绝缘的问题，使得该产品也难以推广。

红外测温为非接触式可视测温，只能在可视的情况下测量设备表面温度，并且易受环境温度和电磁场干扰，不易实现在线自动化监测监控，需要人工操作。而且 电气设备内部空间狭小，发热点通常比较隐蔽，　无法保证安装红外探头的安全距离。另外该方法还需要知道被测物体的发射率，要保证被测物体的辐射充分抵达红外探测器，还要尽量消除背景噪声。

另外，传统技术产品的感温探头体积过大、存在金属零件（如屏蔽网、屏蔽外壳、压力温包、红外探头等）问题，也给上述测温系统在变压器绕组或其他高压电气设备内部安装带来不便，对系统对温度的时间响应速度带来不利影响。

以上方法受苛刻的环境条件及电磁干扰的影响都比较严重。而由于技术手段的局限性，使得他们无法从根本上去除这些影响，因此也就无法根本解决提高系统可靠稳定性、减小测温系统对原有设备的负面影响等核心问题，这些都成为这些技术方法进一步发展应用的瓶颈。

４ 光纤绕组测温的关键技术及安装要点

光纤绕组测温的关键技术及安装要点如图4所示。

５ 光纤绕组测温装置在变压器绕组测温中的难点和不成熟点

接测量高压设备的热点温度，技术上有很多困难，主要问题有高压绝缘、强电磁干扰、系统长期可靠稳定性等。目前国内高压电气设备温控技术主要采用热电阻（Ｐｔ１００）、热电偶（高阻线）等电类传感器测温、压力式温度计、红外测温、传光型“光纤”温度传感模块和ＧＰＲＳ无线传输等。以上这些技术方法，首先遇到的困难是高压绝缘问题：电类传感器、气压式测温系统、以及红外测温等方法，都面临无法彻底解决金属导线、金属零部件或屏蔽措施、高压区安装压力温包或红外探头对高压设备绝缘安全带来的绝缘隐患。

其次是电磁干扰问题，弱电温度信号在强磁场环境中受到干扰，使得系统的稳定可靠性受到置疑。

第三是金属导线和金属零部件在电磁环境中产生涡流、造成损耗和自身发热的问题。

第四的系统寿命问题，尤其是传光型的点式“光纤型”温度传感器、ＧＰＲＳ无线传输型温度传感系统和气压式测温系统，系统寿命问题尤为突出：

６ 光纤测温技术的发展现状及应用可行性

荧光式光纤传感器测温系统，是专门针对高压电气设备温度监测监控应用而设计的，它采用光学原理的传感器件和光信号传输通道，有着良好的电磁不敏感性，传感器尺寸小，可靠稳定，本安型，易于在狭小的高压设备内部安装，能很好地适应高压和大电流的检测环境，从根本上解决了电类、压力类及红外测温系统的缺陷。构成光纤传感器测温探头的材料绝缘性能、化学和机械性能极佳，特别适合应用于高压环境，不会给大系统带来负面影响。

光纤传感器能够为监控系统提供更加准确可靠的线圈热点温度值，从而使设计人员能够准确把握温度对设备的影响，从而将风险准确控制在安全的范围之内。

从２００２年开始，沈变就开始尝试在变压器中采用光纤传感器进行测温，之后在出口美国的多台大型变压器中，成功进行了商业应用，至今工作良好，成为国内率先实际应用的设备制造商。现在光纤测温系统的技术成熟度和产品化程度，已经比几年有了大幅度的提高，而且价格也已经成倍下降，该项技术在高压电气温度监测方面大面积应用的时机已经成熟。

针对光纤测温新技术在高压电气温度监测监控的应用，国家电网公司、电力设计院的多位专家从２００２年起就开始关注并呼吁国家监管机构、设备制造厂商、发电和输变电企业和科研机构，积极推进该项技术的推广与应用，主要观点如下：

（１）光纤传感器是一项适用于高压设备测温、提高系统安全性的新技术。目前我国实际应用还较少，但非常值得在高压输变电领域推广应用。

（２）建议国内高压设备厂家接受这一技术作为工业标准，并积极开展在高压设备上的安装应用。

（３）建议输变电及发电行业业主在招投标文件中，将这项技术纳入标书范畴。

（４）建议国内电力研究部门积极开展高压输变电系统设备中应用这一技术的研究。

（５）这一方法原理简单，技术先进，且成本随着市场的迅速扩大正在快速降低，在达到一定应用量时，　其费用不会比常规的测温设备费用高很多，尤其与变压器、可控硅阀等大型设备配套安装时，其费用可以忽略不计，但却成为一个用户选择用其设备的有利理由。

７ 阻碍光纤传感技术在高压电气设备中应用的主要问题

（１）缺乏国家权威标准：国家主管部门还没有出台相应的行业标准，输变电行业业主及设计院不愿意主动承担应用新技术带来的政策、技术风险。

（２）该技术的应用给设备制造商在制造工艺及质量控制等方面提出更高的要求：由于系统可以对绕组热点温度进行直测直读，要求制造商在设计、制造时，更好地解决散热冷却、绕组排列、电流密度、热点分布、漏磁及环流涡流损耗等问题，同时还要解决光纤探头在线圈、铁芯内部的安装流程等工艺问题。

（３）市场对新技术的认知度还不高，对新技术产品的宣传推广力度有待加强。

（４）用户在等待质量稳定、价格适当的实用化、批量生产的成熟产品上市。

8 市场现状及应用前景

光纤传感技术的应用，可以大幅度提高输变电设备的安全可靠性，提高设备运行效率，减轻人员劳动强度。随着市场认知度的提高、成熟产品的上市、设计及制造工艺的日趋完善、行业标准的逐步建立，光纤传感器技术在高压电气设备温度监测领域中广泛应用的前景是无可置疑。