华北电力大学刘云鹏、李欢 等：基于分布式光纤传感的绕组变形程度检测
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刘云鹏，华北电力大学电气与电子工程学院副院长，电力工程系主任，教授，博导，中国电机工程学会测试技术及仪表专委会委员、高压青年学组组长，中电联“电网电磁环境与噪声控制标准化技术委员会”副主任委员，电力行业“高压试验技术标准化技术委员会”和“绝缘子标准化技术委员会”委员，河北省电机工程学会副会长，教育部霍英东青年基金获得者，河北省三三三人才一层次。
主要从事超特高压输电和电气设备状态检修研究工作，负责国家科技部重点研发计划、自然科学基金项目等课题7项；获省部级科技奖7项（一等奖4项），在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》等刊物上发表SCI/EI检索110余篇，授权发明专利21项。
李欢，博士研究生，主要研究方向为分布式光纤传感技术在变压器绕组变形和温度检测领域的应用以及变压器内部温度分布特性。
本文通过在导线表面开槽置入光纤，制成了具备温度、应变双重传感功能的变压器绕组，通过分布式光纤应变传感技术，实现了对绕组辐向变形的精确定位和程度检测，为变压器绕组变形的在线监测提供了新的思路。
研究背景
电力变压器作为电网中能量传输和转换的重要部件，其受到短路冲击后绕组的健康状况一直难以准确感知，频响法、电抗法等只能实现间接判断，且多依赖于经验，难以实现对绕组变形的准确定位与程度判断。
论文方法及创新点
在铜线表面开槽，置入一根用于温度和应变传感的单模光纤和一根用于温度补偿的多模光纤，使用绝缘纸进行包裹，其外形尺寸保持不变，制成了具有应变和温度分布式感知功能的导线，其截面如图1所示。通过电场、温度场等仿真和耐压试验等验证了这一设计的可行性。
图1
通过仿真研究了辐向变形情况下导线上布置的光纤所受应变与绕组变形程度（后文用挠度作为量化指标，定义为变形后绕组外圈与原绕组外圈圆周径向的最大距离）之间的关系，结果显示在一定变形范围内，内凹变形和外凸变形时光纤所受平均体积应变与绕组挠度均成二次函数关系，其相关系数R2＞0.999。
图2
使用这一复合导线，按照某35kV绕组尺寸绕制了光纤复合变压器连续式绕组模型，搭建如图3所示试验平台。对绕组施加不同位置、不同形式的辐向变形，其中内凹和外凸变形分别进行四组试验，选取对应位置应变量变化极值作为检测量，以挠度进行自变量进行二次曲线拟合，建立应变-变形程度对应关系。
图3
对绕组施加两个方向各1-2组变形，通过BOTDR检测到的应变计算变形程度，与实际测量值进行比较，作为变形程度拟合模型的验证组，试验结果如图4所示。通过应变分布曲线可以获知变形位置和类型，前期试验获得的应变-挠度对应关系可以准确预测绕组变形程度。
图4
总结
为了实现对变压器绕组变形的在线监测，文章设计了内置传感光纤的复合导线，并用其绕制成具有温度和应变分布式感知功能的光纤复合绕组。通过仿真和模拟实验确定在外凸和内凹两种辐向变形情况下，应变量与绕组挠度呈二次函数关系，相关系数R2达到0.999以上。通过试验验证了这一结论，实现了误差1饼之内的绕组变形定位和精度10%范围的辐向变形程度识别。
引用本文
刘云鹏, 李欢, 田源, 贺鹏, 范晓舟. 基于分布式光纤传感的绕组变形程度检测[J]. 电工技术学报, 2021, 36(7): 1347-1355. Liu Yunpeng, Li Huan, Tian Yuan, He Peng, Fan Xiaozhou. Winding Deformation Detection Based on Distributed Optical Fiber Sensing. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1347-1355.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200542