基于砷化镓光纤技术的变压器绕组热点温度监测

何其武

（广州发展南沙电力有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

变压器是电力设备以及体系结构中十分关键的一个调控环节，是电力系统的基准控制点[1]。而变压器的绕组实际上指的是变压器的电路部分，关联的设备以及装置较为繁杂。目前，在大型电力系统的应用之中，主要是由铜导线混合铝导线同时绕制。考虑到电力控制以及供应的效率与质量，一般会采用层式或者饼式等方式来实现缠绕，根据匝线的作用顺序，依次连续绕制，形成完整的控制结构[2]。这部分需要注意的是，部分的铜导线和铝导线均具有较强的导电性，在不同的绕制状态下，可以帮助变压器营造更好的电力供应环境，加强绝缘度、安全性等[3]。

上述的方式虽然可以完成预期的电力执行目标，但是在实际应用的过程中，对于变压器绕组自身热点温度的控制效果却并不理想，这样的实况一定程度上也会导致电压器内部结构的损坏和失控，造成消极的影响[4]。因此，对基于砷化镓光纤技术的变压器绕组热点温度监测进行分析与研究。考虑到最终测试结果的稳定性与可靠性，本文会在较为真实的环境之下，结合砷化镓光纤技术营造更具稳固性的热点温度检测模式，优化整体的温度控制结构。在原本的监测环节中，增设多目标的监测模块，以精细化的方式获取对应的监测数据和信息，从多个角度实现全面执行处理，为后续的工作提供便利条件的同时，推动热点温度监测技术行业迈入新的发展台阶[5]。

1 砷化镓光纤技术下变压器绕组热点温度监测

1.1 光纤光栅温度监测目标设定

在对砷化镓光纤技术下变压器绕组热点温度监测方法进行设计之前，需要先设定光纤光栅温度监测目标。光纤光栅实际上是一种具有砷化镓特点的光纤纤芯内介折射变动监测元器件，由于其周期性变化以及折射波长稳定等特点，多被应用在温度监控或者光度控制等工作中，获取较好的应用效果[6]。所以，可以在预设的范围之内，计算出光纤光栅的监测周期，具体如式（1）所示：

式中，U表示光纤光栅的监测周期；b表示折射距离，x表示反射率；k表示光栅波长。通过上述计算，可以得出实际的光纤光栅的监测周期，将其与预设的周期相融合，接入砷化镓光纤执行结构，并更改温度的实时测定标准，形成动态的光纤光栅温度监测目标。

1.2 构建多目标集成砷化镓光纤热节点监测结构

在完成对光纤光栅温度监测目标的设定之后，接下来，需要构建多目标集成砷化镓光纤热节点监测结构。核定砷化镓光纤监测标准，并依据变压器绕组热点温度变化均等情况设定多层级的监测结构[7]。

但是这部分需要注意的是，所设计的每一个监测层级是独立运行的，相互之间不存在较大的关联。同时，在与社会的监测范围之内，更改绕组匝数和缠绕方向[8]。调整此时热节点的温度情况。计算砷化镓光纤绕组监测距离，具体如式（2）所示：

式中，Y表示砷化镓光纤绕组监测距离；h表示光栅温度均值；m表示模糊热节点常值。通过上述计算，可以得出实际的砷化镓光纤绕组检测距离。在预设的温度监测结构之中，与监测层级关联的同时，依据温度的变化状态，设定具体的细化控制目标，形成多目标的集成砷化镓光纤热节点监测结构。

1.3 FBG砷化镓光纤热点温度监测模型设计

在完成对多目标集成砷化镓光纤热节点监测结构的构建后，设计FBG砷化镓光纤热点温度监测模型。依据变压器绕组的外部执行情况，分析光纤光栅的测温原理，具体如图1所示。

图1 光纤光栅的测温原理

根据图1，可以完成对光纤光栅的测温结构的设计。结合变压器的绕组情况，设定 FBG砷化镓光纤重叠监测环节。对原本热节点的监测流程进行分析，融入FBG砷化镓光纤的技术，实现FBG砷化镓光纤热点温度监测模型的构建，具体如图2所示。

图2 FBG砷化镓光纤热点温度监测模型

通过FBG砷化镓光纤热点温度监测模型，可以根据温度的变化，调整 FBG砷化镓光纤热节点的定位，进一步提高模型的监测效果。

1.4 间接光纤测量法实现变压器绕组热点温度监测

采用间接光纤测量法实现变压器绕组热点温度监测，可以先利用模型获取实时的监控数据信息，更改模型中的监测范围。与此同时，将光纤的绕组监测环节提前，计算定向光纤覆盖范围，具体如式（3）所示：

式中，J表示定向光纤覆盖范围；E表示覆盖均值。通过上述计算，可以完成对定向光纤覆盖范围。明确监测定量区域的同时，测量出绕组的终止值，核定温度的变化状态，实现热节点温度的监测，进一步确保最终监测结果的精准性和可靠性。

2 方法测试

本次主要是对砷化镓光纤技术下变压器绕组热点温度的实际监测效果进行分析和研究。考虑到测试结果的稳定性和可靠性，监测方法测试会以对比的形式验证，测试需在相同的环境之下同时进行。测试选择3种方法，划定为3个测定小组。第一组为传统的增压绕组热点温度监测方法，将其设定为传统增压绕组热点温度监测小组；第二组为传统的数据驱动绕组热点温度监测方法，将其设定为传统绕组数据驱动绕组热点温度监测小组；第三组为本文所设计的绕组热点温度监测小组，将其设定为砷化镓光纤绕组热点温度监测小组。3组方法同时进行测定，最终得出的结果也以对比的形式分析。接下来，根据监测的需求，完成相关的测试准备并搭建测试环境。

2.1 测试准备

在对砷化镓光纤技术下变压器绕组热点温度的实际监测效果进行分析和研究之前，需要先搭建对应的测试环境。通常情况下，变压器的绕组热源主要是在通电流的过程中产生的，一般是焦耳热量。但是这部分热量往往会在涡流和磁滞的应用与执行中消耗。本文选择Q变电站的变压器绕组作为测试的主要目标对象。

在变压器绕组的内部结构之中安装油箱和对流散热器，同时，关联的冷却装置也需要与油箱的执行频率保持一致。此时，自然油循环冷却的方式主要是依靠辐射和空气对流实现的。在不同的环境下，对变压器的油温进行基础性控制，在原本的基础之上，此时需要计算出变压器的循环测定比，具体如式（4）所示：

式中，H表示变压器循环测定比；w表示面密度；e表示承压总值。通过上述计算，可以得出实际的变压器循环测定比。根据变压器循环测定比，划定具体的监测范围，同时，检验此时的变压器状态，分析内部油的流动对变压器的温升的影响程度。变压器绕组的执行单元指令为S13－M－200/10，绕组的层级划定为14层，分为高低两个阶段，绕组高度设定为460 mm。变压铁心为三相三柱模式，整体上为硅钢的材质。通过预设的监测模型，观测到此时变压器的热源呈现出均匀分布的现状，但是随着时间的变化，绕组的温度也会随之升高或者下降。具体如图3所示。

图3 绕组的温度变化

根据图3，可以对绕组的温度变化形态进行了解与分析。随后，根据温度监测模型的处理，获取热源的分布区域，并计算出监测均值，具体如式（5）所示：

式中，T表示监测均值；d表示散热距离，f表示控温标准比。通过上述计算，可以得出实际的监测均值。完成之后，划定对应的监测范围，核定测试的设备与装置是否处于稳定的运行状态，并确保不存在影响最终给测试结果的外部因素。核定无误后，开始具体测试。

2.2 测试过程及结果分析

在完成上述测试环境的搭建之后，结合砷化镓光纤技术进行测试。利用此项技术，划定具体的监测范围，在预设的变压器内部结构之中，对绕组的执行程序的稳定性测试。同时，电路内部安装光纤搭接装置，营造光纤监测环境。测定获取砷化镓温度监测数据与信息，并计算出砷化镓负载极值，具体如式（6）所示：

式中，L表示砷化镓负载极值；a表示搭接距离；v表示温度控制范围。通过上述计算，可以得出实际的砷化镓负载极值。

调整检测模型以及平台中的砷化镓标准数值，在原本的基础之上扩大对用户的监测范围。此时，利用温度监控装置测定热点温度实时数值，在范围之内，根据砷化镓技术，设定热点温度监测节点。这部分需要注意的是，光纤温度监测节点的定位，均是独立的，但是在实际应用的过程中，具有一定的关联性。构建砷化镓光纤热节点温度监测结构，具体如图4所示。

图4 砷化镓光纤热节点温度监测结构

根据图4，可以完成对砷化镓光纤热节点温度监测结构的设计与构建。在上述结构之中，获取变压器的执行数据，结合温度变化情况，收集热节点的信息，并计算出监测响应时间，具体如表1所示。

表1 测试结果对比分析表

根据表1，可以完成对测试结果的分析与研究：与传统的增压绕组热点温度监测小组和传统绕组数据驱动绕组热点温度监测小组相对比，本文所设计的砷化镓光纤绕组热点温度监测小组最终得出的响应时间相对较短，表明其在实际应用的过程中，监测的响应速度更快，温度控制监测的误差更小，具有实际的应用价值。

3 结 论

综上所述，便是对基于砷化镓光纤技术的变压器绕组热点温度监测的分析与研究。与传统的监测模式相对比，本文所设计的温度监测方法呈现出更加灵活、稳定且多变的监测效果，在复杂的电力调控模式之下，可以更为精准地获取到电力数据与信息，从多个角度，结合砷化镓光纤技术，制造更为机械化、数字化的智能检测环节，更为细致地捕捉监测过程中存在的问题，并制定解决计划，利用砷化镓光纤技术，构建功能强大的监测系统，与互联网相关联的同时，进一步提升了整体的监测效率和质量，避免监测失误、混乱等问题的出现，为相关技术的综合发展、创新提供理论依据。