Опыт разработки и внедрения оптической системы мониторинга распределительных трансформаторов
Группа сотрудников компаний GE и Xerox и электросетевой компании Con Edison из США поделилась собственным опытом разработки и внедрения системы мониторинга вибрации и температуры распределительных трансформаторов, в которой используется модифицированная технология оптической решётки Брэгга. Работа авторов была опубликована в IEEE Transactions on Power Delivery в июне 2020 года.
В датчиках на основе оптической решётки Брэгга используется периодическое изменение показателя преломления светонесущей сердцевины чувствительного элемента, длина которого обычно составляется несколько миллиметров. Внешние воздействия, такие как вибрация или температура, изменяют структуру оптической решётки, что приводит к изменению характеристик света, отражённого от неё. Чувствительность таких датчиков в единицах длины волны света составляет обычно 1 пикометр. При помощи комбинирования оптических решёток, фотодетекторов и оптических переключателей авторы исследования смогли разработать датчик, чувствительность которого достигает 50 фемтометров, что в 20 раз лучше чувствительности стандартных датчиков. Общая схема измерения и вид детектора, использующего такую технологию, показаны ниже.
Разработанные типовые схемы установки датчиков для новых и модернизируемых трансформаторов показаны ниже.
Изображение оптического проходника для вывода кабеля датчика через стенку нового трансформатора показано ниже.
Полевые испытания измерительной системы, использующей разработанные датчики, были проведены на объектах Con Edison на двух новых трансформаторах 500 кВА и действующем трансформаторе 500 кВА. Испытания проводились в течение 6 месяцев.
Испытания системы на новых трансформаторах показали появление широкого набора гармоник в сигнале вибрации после подключения трансформатора к сети, что было вызвано магнитострикционными и Лоренцовыми силами, пропорциональными квадрату тока или напряжения. Доминирующей являлась гармоника 120 Гц удвоенной частоты сети. При изменениях нагрузки было выявлено наличие корреляции между более высокими гармониками и нагрузкой. В частности, такое поведения показывала амплитуда гармоники 240 Гц в ночное время. Примеры корреляций показаны ниже.
При испытаниях на модернизированном трансформаторе было выявлено аналогичное появление широкого диапазона гармоник после включения трансформатора в сеть с преобладанием гармоники удвоенной частоты сети. Характерным для трансформатора являлось наличие гармоник на частотах около 18,4 и 20 Гц, что, наиболее вероятно, было вызвано неустойчивостью основного бака.
Помимо измерения температуры и вибрации, исследователи также применили разработанную измерительную технологию для контроля коррозии. Для этого датчик был помещён внутрь электрода и помещён в солёную ванну. Изображение электрода с датчиком и схема установки показаны ниже.
В данном случае напрямую измеряется механическое напряжение в электроде, по которому определяется степень его коррозии. График изменения напряжения и температуры и изображение корродированного электрода в конце испытания показаны ниже.
В данном случае график изменения напряжения показывает стадию стабильного роста напряжения при развитии коррозии, после которой следует резкое падение, соответствующее моменту развития корродированной области на всю толщину металла.
В заключении исследования указывается, что технология признана перспективной для более широкого внедрения для мониторинга распределительных трансформаторов, чему способствует низкая стоимость изготовления датчиков. Дополнительные испытания показали, что, помимо традиционного мониторинга температуры и вибрации, технология может применяться также и для контроля коррозии элементов трансформатора.
Больше новостей и аналитики из мира онлайн-диагностики электрооборудования читайте на нашем Телеграм-канале "ЗВЕЗДА"