无损检测在电力变压器绕组温度分布检测中的光纤传感技术

电力变压器是电网输配电的核心设备，其绕组温度直接关联绝缘寿命与运行安全——据IEC 60076标准，绕组热点温度每超限值8℃，绝缘寿命将减半。传统检测依赖埋置热电阻，存在局部监测、破坏绝缘、抗电磁干扰差等局限。无损检测理念下，光纤传感技术因精准、非侵入、适配高电磁环境等特性，成为绕组温度分布检测的关键方案。本文从需求、技术逻辑、应用场景等维度，拆解其落地路径。

电力变压器绕组温度检测的核心需求

绕组是变压器电磁转换的核心，温度升高源于铜损与铁损的热积累。当温度超绝缘材料耐热极限，会加速纤维素降解，引发绝缘分层、脆化，严重时导致绕组短路甚至爆炸——某电网故障统计显示，35%的变压器故障与绕组过热直接相关。

精准检测的核心是定位“热点温度”（绕组内温度最高点），该点常隐藏于绝缘层内，无法通过表面测温判断。根据IEC 60076-7标准，油浸式变压器额定负载下热点温度应≤110℃，过载时需≤140℃，否则触发保护。

传统热电阻检测存在明显短板：需预埋破坏绝缘，仅测局部点，且金属材质易受电磁干扰——某运行10年的变压器数据显示，热电阻测量值与实际热点温差达12℃，无法满足精准监测需求。

光纤传感技术适配无损检测的底层逻辑

无损检测的核心是“不破坏被检测对象结构”，这与变压器“绝缘完整性”需求高度契合。光纤传感的物理特性恰好解决传统痛点：石英光纤直径仅125μm，可嵌入绕组绝缘层而不破坏结构；电绝缘性避免高电压下短路风险。

变压器内部强电磁场（数百高斯）会干扰金属传感器，而光纤依赖光信号传输，不受电磁影响——某实验室测试显示，10kV电压、500高斯场下，光纤测温误差≤0.1℃，远优于热电阻的1.5℃。

此外，石英光纤耐腐蚀、抗老化：在绝缘油中浸泡10年，光学性能衰减仅0.05dB/km，完全满足长期监测需求。这些特性共同构建了“物理兼容”解决“检测侵入性”的逻辑。

光纤传感技术主流类型与应用场景

落地最广的光纤传感分两类：点式的光纤布拉格光栅（FBG）与分布式的拉曼散射光纤。

FBG技术通过光纤芯层的周期性光栅反射特定波长光，温度变化引发光栅周期改变，进而导致反射波长偏移——检测波长偏移量可精准计算温度（精度±0.5℃）。其优势是点式监测，适合定位热点：某110kV变压器应用中，FBG发现绕组上端部118℃热点，及时调整冷却系统避免绝缘老化。

分布式光纤基于拉曼散射效应：激光脉冲注入光纤时，产生温度敏感的反斯托克斯光与不敏感的斯托克斯光，通过光强比获取沿线温度分布（空间分辨率1m，精度±1℃）。这种技术适合监测绕组温度梯度：某220kV变压器测试中，分布式光纤检测到轴向温差15℃（底部85℃、顶部100℃》，帮助优化散热结构。

光纤传感系统的安装与部署规范

安装需兼顾“无损”与“有效性”。FBG传感器通常封装为0.5mm直径探头，嵌入绕组绝缘层的油道或纸层间——某制造厂工艺要求，绕制到第3层绕组时粘贴FBG，再继续绕制绝缘纸，确保探头与导线紧密接触且不破坏绝缘。

分布式光纤沿绕组轴向或径向铺设，形成三维监测网络。为避免张力导致光纤断裂，需选用低弯曲损耗光纤（弯曲半径≤Smm时损耗≤0.1dB），并预留1%松弛量。安装后需进行20kV耐压测试，确保不影响变压器绝缘性能。

校准是关键环节：FBG需完成“温度-应变双参数校准”（通过补偿光栅剔除机械应力影响）；分布式光纤需用热电阻定点校准，确保温度分布准确性。

光纤传感数据的处理与温度重构

光纤原始数据是光信号，需算法转换为温度值。FBG处理核心是“消除应变交叉敏感”：绕组负载变化产生的机械应力会导致波长偏移（应变系数1.2pm/με），需通过温度补偿光栅（仅感温、不感应变），用双光栅波长差剔除应变影响。

分布式光纤信号弱（仅入射光的10^-6），需用小波变换或卡尔曼滤波去噪——某案例中，去噪后信噪比从10dB升至30dB，误差从±2℃降至±1℃。

温度分布重构需结合有限元模型（输入绕组结构、导热系数、冷却参数），生成三维温度云图。某电网系统中，云图实时显示各点温度，热点超110℃时自动报警——曾通过云图发现绕组中部油道堵塞导致122℃热点，及时清理避免故障。

实际应用中的性能验证与问题解决

某南方电网2021年对220kV变压器改造，安装12个FBG与1根分布式光纤。运行1年数据显示，FBG测的热点温度比热电阻高7℃（因FBG直接接触导线，热电阻埋在绝缘层外），促使该公司将FBG纳入新变压器标配。

某华北电厂35kV变压器过载时，热电阻显示98℃未报警，但分布式光纤检测到顶部115℃——运维人员及时降负载避免绝缘老化，事后发现热电阻安装位置偏下未监测到热点。

应用中曾遇FBG信号衰减问题：封装环氧树脂在绝缘油中老化导致接触不良，后改用聚酰亚胺封装（耐油200℃），5年运行衰减仅-3dB。还有光纤微弯损耗问题，通过柔性光纤（芯层掺氟石英）将损耗从0.5dB/m降至0.05dB/m。

光纤传感与无损检测的协同优化方向

优化重点之一是“多参数融合”：绕组温度与应变相关（应变过大导致变形影响散热），部分厂商开发双参数FBG传感器——通过两个不同周期光栅同时感温与应变，算法分离参数，温度精度±0.5℃、应变精度±10με，满足多参数监测。

另一方向是“微型化封装”：将FBG封装至0.3mm直径（两根头发丝粗），重量0.1g，安装时不影响绕组结构。某制造厂试验显示，微型传感器嵌入后，变压器绝缘电阻与未安装时一致（2500MΩ），符合IEC标准。

还有“无线化传输”：在变压器顶部安装光接收机，将光纤信号转为LoRa或5G无线信号传至后台，减少长距离光纤布线成本——某风电场应用中，无线传输延迟50ms，满足实时监测需求。