38-50

Научная статья
УДК 621.383
https://doi.org/10.25686/2306-2819.2022.4.38

Поляризационный волоконно-оптический датчик

контроля силы сжатия обмоток трансформатора

с радиофотонным адресным опросом

О. Г. Морозов^*, Рус. Ш. Мисбахов, Рин. Ш. Мисбахов,
В. А. Иваненко, Е. В. Куликов, А. А. Потанин, Н. Е. Кувшинов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ,
Российская Федерация, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10
OGMorozov@kai.ru^*

АННОТАЦИЯ

Силовые трансформаторы играют жизненно важную роль в системах передачи электроэнергии от источника до потребителя. Учитывая, что силовой трансформатор является наиболее важным и дорогостоящим оборудованием, используемым в электроэнергетике, диагностика его дефектов и контроль параметров на месте дают множество преимуществ для обеспечения её надёжной передачи. Невосприимчивость к электромагнитным помехам, высокая чувствительность, высокая изоляция, а также малые габариты волоконно-оптических датчиков делают их очень привлекательными для применения в мониторинге силовых трансформаторов. Наиболее широкий спектр приложений в силовых трансформаторах нашли волоконно-оптические датчики температуры, влажности и деформации обмоток. В статье представлен волоконно-оптический датчик контроля силы сжатия обмоток трансформатора нового типа с радиофотонным адресным опросом, построенный на двух адресных волоконных брэгговских структурах волнового и фазового типов. Статическая чувствительность, полученная для датчиков на основе одномодового телекоммуникационного волокна SMF-28, составила 0,1 ГГц/Н в диапазоне от 1 до 100 Н. Эта чувствительность может быть увеличена практически на порядок при использовании специального волокна, поддерживающего поляризацию.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

радиофотоника; энергетика; силовые трансформаторы; обмотка; контроль сжатия; волоконно-оптический датчик; адресные волоконные брэгговские структуры волнового и фазового типов; обработка в радиодиапазоне полученной в оптическом диапазоне частотной информации

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ (PDF)

ФИНАНСИРОВАНИЕ

исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения программы «Приоритет – 2030».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Волоконно-оптическая парадигма диагностического мониторинга цифровой энергетики. Основа концепции "SMART GRIDS PLUS" / Маскевич К.В., Мисбахов Р.Ш., Морозов О.Г. и др. // Фотон-экспресс. 2018. № 4 (148). С. 18-25.
2.     Адресный волоконно-оптический датчик акустического обнаружения частичного разряда в комплектных распределительных устройствах / Р.Ш. Мисбахов, А.Н. Васёв, А.Ж. Сахабутдинов и др. // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2019. Т. 15, № 3.  С. 101-110.
3.     Адресный волоконно-оптический датчик для измерения относительной влажности в комплектных распределительных устройствах / Р.Ш. Мисбахов, А.Н. Васёв, А.Ж. Сахабутдинов и др. // Радиостроение. 2020. № 1. С. 1-16.
4.     Волоконно-оптическая мультисенсорная система мониторинга комплектных распределительных устройств / П.Е. Денисенко, Е.П. Денисенко, Р.Ш. Мисбахов и др. // Инженерный вестник Дона. 2018. № 4 (51). С. 37.
5.     Online frequency response analysis based on magnetic coupling to detect winding deformations in transformers / Y. Cheng, J. Bi, W. Chang et al. // High Volt. 2019. Vol. 5, iss. 3. Pp. 343-349.
6.     Static and dynamic evaluation of a winding deformation FBG sensor for power transformer applications / de Melo A.G., Benetti D., de Lacerda L.A. et al. // Sensors. 2019. Vol. 19. Pp. 4877.
7.     Online detection of windings distortion in power transformers by direct vibration measurement using a thin fiber optics sensor / Kung P., Idsinga R., Fu J.B. et al. // IEEE Electrical Insulation Conference (EIC). 2016. Pp. 576-578.
8.     Kung P., Wang L., Comanici M.I. A comprehensive condition monitoring solution for the transformer // IEEE XXth International Conference on Electrical Machines. 2012. Pp. 1520-1525.
9.     Research on a new fiber-optic axial pressure sensor of transformer winding based on fiber Bragg grating / Y. Liu, L. Li, L. Zhao et al. // Photonic Sensors. 2017. Vol. 7, iss. 4. Pp. 365-371.
10. Udd E. Fiber-grating sensors having longitudinal-strain-inducing jackets and sensor systems and structures including such sensors. Patent US, no. 9453771, 2016.
11. Transversal loading sensor based on tunable beat frequency of a dual-wavelength fiber laser / H. Fu, X. Shu, C. Mou et al. // IEEE Photonics Technology Letters. 2009. Vol. 21, iss. 14. Pp. 987-989.
12. Kong F., Li W., Yao J. Transverse load sensing based on a dual-frequency optoelectronic oscillator // Opt. Lett. 2013. Vol. 38. Pp. 2611-2613.
13. A feasibility study of transformer winding temperature and strain detection based on distributed optical fibre sensors / Y. Liu, Y. Tian, X. Fan et al. // Sensors. 2018. Vol. 18. Pp. 3932.
14. Detection and identification of transformer winding strain based on distributed optical fiber sensing / Y. Liu, Y. Tian, X. Fan et al. // Appl. Optics. 2018. Vol. 57, iss. 22. Pp. 6430-6438.
15. Волоконные брэгговские решетки с двумя фазовыми сдвигами как чувствительный элемент и инструмент мультиплексирования сенсорных сетей / Р.Ш. Мисбахов, Р.Ш. Мисбахов, О.Г. Морозов и др. // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3 (46). С. 24.
16. Morozov O.G., Sakhabutdinov A.Zh. Addressed fiber Bragg structures in quasi-distributed microwave-photonic sensor systems // Computer Optics. 2019. Vol. 43. No 4. Pp. 535-543.
17. Многоадресные волоконные брэгговские структуры в радиофотонных сенсорных системах/ Т.А. Аглиуллин, В.И. Анфиногентов, Р.Ш. Мисбахов и др. // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6, № 1. С. 6-13.
18. Effects of diametric load on fibre Bragg gratings fabricated in low birefringent fibre / R.B. Wagreich, W.A. Atia, H. Singh et al. // Electron. Lett. 1996. Vol. 32. Pp. 1223-1224.
19. Lawrence C.M., Nelson D.V., Udd E. Measurement of transverse strains with fiber Bragg gratings // Proc. SPIE. 1997. Vol. 3042. P. 218.
20. Embedded optical sensor capable of strain and temperature measurement using a single diffraction grating / J.R. Dunphy, G. Meltz, M. Varasi et al. Patent US, no. 5399854, 1995.
21. Stepanov D.Yu., Canning J., Brodzeli Z. High-resolution measurements of fibre Bragg grating transmission spectra // European Conference on Optical Communication. 1998. Pp. 407-409.
22.    Transverse load sensing by use of pi-phase-shifted fiber Bragg gratings / M. LeBlanc, S.T. Vohra, T.E. Tsai et al. // Optics Letters. 1999. Vol. 24. Pp. 1091-1093.
23. Simultaneous measurement of strain and load
using a fiber laser sensor / L. Gao, L. Chen, L. Huang et al. // IEEE Sensors Journal. 2012. Vol. 12. Pp. 1513-1517.
24. Heterodyning Fiber Grating Laser Sensors / B.O. Guan, L. Jin, Y. Zhang et al. // Journal of Lightwave Technology. 2012. Vol. 30, iss. 8. Pp. 1097-1112.
25. Microfiber Fabry–Perot interferometer fabricated by taper-drawing technique and its application as a radio frequency interrogated refractive index sensor / J. Zhang, Q. Sun, R. Liang et al. // Optics Letters. 2012. Vol. 37, iss. 14. Pp. 2925-2927.
26. Spatial characterization of fiber Bragg grating structures using transversal pressure / R.N. Nogueira, I. Abe, A.J. Fernandes et al. // Opt. Commun. 2006. Vol. 259. Pp. 110-114.
27. Fiber Bragg grating (FBG) characterization and shaping by local pressure / de Matos C.J.S., Torres P., Valente L.C.G. et al. // J. Lightw. Technol. 2001. Vol. 19, iss. 8. Pp. 1206-1211.
28. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 65 с.
29. Постановка задач проектирования волоконно-оптических комбинированных датчиков и многосенсорных систем для регионального мониторинга концентрации парниковых газов / А.Р. Шагидуллин, О.Г. Морозов, А.Ж. Сахабутдинов и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2021. № 4 (52). С. 52-67.
30.    Misbakhov R.S. Сombined Raman DTS and address FBG sensor system for distributed and point temperature and strain compensation measurements // International Ural Conference on Electrical Power Engineering. 2019. Pp. 64-68.
31. Misbakhov R.S. Combined Brillouin OFDA and address FBG sensor system for distributed and point temperature measurements // International Ural Conference on Electrical Power Engineering. 2019. Pp. 69-74.
32. Вибродиагностика электродвигателя с использованием адресных волоконных брэгговских решеток / И.Ю. Муравьев, А.Е. Добрыдин, А.А. Кузнецов и др. // Фотон-экспресс. 2021. № 6 (174). С. 410-411.
33. Липатников К.А. Система вибродиагностики технически сложных объектов на основе адресных волоконных брэгговских структур // Фотон-экспресс. 2021. № 6 (174). С. 424-425.

Для цитирования: Поляризационный волоконно-оптический датчик контроля силы сжатия обмоток трансформатора с радиофотонным адресным опросом / О. Г. Морозов, Рус. Ш. Мисбахов, Рин. Ш. Мисбахов и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 4 (56). С. 38-50. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2022.4.38