Поляризационный волоконно-оптический датчик контроля силы сжатия обмоток трансформатора с радиофотонным адресным опросом
Authors: Морозов О.Г. , Мисбахов Рус.Ш. , Мисбахов Рин.Ш. , Иваненко В.А. , Куликов Е.В. , Потанин А.А. , Кувшинов Н.Е. 
Published: February 2025

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.

Introduction. The authors' attention is focused on the most expensive component of power transmission links - the power transformer (PT) - and specifically, on the task of controlling its winding deformations and compression force through the use of fiber optic sensors (FOS). The main market for PT winding control in Russia is primarily centered on temperature control systems. However, lightning and arc discharges, as well as short circuits, can generate large currents that result in significant mechanical deformation of the PT windings, even more so than temperature. There are three types of optical methods for detecting PT winding deformations, based on intrafiber Fabry-Perot interferometers, fiber Bragg gratings (FBGs), and distributed FOS that utilize the Brillouin or Raman effect. Each method has its own advantages and disadvantages. The goal of this paper is to establish scientifically sound principles for designing a fiber-optic sensor (FOS) for controlling the compression force of a new type of PT windings. The proposed FOS uses radio photon interrogation and two AFBS of various types (wave and phase) to enhance the measurement resolution, sensitivity, and temperature compensation. Methods.This paper introduces the use of phase-type AFBS (2π-AFBS) as a transverse compression force sensor for the first time. When exposed to transverse compression force, it becomes possible to measure the frequency separation of the 2π-AFBS transparency windows into two orthogonal components while maintaining sensor addressability. The relationship between shear force and the beat frequency between the components, which lies in the microwave range, is highly linear. The compression zone also includes a wave AFBS (2π-AFBS) that serves to balance functions and measure temperature. Unlike the phase-type AFBS, the polarization separation in the wave AFBS is not significant due to a much larger reflection band than the transmission bandwidth of the transparency windows. Conclusion. In this study, we presented and evaluated the performance of a polarization fiber-optic sensor (FOS) for controlling the compression force of power transformer (PT) windings using wave and phase types of addressable fiber Bragg structures (AFBS) with radio photon interrogation and temperature compensation. Experimental results showed that the frequency separation sensitivity for SMF-28 telecommunication fiber was 0.1 GHz/N for compression forces up to 100 N. By using a specialized polarization-supporting fiber, the frequency separation sensitivity can be increased by almost an order of magnitude, albeit at a higher cost. We have addressed several challenges with wave and phase type AFBS that can also be applied to PTs. Given the ongoing developments in AFBS standard structures, they have the potential to provide more advanced and efficient monitoring of PT reliability parameters.