基于FBG傳感器的變壓器振動信號檢測與分析*

高立慧， 趙振剛， 張長勝， 郭麗君， 李 凱， 李 川

基于FBG傳感器的變壓器振動信號檢測與分析*

高立慧， 趙振剛， 張長勝， 郭麗君， 李 凱， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

為了早期發(fā)現(xiàn)電力變壓器的振動故障問題，需要選擇有效位置對變壓器的振動狀態(tài)進行檢測。針對電力變壓器鐵芯—繞組振動特性，通過有限元分析，仿真得到鐵芯—繞組測點位置。以型號為S13—12500/35型油浸式無勵磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗對象，將光纖Bragg 光柵(FBG)振動傳感器安裝于鐵芯—繞組的測點位置，對不同負(fù)載下變壓器振動信號進行檢測與頻譜分析，結(jié)果表明：變壓器振動信號頻率集中在100 Hz及其倍頻處；在80 %，90 %，100 %負(fù)載下，幅頻信號100 Hz處的振動幅值隨著變壓器負(fù)載的增大而增大。

光纖Bragg光柵； 變壓器振動信號； 鐵芯—繞組； 有限元分析

0 引 言

變壓器的振動故障問題對電網(wǎng)的安全運營造成了嚴(yán)重的威脅，及時發(fā)現(xiàn)變壓器振動的故障趨勢，實現(xiàn)變壓器振動安全狀態(tài)的有效識別具有重要的意義[1，2]。在變壓器運行時，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到磁滯伸縮效應(yīng)等影響會發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅過大，進而可能造成變壓器鐵芯、繞組松動變形和噪聲過大等問題，所以需要對變壓器振動信號進行檢測[3～5]。Melkebeek J A A和 Vandevelde L提出了一種建模方法，耦合由于電磁力和磁致伸縮產(chǎn)生的電磁和機械現(xiàn)象，通過連續(xù)的磁彈性材料描述取得基本的公式和構(gòu)成法則，然后利用有限元方法達到了模型的數(shù)值實現(xiàn)，該方法在計算鐵芯形變方面更精確[6，7]；徐方等人通過變壓器的實驗，對數(shù)據(jù)進行響應(yīng)線性度偏差分析及響應(yīng)幅值分析，得到了應(yīng)避免剛度較大的測點位置，從而提高監(jiān)測信號的信噪比[8]。

本文對變壓器鐵芯—繞組的振動特性進行有限元仿真分析，確定光纖Bragg光柵(optical fiber Bragg grating,FBG)振動傳感器針對鐵芯—繞組振動監(jiān)測時的有效位置；以型號為S13—12500/35型油浸式無勵磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗對象，將FBG傳感器安裝于鐵芯—繞組的測點位置，對變壓器的振動信號進行檢測與分析。

1 FBG傳感器檢測變壓器振動信號原理

針對變壓器工作在高壓、強磁場環(huán)境下的環(huán)境特性，選用FBG振動傳感器對其進行監(jiān)測，可以有效抗干擾，提高監(jiān)測信號的信噪比。FBG振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 FBG振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)把傳感器固定在待測物體上并隨物體一起振動時，質(zhì)量塊、鋼管、彈性鋼片組成的彈性系統(tǒng)作受迫振動，結(jié)果質(zhì)量塊帶動鋼管、彈性鋼片作應(yīng)變變化，使得粘貼在彈性鋼片的兩個光纖光柵和彈性鋼片一起作應(yīng)變變化，將導(dǎo)致光纖光柵的中心波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

光纖光柵波長與應(yīng)變變化關(guān)系如式(1)所示

(1)

式中Pe為彈光系數(shù)，Δλ為由應(yīng)變引起的光纖Bragg光柵的波長移位，λ為光纖Bragg光柵的中心波長，ε為FBG應(yīng)變。

彈性系統(tǒng)中加速度與應(yīng)變的關(guān)系

(2)

可得到

(3)

式中 F為質(zhì)量塊受到鋼管和彈性鋼片作用的彈力和，E為鋼管和彈性鋼片的彈性模量，d1和d2為鋼管的內(nèi)徑和外徑，s為彈性鋼片的橫切面積。式(3)給出了光釬光柵波長改變量與加速度的線性變化關(guān)系，通過檢測波長的變化即可實現(xiàn)加速度的測量。

2 鐵芯—繞組振動特性的振動仿真分析

根據(jù)型號為D9—QY—40000/220的電力變壓器的實際參數(shù)要求，通過ANSYSWorkbench有限元仿真軟件進行建模仿真，鐵芯—繞組模型如圖2所示。

圖2 鐵芯—繞組模型

變壓器的振動是各階模態(tài)振型的復(fù)合，且隨著階次的遞增，固有頻率呈現(xiàn)遞增的趨勢。然而，載荷的固有頻率是比較低的，因此，本文只研究鐵芯前三階的模態(tài)特征。鐵芯—繞組的前三階模態(tài)特征仿真圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 鐵芯—繞組的一階模態(tài)特征

圖3表示的是鐵芯—繞組的一階模態(tài)仿真圖。其固有頻率為56.768Hz；振動最強的位置在上夾件。

圖4 鐵芯—繞組的二階模態(tài)特征

圖4表示的是鐵芯—繞組的二階模態(tài)仿真圖。其固有頻率為91.676Hz；振動最強的位置在上夾件的上表面左右兩側(cè)的4個端角。

圖5 鐵芯—繞組的三階模態(tài)特征

圖5為的是鐵芯—繞組的三階模態(tài)仿真圖。其固有頻率為122.47Hz；振動最強的位置在上夾件。

對比圖3、圖4、圖5的電力變壓器鐵芯—繞組模型的前三階模態(tài)仿真可以得到，同一狀態(tài)下不同階次的模態(tài)中，變壓器鐵芯—繞組相同部位的振幅不一樣；同階模態(tài)中，A，C相的振動幅值具有對稱性，其余不同位置的振幅基本不相同。鐵芯—繞組各階振型特征參見表1。

表1鐵芯—繞組各階振型特征

模態(tài)階數(shù)振幅特征振動位置第一階最強最弱上夾件、上鐵軛以及三相繞組的上部下夾件以及底座 第二階最強最弱上夾件的上表面左右兩側(cè)的4個端角鐵芯的下夾件中部以及B相高壓繞組第三階最強最弱上夾件、上鐵軛以及三相繞組的上部鐵芯的下夾件的中部以及底座

通過比較表1的特征位置，不難發(fā)現(xiàn)各階模態(tài)下，鐵芯—繞組振動最強的位置主要分布在上夾件的中部和上表面左右兩側(cè)的4個端角、三相繞組的上部。該振動強弱分布特征可以為變壓器振動情況的實時監(jiān)測選擇最優(yōu)測點位置提供理論依據(jù)。因此，將FBG傳感器布設(shè)在振動最強的位置，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時，傳感器能夠最先檢測到變壓器振動的變化，從而保證檢測效果。

3 變壓器鐵心—繞組振動信號檢測與分析

根據(jù)仿真結(jié)果在變壓器上夾件的中部布置FBG振動傳感器，傳感器通過檢測Bragg波長的變化量來反映振動情況，根據(jù)這一特性，利用光纖光柵解調(diào)儀對FBG傳感器測得的振動信號進行解調(diào)，傳感系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示， FBG振動傳感器在變壓器中安裝后的現(xiàn)場照片如圖7所示。

圖6 傳感系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖7 現(xiàn)場安裝圖

通過改變變壓器的負(fù)載，得到不同負(fù)載下變壓器的振動信號。在80 %，90 %，100 %負(fù)載下，傳感系統(tǒng)監(jiān)測變壓器振動信號的時域圖及對應(yīng)的頻域圖如圖8～圖10所示。

圖8 80 %負(fù)載下振動信號時頻圖

圖9 90 %負(fù)載下振動信號時頻圖

圖10 100 %負(fù)載下振動信號時頻圖

由圖8～圖10可以得出，變壓器振動信號頻率集中在100 Hz及其倍頻處，出現(xiàn)這種情況主要是由于變壓器供電采用標(biāo)準(zhǔn)50 Hz交流電，由于磁致伸縮的周期恰好是工頻電源周期的一半，所以磁致伸縮引起的變壓器本體振動及對應(yīng)的噪聲信號以兩倍電源頻率，即100 Hz為其基頻;通過改變變壓器的負(fù)載，得到不同負(fù)載下變壓器的振動信號。在80 %，90 %，100 %負(fù)載下幅頻信號中100 Hz處幅值呈逐漸增大趨勢，表明隨著變壓器負(fù)載的增大變壓器的振動幅值也在不斷增大。

4 結(jié) 論

隨著電網(wǎng)容量的增加，變壓器的振動問題越來越嚴(yán)重。為了避免變壓器振動故障問題的出現(xiàn)，減少變壓器故障對電網(wǎng)安全的影響，本文利用有限元分析確定FBG振動傳感器針對鐵芯—繞組振動監(jiān)測時的有效位置。以型號為S13—12500/35型油浸式無勵磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗對象，將FBG傳感器安裝于鐵芯—繞組的測點位置，對變壓器的振動信號進行檢測與分析，結(jié)果表明:變壓器振動信號頻率集中在100 Hz及其倍頻處，在80 %，90 %，100 %負(fù)載下幅頻信號中100 Hz處幅值呈逐漸增大趨勢，表明隨著變壓器負(fù)載的增大變壓器的振動幅值也在不斷增大。

[1] 余 濤．電力變壓器技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2008：10-15．

[2] 李 凱,趙振剛,蔡 陳,等.光纖Bragg光柵在變壓器振動監(jiān)測中的測點選擇[J].光學(xué)技術(shù),2015(4):318-321.

[3] 李 彥,梁正桃,李立京,等.基于小波和支持向量機的光纖微振動傳感器模式識別[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(2):43-45，49.

[4] Wong Nga Yan,Zhang Yu,Chan Helen Lai Wah,et al.A bilayer piezoelectric transformer operating in abending vibration mode[J].Materials Science and Engineering:B,2003,99:164-167.

[5] 臧 狀.針對振動信號的變壓器繞組故障診斷及分析方法研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2015.

[6] Vandevelde L，Melkebeek J A A.Magnetic forces and magnetostriction in electrical machines and transformer cores[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(3):1618-1621.

[7] Lieven Vandevelde,Melkebeek Jan A A.Modeling of magne-toelastic material[J].IEEE Transactions on Magnetics,2002,38(2):993-996.

[8] 徐 方,邵宇鷹,金之儉,等.變壓器振動測點位置選擇試驗研究[J].華東電力,2012,40(2)：274-277.

李 川，通訊作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事分布式光纖傳感技術(shù)，測控技術(shù)等研究工作。E—mail:boatriver@eyou.com。

Transformer vibration signal detection and analysis based on FBG sensor*

GAO Li-hui, ZHAO Zhen-gang, ZHANG Chang-sheng, GUO Li-jun LI-kai， CHEN Wu-fen ,LI Chuan

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to early detect the vibration fault of power transformer,it needs to select effective position to detect vibration state of transformer.Aiming at characteristics of power transformer core winding vibration and through finite element analysis,position of measuring points is determined. In model S13—12500/35 oil-immersed transformers subjects,FBG sensor is installed on the vibration measuring point location of core and winding,transformer vibration signal is detected and frequency spectrum is analyzed under different load.The results show that the vibration signal frequency of transformer is focused on the 100 Hz and the frequency doubling; under 80 %,90 %,100 % load,vibration amplitude of the amplitude-frequency signal at 100 Hz increases as the load of transformer increases.

optical fiber Bragg grating(FBG); transformer vibration signal; iron core-winding; finite element analysis

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0064—03

2016—03—24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2013FZ021)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)02—0064—03

高立慧(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為光纖傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)采集與檢測等。