基于傳感器技術的振動智能監測研究

王 磊，胡文娟

(商洛職業技術學院，陜西 商洛 726000)

0 引言

對外開放以來，我國經濟快速發展，對電力的需求大幅度上漲。作為電力系統中較為重要的電力設備，電網穩健運行對于電力傳輸至關重要，是對民眾生命安全的重要保障。及時了解電網的運行情況，發現潛在的風險隱患，并作出相應的調整，不僅對于最大限度降低能源消耗意義重大，還有利于經濟社會發展，全面實現我國的可持續發展戰略。電網監測中的一個關鍵是變壓器的振動檢驗，運行時間越長，振動與鐵芯振動以及繞組松動之間的聯系就更為緊密[1-2]。振動可能會造成鐵芯異常波動，從而引起輸出電壓的較大變化，這會提高故障的發生率，嚴重威脅電網工作人員以及當地居民的生命安全。為了確保電網的穩定運行，對變壓器的振動進行監測十分有必要[3]。使用光纖光柵技術開展變壓器振動監測是當前的前沿研究，既符合發展實際，也契合學術研究價值。

1 基于光纖光柵的變壓器振動測量模型構建

1.1 振動傳感器設計

研究中需要綜合考慮變壓器的性質以及其工作環境。由于變壓器為大型剛體裝置，與細小質弱的光纖光柵形成鮮明的對比，且研究中的變壓器為油浸式運行環境，其散熱主要是通過油性液體流動來實現的，因此在使用光纖光柵傳感器時，也不能忽視繞組正常運行中產生的大量熱量，這種熱量勢必會對鐵芯振動造成影響[4]。根據以上對智能變壓器的綜合分析，此次設計的傳感器要求能夠具備較好的絕緣隔熱功能，且能夠在油環境下強烈感受鐵芯的振動[5]。由于油環境與常規空氣環境存在較大差異，因而需要對傳感器做隔離封裝處理，杜絕傳感器直接裸露在油中[6]。智能變壓器的粘滯阻力以及油溫變化，都有可能造成振動傳感器的光纖光柵波長發生較大變化，從而導致測量結果與實際相差較大[7]。

在參考前人設計的基礎上，結合智能變壓器的特殊環境，提出了適用于本次研究的變壓器振動傳感器，該傳感器能夠對智能變壓器內部的振動信號進行監測，從而實現對智能變壓器運行狀態的及時監測，對應結構如圖1所示[8]。

該光纖光柵振動傳感器考慮了前人的質量振子結構設計，創新地在懸臂梁中間加入了對應的杠桿，在杠桿兩側各安放1個光柵，即圖1的FBG1與FBG2。進行振動測量時，彈簧振子的主要作用在于感受外界振動信息，之后利用杠桿促使2個光柵產生伸縮的效果，2個光柵之間的相互作用會導致光波峰值發生變化，不斷向長波長或者短波長方向遷移，并通過對應的調解裝置對波長變化量進行調整，最后作出傅里葉變換即可獲取振動頻率[9]。通過分析傳感器振動原理，發現該傳感器設計的關鍵之處在于保證各光柵的參數指標一致，例如光波峰值、溫度變應系數等。假定傳感器的振動方向為豎直。因為慣性影響，彈簧的振動步伐可能會慢于傳感器的金屬外殼，因而2個光柵，一個為伸縮狀態，另一個為壓縮狀態，對應的光波計算模型為：

Δλ1=Kt·ΔT+Kε·Δε

(1)

Δλ2=Kt·ΔT-Kε·Δε

(2)

Δλ1為FBG1光柵的波長變化量；Δλ2為FBG2光柵的波長變化量；Δε為振動應變量；ΔT為溫度的變化數。對于式(1)和式(2)，若只考慮其中1個光柵，則不能辨別溫度同振動間的互感度。對式(1)和式(2)作加法運算，即可抵消振動量造成的影響，如式(3)所示。由于2個光柵參數設置具有一致性，故其變化幅度也應相同。若對式(1)與式(2)作減法運算，則可抵消溫度造成的影響，結果如式(4)所示。

ΔT=(Δλ1+Δλ2)/2Kt

(3)

Δε=(Δλ1-Δλ2)/2Kε

(4)

通過式(3)和式(4)，可以有效避免溫度對振動傳感器產生的影響，進而得到更為準確的測量結果。

完成光纖光柵內部結構設計后再考慮外部封裝結構的設計，封裝結構外部設計必須能夠適應智能變壓器的復雜油環境。由于智能變壓器的絕緣油具有強腐蝕性，且體表易粘沾物質，因而可選用外部屬性不活潑的金屬元素進行外部封裝，形成剛性構筑，便于用螺絲釘固定智能變壓器，同時也有利于振動信息傳遞[10]。另外，由于智能變壓器的振動方向具有任意性，因而研究設計中將多個傳感器放在同一個質量基座上，從而實現智能變壓器的三維空間測量。為了契合變壓器的油性環境，也為了監測傳感器的封裝性，將光纖光柵傳感器放置在有氧油缸內，同時將質量塊底進行固定，保證整個振動傳感器監測系統的穩定。

1.2 傳感器性能測試與參數設計

所設計的光纖光柵振動傳感器，需要進行相關性能測試，包括振動信號檢測以及耐溫檢測等。由于在實際操作中，智能變壓器的運行狀態為低頻振動，故而該研究利用大功率實驗振臺對振動頻率進行模擬。此振動臺的可調整精度為2 Hz，最高調整限度為900 Hz，測試系統結構如圖2所示。

圖2 振動信號檢測系統

測試以單個光纖光柵傳感器開始，通過電腦端的固定頻率控制系統對振動臺的頻率進行有效控制，因為振動系統的振動方向具有隨機性，需要兼顧系統整體的振動頻率測量范圍，研究中將測量范圍設置為50～600 Hz，各測量頻率之間的間距設置為50 Hz，即待測頻率為50 Hz,100 Hz,…,600 Hz。相關處理后得到了如圖3所示的光纖光柵振動傳感器振動頻率檢測結果。

圖3 光纖光柵振動傳感器振動頻率檢測效果

由圖3可知，此光纖光柵振動傳感器具有較高的測量準確性，得出的檢測數據沒有顯著錯誤，與實際情況相符，研究中設計的振動頻率測量區間幾乎包含了所有的振動頻率，且有足夠的寬度。

在完成最基礎的振動測量之后，需要對實際運行環境進行測量，由于無油環境下的測量結果較好，因而接下來主要在油環境中測量振動頻率。單個光纖光柵傳感器并不會對振動造成影響，故主要考慮振動方向與測試結果的關系。結構設計限制了彈簧的振動信息接收方向，性能測試設計中安裝了多個光纖光柵傳感器，以對振動三維方向進行測量，三維方向分別命名為FB1、FB2和FB3。測試時將室內溫度設置為恒溫26 ℃，具體的油環境下振動信息測量結果如表1所示。

表1 油環境下的振動信息測量結果 Hz

由表1可知，該光纖光柵振動傳感器具有較高的測量準確率，任何振動方向下都能得到準確無誤的振動頻率檢測結果，因而該設計方式可以有效避免振動方向對振動測量結果帶來的干擾。另外應該注意到，測試環境與測量結果間具有細微聯系，當測試環境有絕緣油時，測量頻率會發生變化。低頻振動下，測量結果沒有明顯變化。超過400 Hz以后，光纖光柵振動傳感器卻測不到對應的振動頻率。主要原因可能是絕緣油的粘滯性影響了傳感器的振動感受性，較大的黏粘性環境下，光纖光柵傳感器對智能變壓器的振動效果感受較弱。然而這對實際測量結果的影響并不是特別大。除了測量范圍，評估傳感器性能的另一個重要指標是測量精度。

上述設計的傳感器雖然能夠獲取具體的探測范圍，但是卻無更詳細的探測信息。因而在上述測試基礎上，設計了精度驗證方案，其中解調儀的精度設計為2 Hz，經過相關處理后得到了如圖4所示的精度測試結果。

圖4 傳感器振動頻率精度檢測效果

由圖4可知，振動頻率的細微變化，該光纖光柵傳感器都能準確地測量出來，且與實際結果具有高度的線性響應關系。由于測試系統自身設置的原因，可能阻礙了該傳感器測量精度的提高，但是這并不影響該傳感器在智能變壓器上的振動頻率檢測。

2 光纖光柵振動傳感器的安裝與測量

2.1 傳感器安裝與參數設置

完成了上述光纖光柵傳感器的性能測試之后，對其進行實際應用，以驗證其適用性。適用性檢驗過程中，需要設置該傳感器的相關參數，并安裝好相應的實驗設備。

研究中設計的懸臂式振動傳感器利用金屬材料進行外部封裝，可以有效屏蔽干擾信息，但金屬材料固定會涉及到相應的焊接，可能會對鐵芯的有關參數造成影響，從而阻礙變壓器的正常運行。通常與鐵芯聯系最為緊密的設備為夾件，鐵芯振動多以油箱壁、變壓器油以及夾件等表現出來。因而在進行安裝時，將夾件作為光纖光柵振動傳感器的測量載體，通過夾件實現鐵芯的振動測量。光纖光柵振動傳感器固定于特制基座上，特制基座與鐵芯夾件間采用剛性連接。為了有效避免因變壓器恒久運行所引發的傳感器構建松動問題，需要將各傳感器的螺絲釘進行多次固定，固定方式為焊接，這種方式能夠提升傳感器基座的牢固性。焊接完成后，需要封閉所有的螺絲固定導孔，保證無論發生什么情況，螺絲都不會掉落且影響到變壓器的正常運行。安裝好所有的光纖光柵振動傳感器后，將所有尾纖進行連接，得到走線盤的貫通盤。安裝完成后，用傳感器自帶的光柵調節儀監測變壓器的初步波長峰值。本次實驗共使用12只傳感器，分別是8只溫度點式傳感器與 4只光纖光柵傳感器，對應的參數設置如表2所示。

表2 振動傳感器詳細部署

該次實驗布置的傳感器總數為12，點式傳感器安裝至4-5餅間，光柵傳感器安裝至撐條中。振動傳感器主要對智能變壓器的夾件振動信息進行測量，故每組安裝3個振動傳感器，以測量三維方向上的振動狀態。各振動傳感器之間獨立安裝，且無需進行波長檢測。

2.2 測量結果分析

將所部署的振動傳感器用于110 kV智能變壓器樣機的運行檢測。將振動傳感器與變壓器夾件相連，且連接方式為三維立體式，用于測量智能變壓器的三維振動測量，該方式下得到了智能變壓器在3個方向上的振動時域情況如圖5所示。

由圖5可知，該智能傳感器在X方向上的時域波形最小值為1 552.268 mm，最大值為1 552.280 mm，波形變化區間為[1 552.268，1 552.280] mm；在Y方向上的時域波形最小值為1 531.162 mm，最大值為1 531.168 mm；在Z方向上的時域波形最小值為1 534.108 mm，最大值為1 534.110 mm；此智能變壓器可實現3個方向上的實時振動檢測。由于在振動信號中，主要被關注對象為智能變壓器的振動頻率，故在3個方向振動檢測的基礎上，綜合測試，得到了如圖6所示的智能變壓器振動頻率圖。

圖5 傳感器在3個方向上的振動時域

圖6 智能變壓器振動頻率

由圖6可知，在正常運行情況下，此110 kV智能變壓器的振動頻率范圍約為130～140 Hz。常規鐵芯變壓器的振動頻率范圍約為50～200 Hz，振動頻率具有隨機不固定性，在一定范圍內波動。實驗中排除了初始電磁與機械設備的干擾，可知此次研究設計的光纖光柵振動傳感器具有較好的振動檢測效果，不僅所測信號結果符合變壓器正常振動頻率標準，且振動波動較小，具有較高的穩定性，另外檢測的振動信號也具有較高的準確率，與實際相差較小，因而該光纖光柵振動傳感器對于智能變壓器振動狀態檢測具有極大的意義。

3 結束語

在對智能變壓器的振動檢測研究中，最為關鍵的在于振動傳感器的設計。本次研究在總結振動監測傳感器設計的基礎上，設計了一種基于光纖光柵技術的懸臂式振動傳感器，該傳感器以光纖光柵作為傳感介質，可以有效避免智能變壓器油環境對振動測量結果造成的影響。并設計了相關的性能測試方案，從振動測量精度以及測試準確率2個方面對該傳感器的性能進行評估，為后續研究奠定基礎。將該振動傳感器應用于浸油式110 kV智能變壓器樣機中，對其實踐性進行驗證。

測試結果顯示，在智能變壓器正常運行的狀態下，其振動頻率區間為[130,140] Hz，振動幅度較小，具有較高的穩定性。而鐵芯變壓器一般的正常振動頻率區間為[50,200] Hz，由此可知該智能傳感器測得振動頻率在正常振動區間內，符合變壓器的實際運行情況，故該次研究設計的光纖光柵振動傳感器總體振動檢測效果較好，監測精確率較高，測試結果符合變壓器振動檢測標準，具有較高的實用性。

盡管本次研究可以為變壓器振動檢測提供方法參考，但是實驗中考慮絕緣油影響較小，實驗準確性不夠高。