一種用于電氣設備狀態監測的新式FBG傳感器

王英永

(山東工業職業學院電氣工程學院,山東 淄博 255000)

1 引 言

變壓器作為常見的電氣設備,對輸變電控制具有重要作用,當其發生故障時會導致停電、失火等風險,故其運行參數對電力系統穩定性和可靠性有重要影響[1]。所以,對設備狀態參數的實時監測有利于系統的正常運行及風險防范。

通常造成變壓器機械損傷的主要原因是高電磁力,由變壓器繞組中產生的強烈電流引起,這種情況導致在短時間內產生巨大的電動勢,使機械變形或繞組損壞[2]。例如繞組由于軸向力和徑向力引起的繞組變形而產生的軸向位移、彎曲或傾斜。因此,了解短路時繞組的受力大小對設計合適的機械結構具有重要意義。傳統應力傳感器往往將應力轉化為電能測量,而對于存在高壓及強電場的變壓器而言就不再適用了。相比之下,光纖傳感器具有不受電磁干擾的重要優勢,可以很好地應用于具有強磁場特性的,同時,光纖結構小巧可以輕松與變壓器中繞線匹配。由此可見,采用光纖傳感器實現對變壓器繞線變形的檢測是十分適用的。

目前國內外采用光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)[3-6]傳感器應用于電氣設備的諸如:Chen等人[7]采用FBG網絡完成了變壓器內部溫度的實時檢測,測溫精度優于0.5 ℃；Ribeiro等人[8]完成了多光纖傳感器組網條件下的溫度場重建,實現了變壓器主體溫度場的可視化；Kung等人[9]將FBG應用于大型變壓器設備中的放電監測中,通過回波中的峰值抖動完成對放電過程的定性分析；Kuhn等人[10]將FBG安裝于變壓器內部的鐵芯上,完成了對鐵芯應變的在線測試。但相關文獻主要集中溫度監測和敏感結構的應力監測方面,針對具體變壓器故障的應用研究較少。

本文側重監測繞組變壓器中由于短路或涌流現象產生的靜動壓,將FBG傳感器封裝置由變壓器專用紙板中,并設計了內置圓錐形空腔結構,利用集中有效應力的方式提高系統靈敏度。最終,達到實時監測設備工作狀態的目的。

2 系統組成

對電氣設備狀態的監測主要是對結構靜動壓的實時檢測,從而分析設備運行是否正常。本文設計一種新式的FBG變形傳感器,將其分別插入變壓器繞組結構的頂部和底部,為了便于安裝可以將其放置于變壓器外繞組與外結構相接位置處,如圖1所示。安裝完畢后僅需標定初始波長就可實現數據的采集與分析。

由于解調系統可以同時完成多個FBG的數據采集,而光纖在幾公里的傳輸距離內損耗可以忽略不計,所以,可以通過一套解調系統完成整個變電站大量變壓器的狀態監測。當同一個跟光纖上FBG數量受到帶寬限制時,采用1×N型多路光開關完成分時掃描即可實現大量FBG傳感器數據的獲取。

在實際測試過程中,由于罐體外部會存在明顯的溫度變化,所以需要對其進行溫度與應變解耦,解耦方法采用溫度補償標定法,在測試應力場的FBG位置安裝相同型號的FBG探測器,但將其固定于空腔結構外側(如圖1中標注),使其不受罐體應力影響,僅受溫度影響。將該FBG測試得到的波長偏移量作為溫度補償給腔體內的應力監測FBG,就能夠達到溫度與應力的解耦效果。

圖1 基于新式FBG傳感器的變壓器繞組結構應力狀態監測系統

3 新式FBG傳感器設計

3.1 基本原理

由于力是相互作用的,夾具與裝配件之間力是大小相同方向相反的,故獲取夾具上關鍵位置的應力分布就能夠分析裝配件的受力模式[11]。對于FBG而言,設測試環境溫度恒定,則解調可得第i個FBGi測試波長變量為:

ΔλB|i=λB|i·(1-Pε)·εi

(1)

其中,λB|i表示第i個FBG的中心波長值；εi表示第i個FBG位置上的應變；Pε為彈光系數。根據胡可定律[12],應力與應變之間的函數可以表示為:

(2)

其中,E表示彈性模量；I表示慣性矩,本系統針對鋼材結構,故取E=210 GPa,I=16.62×106mm4；x表示測試位置；l表示施力點到微元的邊界位置。由式(1)和式(2)聯立可知,當已知FBG粘貼的位置時,即測試位置x為已知量,則可以通過測試FBGi的波長變量解算對應位置的受力值。并在此基礎上,構建位置修正參數矩陣與修正系數之間的關系有:

(3)

其中,C1,C2,…,Ci表示修正系數；L1,L2,…,Li表示夾具控制單元對夾具位置的修正值,其中,j=x,y,z,表示三個軸向的修正值分別由修正系數與波長變量矩陣計算得到。由此,實現對裝配過程的在線實時修正。

3.2 結構設計

由于該FBG應力傳感器應用于變壓器中,故外封裝采用專用工程材料聚醚醚酮板(Poly-Eether-Ether-Ketone,PEEK)[13]制作,結構及實物如圖2所示。

圖2(a)表示其外部尺寸為L×L×H、L=15 cm,H=5 cm,將其從中間拋開,內部有一個圓錐空腔,圓錐底面面半徑R=5 cm、錐高h=2 cm,空腔中心位置黏貼FBG。圖2(b)表示按照該尺寸加工的PEEK材質新式FBG傳感器,兩段為傳輸光纖,內置加載預應力的FBG。在此測試中,該傳感器測量每一個變壓器繞組的暫態電流所產生的力的軸向分量,傳感器以墊片的形式放置在繞組中。

4 仿真分析

由于該傳感器安置于繞組之間,上下表面與結構體的接觸方式與墊片相似,故受力過程可以近似為面施力,根據擬監測的涌流靜動壓范圍將仿真應力范圍設定為100～1000 N,材料密度為1320 kg/m3(PEEK的密度[14]),在此基礎上完成對該傳感結構的靜態壓力載荷測試,ANSYS仿真結果如圖3所示。

由仿真圖像可以看出,施加在頂部的面應力在整個傳感器上部的應力分布均勻,故整體形變量不大,但由于采用了圓錐空腔結構,使其在兩部分粘合部位出存在明顯的應力集中區域,這樣的結果會使原有的面應力被集中加載與空腔圓錐底面圓的圓周線上,從而形成對FBG中心位置的拉伸效果。對于FBG而言,這種拉伸作用產生的應變效應十分敏感,很容易被測試,并構建中心波長偏移與應變量之間的函數,進而完成對結構體應力變化的反演。同時,從仿真體的俯視圖中可知,空腔圓錐的底面圓行結構保障了FBG的軸向無論如何布設只要經過圓心就能獲得最佳的拉伸效果,有效地保障了測試靈敏度。當壓力增加到1000 N時,應變分布與偏移量分布位置均未發生改變僅強度增大,可知,通過測量中心位置處FBG的回波值就能夠反映該線性變化關系。

5 實 驗

5.1 靜載實驗

系統采用LPT-101型調諧激光器,JH-D2型解調儀,FBG采用應力預緊型封裝結構,如圖4(a)所示。為了模擬在實際變壓器繞組中的擠壓形式,在傳感器上放置了木質墊片,再通過壓力臂完成定額施壓,如圖4(b)所示。

壓力范圍100 N至1000 N,通過分析中心波長偏移量反演變壓器結構體所承受的應力場分布。從100 N開始,每增加100 N記錄一次中心波長值,然后繪制應力波長曲線(×標注)；當到達1000 N時,每減小100 N記錄一次中心波長值,然后繪制應力波長曲線(+標注),測試結果如圖5(a)所示,為了保證系統測試范圍符合設計需求,還完成了1000 N到5000 N的測試結果,如圖5(b)所示。

實驗結果顯示,在不同測試區間中,應力與波長均可較好地滿足線性關系,通過增加與減小施力值驗證了測試結果的可重復性。依據測試數據計算得到的不同條件下波長偏移關于應力的擬合函數,有:

(4)

根據上式波長與應力范圍計算可得,100 N

5.2 動態沖擊實驗

由于自由落體重物撞擊傳感器與電流沖擊線圈產生的沖擊力都屬于脈沖力,故在動態沖擊實驗中,采用1.0 kg的重物分別從10 cm、20 cm、30 cm和40 cm高處落下模擬電流沖擊線圈時產生的沖擊力,每個高度測試10次取平均值,撞擊時傳感器中FBG中心波長發生偏移,再通過分析波長偏移程度解算系統的動態沖擊的響應能力及分辨精度。則4個不同高度的撞擊測試曲線如圖6所示。

圖6 不同高度測試得到的FBG響應結果

由圖6可知,不同高度h下落物體造成的沖擊力產生的波長響應不同,10～ 40 cm的波長偏移量分別是215 pm、435 pm、757 pm和1128 pm；其響應時間的半寬分別為4.38 ms、3.25 ms、2.14 ms和1.12 ms。通過Torricelli方程[15]計算以上四種情況的沖擊力分別為143.1 N、286.4 N、512.3 N和752.9 N,再結合測試得到的波長偏移量就能夠擬合出系統的平均沖擊響應靈敏度為1.499 pm/N。從響應時間可以看出,隨著沖擊力的增大,響應時間持續減小,若采用時間分辨的手段完成脈沖力分析,要求系統采樣速率優于1 kHz,從而保證波長隨時間變化的細節可以被完全捕獲。

6 結 論

本文研制了一種用于監測繞組變壓器靜、動態壓力的新式FBG傳感器。為了適應電氣設備實際工作環境,采用聚醚醚酮材料封裝,為了獲得穩定且靈敏的應變響應效果,采用圓錐空腔的結構形式。通過仿真計算分析了結構設計的合理性,通過實驗測試驗證了傳感器能夠對靜態載荷與動態沖擊定量分析。綜上所述,本傳感器結構可應用于繞組變壓器等存在強電場環境的各類電氣設備中,實現電氣設備狀態的實時監測,具有很好的應用前景。