高立慧， 趙振剛， 張長(zhǎng)勝， 郭麗君， 李 凱， 李 川

基于FBG傳感器的變壓器振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與分析*

高立慧， 趙振剛， 張長(zhǎng)勝， 郭麗君， 李 凱， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)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(dòng)故障問(wèn)題，需要選擇有效位置對(duì)變壓器的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)電力變壓器鐵芯—繞組振動(dòng)特性，通過(guò)有限元分析，仿真得到鐵芯—繞組測(cè)點(diǎn)位置。以型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗(yàn)對(duì)象，將光纖Bragg 光柵(FBG)振動(dòng)傳感器安裝于鐵芯—繞組的測(cè)點(diǎn)位置，對(duì)不同負(fù)載下變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與頻譜分析，結(jié)果表明：變壓器振動(dòng)信號(hào)頻率集中在100 Hz及其倍頻處；在80 %，90 %，100 %負(fù)載下，幅頻信號(hào)100 Hz處的振動(dòng)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(dòng)信號(hào)； 鐵芯—繞組； 有限元分析

0 引 言

變壓器的振動(dòng)故障問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重的威脅，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器振動(dòng)的故障趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)變壓器振動(dòng)安全狀態(tài)的有效識(shí)別具有重要的意義[1，2]。在變壓器運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到磁滯伸縮效應(yīng)等影響會(huì)發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅過(guò)大，進(jìn)而可能造成變壓器鐵芯、繞組松動(dòng)變形和噪聲過(guò)大等問(wèn)題，所以需要對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)[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(jī)械現(xiàn)象，通過(guò)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(dá)到了模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)，該方法在計(jì)算鐵芯形變方面更精確[6，7]；徐方等人通過(guò)變壓器的實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)點(diǎn)位置，從而提高監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比[8]。

本文對(duì)變壓器鐵芯—繞組的振動(dòng)特性進(jìn)行有限元仿真分析，確定光纖Bragg光柵(optical fiber Bragg grating,FBG)振動(dòng)傳感器針對(duì)鐵芯—繞組振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)的有效位置；以型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗(yàn)對(duì)象，將FBG傳感器安裝于鐵芯—繞組的測(cè)點(diǎn)位置，對(duì)變壓器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分析。

1 FBG傳感器檢測(cè)變壓器振動(dòng)信號(hào)原理

針對(duì)變壓器工作在高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的環(huán)境特性，選用FBG振動(dòng)傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效抗干擾，提高監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比。FBG振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 FBG振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)把傳感器固定在待測(cè)物體上并隨物體一起振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊、鋼管、彈性鋼片組成的彈性系統(tǒng)作受迫振動(dòng)，結(jié)果質(zhì)量塊帶動(dòng)鋼管、彈性鋼片作應(yīng)變變化，使得粘貼在彈性鋼片的兩個(gè)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(zhǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

光纖光柵波長(zhǎng)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(zhǎng)移位，λ為光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)，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(zhǎng)改變量與加速度的線性變化關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的變化即可實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。

2 鐵芯—繞組振動(dòng)特性的振動(dòng)仿真分析

根據(jù)型號(hào)為D9—QY—40000/220的電力變壓器的實(shí)際參數(shù)要求，通過(guò)ANSYSWorkbench有限元仿真軟件進(jìn)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(dòng)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(shì)。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(dòng)最強(qiáng)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(dòng)最強(qiáng)的位置在上夾件的上表面左右兩側(cè)的4個(gè)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(dòng)最強(qiáng)的位置在上夾件。

對(duì)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(dòng)幅值具有對(duì)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(dòng)位置第一階最強(qiáng)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(qiáng)最弱上夾件的上表面左右兩側(cè)的4個(gè)端角鐵芯的下夾件中部以及B相高壓繞組第三階最強(qiáng)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(guò)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(dòng)最強(qiáng)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(gè)端角、三相繞組的上部。該振動(dòng)強(qiáng)弱分布特征可以為變壓器振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)選擇最優(yōu)測(cè)點(diǎn)位置提供理論依據(jù)。因此，將FBG傳感器布設(shè)在振動(dòng)最強(qiáng)的位置，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，傳感器能夠最先檢測(cè)到變壓器振動(dòng)的變化，從而保證檢測(cè)效果。

3 變壓器鐵心—繞組振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)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(dòng)傳感器，傳感器通過(guò)檢測(cè)Bragg波長(zhǎng)的變化量來(lái)反映振動(dòng)情況，根據(jù)這一特性，利用光纖光柵解調(diào)儀對(duì)FBG傳感器測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，傳感系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6所示， FBG振動(dòng)傳感器在變壓器中安裝后的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示。

圖6 傳感系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖7 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

通過(guò)改變變壓器的負(fù)載，得到不同負(fù)載下變壓器的振動(dòng)信號(hào)。在80 %，90 %，100 %負(fù)載下，傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)變壓器振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域圖及對(duì)應(yīng)的頻域圖如圖8～圖10所示。

圖8 80 %負(fù)載下振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖

圖9 90 %負(fù)載下振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖

圖10 100 %負(fù)載下振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖

由圖8～圖10可以得出，變壓器振動(dòng)信號(hào)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(dòng)及對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào)以兩倍電源頻率，即100 Hz為其基頻;通過(guò)改變變壓器的負(fù)載，得到不同負(fù)載下變壓器的振動(dòng)信號(hào)。在80 %，90 %，100 %負(fù)載下幅頻信號(hào)中100 Hz處幅值呈逐漸增大趨勢(shì)，表明隨著變壓器負(fù)載的增大變壓器的振動(dòng)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(dòng)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。為了避免變壓器振動(dòng)故障問(wèn)題的出現(xiàn)，減少變壓器故障對(duì)電網(wǎng)安全的影響，本文利用有限元分析確定FBG振動(dòng)傳感器針對(duì)鐵芯—繞組振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)的有效位置。以型號(hào)為S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓35 kV電力變壓器為試驗(yàn)對(duì)象，將FBG傳感器安裝于鐵芯—繞組的測(cè)點(diǎn)位置，對(duì)變壓器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分析，結(jié)果表明:變壓器振動(dòng)信號(hào)頻率集中在100 Hz及其倍頻處，在80 %，90 %，100 %負(fù)載下幅頻信號(hào)中100 Hz處幅值呈逐漸增大趨勢(shì)，表明隨著變壓器負(fù)載的增大變壓器的振動(dòng)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(guó)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(dòng)監(jiān)測(cè)中的測(cè)點(diǎn)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(jī)的光纖微振動(dòng)傳感器模式識(shí)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(duì)振動(dòng)信號(hào)的變壓器繞組故障診斷及分析方法研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)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(dòng)測(cè)點(diǎn)位置選擇試驗(yàn)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(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)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?yàn)楣饫w傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)等。