王 磊，胡文娟

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 商洛 726000)

0 引言

對外開放以來，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對電力的需求大幅度上漲。作為電力系統(tǒng)中較為重要的電力設(shè)備，電網(wǎng)穩(wěn)健運(yùn)行對于電力傳輸至關(guān)重要，是對民眾生命安全的重要保障。及時了解電網(wǎng)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險隱患，并作出相應(yīng)的調(diào)整，不僅對于最大限度降低能源消耗意義重大，還有利于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，全面實現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。電網(wǎng)監(jiān)測中的一個關(guān)鍵是變壓器的振動檢驗，運(yùn)行時間越長，振動與鐵芯振動以及繞組松動之間的聯(lián)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(fā)生率，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)工作人員以及當(dāng)?shù)鼐用竦纳踩榱舜_保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對變壓器的振動進(jìn)行監(jiān)測十分有必要[3]。使用光纖光柵技術(shù)開展變壓器振動監(jiān)測是當(dāng)前的前沿研究，既符合發(fā)展實際，也契合學(xué)術(shù)研究價值。

1 基于光纖光柵的變壓器振動測量模型構(gòu)建

1.1 振動傳感器設(shè)計

研究中需要綜合考慮變壓器的性質(zhì)以及其工作環(huán)境。由于變壓器為大型剛體裝置，與細(xì)小質(zhì)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(yùn)行環(huán)境，其散熱主要是通過油性液體流動來實現(xiàn)的，因此在使用光纖光柵傳感器時，也不能忽視繞組正常運(yùn)行中產(chǎn)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(jù)以上對智能變壓器的綜合分析，此次設(shè)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(huán)境下強(qiáng)烈感受鐵芯的振動[5]。由于油環(huán)境與常規(guī)空氣環(huán)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(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致測量結(jié)果與實際相差較大[7]。

在參考前人設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能變壓器的特殊環(huán)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?qū)χ悄茏儔浩鲀?nèi)部的振動信號進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對智能變壓器運(yùn)行狀態(tài)的及時監(jiān)測，對應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

該光纖光柵振動傳感器考慮了前人的質(zhì)量振子結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)新地在懸臂梁中間加入了對應(yīng)的杠桿，在杠桿兩側(cè)各安放1個光柵，即圖1的FBG1與FBG2。進(jìn)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(chǎn)生伸縮的效果，2個光柵之間的相互作用會導(dǎo)致光波峰值發(fā)生變化，不斷向長波長或者短波長方向遷移，并通過對應(yīng)的調(diào)解裝置對波長變化量進(jìn)行調(diào)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(fā)現(xiàn)該傳感器設(shè)計的關(guān)鍵之處在于保證各光柵的參數(shù)指標(biāo)一致，例如光波峰值、溫度變應(yīng)系數(shù)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(tài)，另一個為壓縮狀態(tài)，對應(yīng)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(yīng)變量；ΔT為溫度的變化數(shù)。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(yùn)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(shù)設(shè)置具有一致性，故其變化幅度也應(yīng)相同。若對式(1)與式(2)作減法運(yùn)算，則可抵消溫度造成的影響，結(jié)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(chǎn)生的影響，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

完成光纖光柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計后再考慮外部封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計，封裝結(jié)構(gòu)外部設(shè)計必須能夠適應(yīng)智能變壓器的復(fù)雜油環(huán)境。由于智能變壓器的絕緣油具有強(qiáng)腐蝕性，且體表易粘沾物質(zhì)，因而可選用外部屬性不活潑的金屬元素進(jìn)行外部封裝，形成剛性構(gòu)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(shè)計中將多個傳感器放在同一個質(zhì)量基座上，從而實現(xiàn)智能變壓器的三維空間測量。為了契合變壓器的油性環(huán)境，也為了監(jiān)測傳感器的封裝性，將光纖光柵傳感器放置在有氧油缸內(nèi)，同時將質(zhì)量塊底進(jìn)行固定，保證整個振動傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 傳感器性能測試與參數(shù)設(shè)計

所設(shè)計的光纖光柵振動傳感器，需要進(jìn)行相關(guān)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(yùn)行狀態(tài)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(jìn)行模擬。此振動臺的可調(diào)整精度為2 Hz，最高調(diào)整限度為900 Hz，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動信號檢測系統(tǒng)

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(tǒng)對振動臺的頻率進(jìn)行有效控制，因為振動系統(tǒng)的振動方向具有隨機(jī)性，需要兼顧系統(tǒng)整體的振動頻率測量范圍，研究中將測量范圍設(shè)置為50～600 Hz，各測量頻率之間的間距設(shè)置為50 Hz，即待測頻率為50 Hz,100 Hz,…,600 Hz。相關(guān)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(jié)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(zhǔn)確性，得出的檢測數(shù)據(jù)沒有顯著錯誤，與實際情況相符，研究中設(shè)計的振動頻率測量區(qū)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(chǔ)的振動測量之后，需要對實際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行測量，由于無油環(huán)境下的測量結(jié)果較好，因而接下來主要在油環(huán)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(jié)果的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計限制了彈簧的振動信息接收方向，性能測試設(shè)計中安裝了多個光纖光柵傳感器，以對振動三維方向進(jìn)行測量，三維方向分別命名為FB1、FB2和FB3。測試時將室內(nèi)溫度設(shè)置為恒溫26 ℃，具體的油環(huán)境下振動信息測量結(jié)果如表1所示。

表1 油環(huán)境下的振動信息測量結(jié)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(zhǔn)確率，任何振動方向下都能得到準(zhǔn)確無誤的振動頻率檢測結(jié)果，因而該設(shè)計方式可以有效避免振動方向?qū)φ駝訙y量結(jié)果帶來的干擾。另外應(yīng)該注意到，測試環(huán)境與測量結(jié)果間具有細(xì)微聯(lián)系，當(dāng)測試環(huán)境有絕緣油時，測量頻率會發(fā)生變化。低頻振動下，測量結(jié)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(yīng)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(huán)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(jié)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(biāo)是測量精度。

上述設(shè)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(xì)的探測信息。因而在上述測試基礎(chǔ)上，設(shè)計了精度驗證方案，其中解調(diào)儀的精度設(shè)計為2 Hz，經(jīng)過相關(guān)處理后得到了如圖4所示的精度測試結(jié)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(xì)微變化，該光纖光柵傳感器都能準(zhǔn)確地測量出來，且與實際結(jié)果具有高度的線性響應(yīng)關(guān)系。由于測試系統(tǒng)自身設(shè)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(shù)設(shè)置

完成了上述光纖光柵傳感器的性能測試之后，對其進(jìn)行實際應(yīng)用，以驗證其適用性。適用性檢驗過程中，需要設(shè)置該傳感器的相關(guān)參數(shù)，并安裝好相應(yīng)的實驗設(shè)備。

研究中設(shè)計的懸臂式振動傳感器利用金屬材料進(jìn)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(yīng)的焊接，可能會對鐵芯的有關(guān)參數(shù)造成影響，從而阻礙變壓器的正常運(yùn)行。通常與鐵芯聯(lián)系最為緊密的設(shè)備為夾件，鐵芯振動多以油箱壁、變壓器油以及夾件等表現(xiàn)出來。因而在進(jìn)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(xiàn)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(yùn)行所引發(fā)的傳感器構(gòu)建松動問題，需要將各傳感器的螺絲釘進(jìn)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(dǎo)孔，保證無論發(fā)生什么情況，螺絲都不會掉落且影響到變壓器的正常運(yùn)行。安裝好所有的光纖光柵振動傳感器后，將所有尾纖進(jìn)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(diào)節(jié)儀監(jiān)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(diǎn)式傳感器與 4只光纖光柵傳感器，對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 振動傳感器詳細(xì)部署

該次實驗布置的傳感器總數(shù)為12，點(diǎn)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(jìn)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(tài)。各振動傳感器之間獨(dú)立安裝，且無需進(jìn)行波長檢測。

2.2 測量結(jié)果分析

將所部署的振動傳感器用于110 kV智能變壓器樣機(jī)的運(yùn)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(qū)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(xiàn)3個方向上的實時振動檢測。由于在振動信號中，主要被關(guān)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(chǔ)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(yùn)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(guī)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(jī)不固定性，在一定范圍內(nèi)波動。實驗中排除了初始電磁與機(jī)械設(shè)備的干擾，可知此次研究設(shè)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(jié)果符合變壓器正常振動頻率標(biāo)準(zhǔn)，且振動波動較小，具有較高的穩(wěn)定性，另外檢測的振動信號也具有較高的準(zhǔn)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(tài)檢測具有極大的意義。

3 結(jié)束語

在對智能變壓器的振動檢測研究中，最為關(guān)鍵的在于振動傳感器的設(shè)計。本次研究在總結(jié)振動監(jiān)測傳感器設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于光纖光柵技術(shù)的懸臂式振動傳感器，該傳感器以光纖光柵作為傳感介質(zhì)，可以有效避免智能變壓器油環(huán)境對振動測量結(jié)果造成的影響。并設(shè)計了相關(guān)的性能測試方案，從振動測量精度以及測試準(zhǔn)確率2個方面對該傳感器的性能進(jìn)行評估，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。將該振動傳感器應(yīng)用于浸油式110 kV智能變壓器樣機(jī)中，對其實踐性進(jìn)行驗證。

測試結(jié)果顯示，在智能變壓器正常運(yùn)行的狀態(tài)下，其振動頻率區(qū)間為[130,140] Hz，振動幅度較小，具有較高的穩(wěn)定性。而鐵芯變壓器一般的正常振動頻率區(qū)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(qū)間內(nèi)，符合變壓器的實際運(yùn)行情況，故該次研究設(shè)計的光纖光柵振動傳感器總體振動檢測效果較好，監(jiān)測精確率較高，測試結(jié)果符合變壓器振動檢測標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)確性不夠高。