基于傳感器技術(shù)的振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)研究

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(duì)外開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)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(duì)于電力傳輸至關(guān)重要，是對(duì)民眾生命安全的重要保障。及時(shí)了解電網(wǎng)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并作出相應(yīng)的調(diào)整，不僅對(duì)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(huì)發(fā)展，全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵是變壓器的振動(dòng)檢驗(yàn)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，振動(dòng)與鐵芯振動(dòng)以及繞組松動(dòng)之間的聯(lián)系就更為緊密[1-2]。振動(dòng)可能會(huì)造成鐵芯異常波動(dòng)，從而引起輸出電壓的較大變化，這會(huì)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?。為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)變壓器的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分有必要[3]。使用光纖光柵技術(shù)開展變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)是當(dāng)前的前沿研究，既符合發(fā)展實(shí)際，也契合學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

1 基于光纖光柵的變壓器振動(dòng)測(cè)量模型構(gòu)建

1.1 振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

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(duì)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(guò)油性液體流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此在使用光纖光柵傳感器時(shí)，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(shì)必會(huì)對(duì)鐵芯振動(dòng)造成影響[4]。根據(jù)以上對(duì)智能變壓器的綜合分析，此次設(shè)計(jì)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(dòng)[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(duì)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(dòng)傳感器的光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相差較大[7]。

在參考前人設(shè)計(jì)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(dòng)傳感器，該傳感器能夠?qū)χ悄茏儔浩鲀?nèi)部的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變壓器運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

該光纖光柵振動(dòng)傳感器考慮了前人的質(zhì)量振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新地在懸臂梁中間加入了對(duì)應(yīng)的杠桿，在杠桿兩側(cè)各安放1個(gè)光柵，即圖1的FBG1與FBG2。進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，彈簧振子的主要作用在于感受外界振動(dòng)信息，之后利用杠桿促使2個(gè)光柵產(chǎn)生伸縮的效果，2個(gè)光柵之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致光波峰值發(fā)生變化，不斷向長(zhǎng)波長(zhǎng)或者短波長(zhǎng)方向遷移，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的調(diào)解裝置對(duì)波長(zhǎng)變化量進(jìn)行調(diào)整，最后作出傅里葉變換即可獲取振動(dòng)頻率[9]。通過(guò)分析傳感器振動(dòng)原理，發(fā)現(xiàn)該傳感器設(shè)計(jì)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(dòng)方向?yàn)樨Q直。因?yàn)閼T性影響，彈簧的振動(dòng)步伐可能會(huì)慢于傳感器的金屬外殼，因而2個(gè)光柵，一個(gè)為伸縮狀態(tài)，另一個(gè)為壓縮狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光波計(jì)算模型為：

Δλ1=Kt·ΔT+Kε·Δε

(1)

Δλ2=Kt·ΔT-Kε·Δε

(2)

Δλ1為FBG1光柵的波長(zhǎng)變化量；Δλ2為FBG2光柵的波長(zhǎng)變化量；Δε為振動(dòng)應(yīng)變量；ΔT為溫度的變化數(shù)。對(duì)于式(1)和式(2)，若只考慮其中1個(gè)光柵，則不能辨別溫度同振動(dòng)間的互感度。對(duì)式(1)和式(2)作加法運(yùn)算，即可抵消振動(dòng)量造成的影響，如式(3)所示。由于2個(gè)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(duì)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(guò)式(3)和式(4)，可以有效避免溫度對(duì)振動(dòng)傳感器產(chǎn)生的影響，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

完成光纖光柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后再考慮外部封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，封裝結(jié)構(gòu)外部設(shè)計(jì)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(shí)也有利于振動(dòng)信息傳遞[10]。另外，由于智能變壓器的振動(dòng)方向具有任意性，因而研究設(shè)計(jì)中將多個(gè)傳感器放在同一個(gè)質(zhì)量基座上，從而實(shí)現(xiàn)智能變壓器的三維空間測(cè)量。為了契合變壓器的油性環(huán)境，也為了監(jiān)測(cè)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(shí)將質(zhì)量塊底進(jìn)行固定，保證整個(gè)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.2 傳感器性能測(cè)試與參數(shù)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的光纖光柵振動(dòng)傳感器，需要進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，包括振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)以及耐溫檢測(cè)等。由于在實(shí)際操作中，智能變壓器的運(yùn)行狀態(tài)為低頻振動(dòng)，故而該研究利用大功率實(shí)驗(yàn)振臺(tái)對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行模擬。此振動(dòng)臺(tái)的可調(diào)整精度為2 Hz，最高調(diào)整限度為900 Hz，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

測(cè)試以單個(gè)光纖光柵傳感器開始，通過(guò)電腦端的固定頻率控制系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)臺(tái)的頻率進(jìn)行有效控制，因?yàn)檎駝?dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)方向具有隨機(jī)性，需要兼顧系統(tǒng)整體的振動(dòng)頻率測(cè)量范圍，研究中將測(cè)量范圍設(shè)置為50～600 Hz，各測(cè)量頻率之間的間距設(shè)置為50 Hz，即待測(cè)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(dòng)傳感器振動(dòng)頻率檢測(cè)結(jié)果。

圖3 光纖光柵振動(dòng)傳感器振動(dòng)頻率檢測(cè)效果

由圖3可知，此光纖光柵振動(dòng)傳感器具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確性，得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著錯(cuò)誤，與實(shí)際情況相符，研究中設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率測(cè)量區(qū)間幾乎包含了所有的振動(dòng)頻率，且有足夠的寬度。

在完成最基礎(chǔ)的振動(dòng)測(cè)量之后，需要對(duì)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，由于無(wú)油環(huán)境下的測(cè)量結(jié)果較好，因而接下來(lái)主要在油環(huán)境中測(cè)量振動(dòng)頻率。單個(gè)光纖光柵傳感器并不會(huì)對(duì)振動(dòng)造成影響，故主要考慮振動(dòng)方向與測(cè)試結(jié)果的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制了彈簧的振動(dòng)信息接收方向，性能測(cè)試設(shè)計(jì)中安裝了多個(gè)光纖光柵傳感器，以對(duì)振動(dòng)三維方向進(jìn)行測(cè)量，三維方向分別命名為FB1、FB2和FB3。測(cè)試時(shí)將室內(nèi)溫度設(shè)置為恒溫26 ℃，具體的油環(huán)境下振動(dòng)信息測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 油環(huán)境下的振動(dòng)信息測(cè)量結(jié)果 Hz

由表1可知，該光纖光柵振動(dòng)傳感器具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確率，任何振動(dòng)方向下都能得到準(zhǔn)確無(wú)誤的振動(dòng)頻率檢測(cè)結(jié)果，因而該設(shè)計(jì)方式可以有效避免振動(dòng)方向?qū)φ駝?dòng)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的干擾。另外應(yīng)該注意到，測(cè)試環(huán)境與測(cè)量結(jié)果間具有細(xì)微聯(lián)系，當(dāng)測(cè)試環(huán)境有絕緣油時(shí)，測(cè)量頻率會(huì)發(fā)生變化。低頻振動(dòng)下，測(cè)量結(jié)果沒(méi)有明顯變化。超過(guò)400 Hz以后，光纖光柵振動(dòng)傳感器卻測(cè)不到對(duì)應(yīng)的振動(dòng)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(dòng)感受性，較大的黏粘性環(huán)境下，光纖光柵傳感器對(duì)智能變壓器的振動(dòng)效果感受較弱。然而這對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的影響并不是特別大。除了測(cè)量范圍，評(píng)估傳感器性能的另一個(gè)重要指標(biāo)是測(cè)量精度。

上述設(shè)計(jì)的傳感器雖然能夠獲取具體的探測(cè)范圍，但是卻無(wú)更詳細(xì)的探測(cè)信息。因而在上述測(cè)試基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了精度驗(yàn)證方案，其中解調(diào)儀的精度設(shè)計(jì)為2 Hz，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后得到了如圖4所示的精度測(cè)試結(jié)果。

圖4 傳感器振動(dòng)頻率精度檢測(cè)效果

由圖4可知，振動(dòng)頻率的細(xì)微變化，該光纖光柵傳感器都能準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，且與實(shí)際結(jié)果具有高度的線性響應(yīng)關(guān)系。由于測(cè)試系統(tǒng)自身設(shè)置的原因，可能阻礙了該傳感器測(cè)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(dòng)頻率檢測(cè)。

2 光纖光柵振動(dòng)傳感器的安裝與測(cè)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(cè)試之后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，以驗(yàn)證其適用性。適用性檢驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)設(shè)備。

研究中設(shè)計(jì)的懸臂式振動(dòng)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(huì)涉及到相應(yīng)的焊接，可能會(huì)對(duì)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(dòng)多以油箱壁、變壓器油以及夾件等表現(xiàn)出來(lái)。因而在進(jìn)行安裝時(shí)，將夾件作為光纖光柵振動(dòng)傳感器的測(cè)量載體，通過(guò)夾件實(shí)現(xiàn)鐵芯的振動(dòng)測(cè)量。光纖光柵振動(dòng)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(dòng)問(wèn)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(wú)論發(fā)生什么情況，螺絲都不會(huì)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(dòng)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(cè)變壓器的初步波長(zhǎng)峰值。本次實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 振動(dòng)傳感器詳細(xì)部署

該次實(shí)驗(yàn)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(dòng)傳感器主要對(duì)智能變壓器的夾件振動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量，故每組安裝3個(gè)振動(dòng)傳感器，以測(cè)量三維方向上的振動(dòng)狀態(tài)。各振動(dòng)傳感器之間獨(dú)立安裝，且無(wú)需進(jìn)行波長(zhǎng)檢測(cè)。

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

將所部署的振動(dòng)傳感器用于110 kV智能變壓器樣機(jī)的運(yùn)行檢測(cè)。將振動(dòng)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(cè)量智能變壓器的三維振動(dòng)測(cè)量，該方式下得到了智能變壓器在3個(gè)方向上的振動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)3個(gè)方向上的實(shí)時(shí)振動(dòng)檢測(cè)。由于在振動(dòng)信號(hào)中，主要被關(guān)注對(duì)象為智能變壓器的振動(dòng)頻率，故在3個(gè)方向振動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，綜合測(cè)試，得到了如圖6所示的智能變壓器振動(dòng)頻率圖。

圖5 傳感器在3個(gè)方向上的振動(dòng)時(shí)域

圖6 智能變壓器振動(dòng)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(dòng)頻率范圍約為130～140 Hz。常規(guī)鐵芯變壓器的振動(dòng)頻率范圍約為50～200 Hz，振動(dòng)頻率具有隨機(jī)不固定性，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)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(jì)的光纖光柵振動(dòng)傳感器具有較好的振動(dòng)檢測(cè)效果，不僅所測(cè)信號(hào)結(jié)果符合變壓器正常振動(dòng)頻率標(biāo)準(zhǔn)，且振動(dòng)波動(dòng)較小，具有較高的穩(wěn)定性，另外檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)也具有較高的準(zhǔn)確率，與實(shí)際相差較小，因而該光纖光柵振動(dòng)傳感器對(duì)于智能變壓器振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)具有極大的意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)智能變壓器的振動(dòng)檢測(cè)研究中，最為關(guān)鍵的在于振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)。本次研究在總結(jié)振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵技術(shù)的懸臂式振動(dòng)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(duì)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果造成的影響。并設(shè)計(jì)了相關(guān)的性能測(cè)試方案，從振動(dòng)測(cè)量精度以及測(cè)試準(zhǔn)確率2個(gè)方面對(duì)該傳感器的性能進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。將該振動(dòng)傳感器應(yīng)用于浸油式110 kV智能變壓器樣機(jī)中，對(duì)其實(shí)踐性進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)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(dòng)頻率區(qū)間為[130,140] Hz，振動(dòng)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(dòng)頻率區(qū)間為[50,200] Hz，由此可知該智能傳感器測(cè)得振動(dòng)頻率在正常振動(dòng)區(qū)間內(nèi)，符合變壓器的實(shí)際運(yùn)行情況，故該次研究設(shè)計(jì)的光纖光柵振動(dòng)傳感器總體振動(dòng)檢測(cè)效果較好，監(jiān)測(cè)精確率較高，測(cè)試結(jié)果符合變壓器振動(dòng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的實(shí)用性。

盡管本次研究可以為變壓器振動(dòng)檢測(cè)提供方法參考，但是實(shí)驗(yàn)中考慮絕緣油影響較小，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性不夠高。