基于传感器技术的振动智能监测研究

王 磊，胡文娟

(商洛职业技术学院，陕西 商洛 726000)

0 引言

对外开放以来，我国经济快速发展，对电力的需求大幅度上涨。作为电力系统中较为重要的电力设备，电网稳健运行对于电力传输至关重要，是对民众生命安全的重要保障。及时了解电网的运行情况，发现潜在的风险隐患，并作出相应的调整，不仅对于最大限度降低能源消耗意义重大，还有利于经济社会发展，全面实现我国的可持续发展战略。电网监测中的一个关键是变压器的振动检验，运行时间越长，振动与铁芯振动以及绕组松动之间的联系就更为紧密[1-2]。振动可能会造成铁芯异常波动，从而引起输出电压的较大变化，这会提高故障的发生率，严重威胁电网工作人员以及当地居民的生命安全。为了确保电网的稳定运行，对变压器的振动进行监测十分有必要[3]。使用光纤光栅技术开展变压器振动监测是当前的前沿研究，既符合发展实际，也契合学术研究价值。

1 基于光纤光栅的变压器振动测量模型构建

1.1 振动传感器设计

研究中需要综合考虑变压器的性质以及其工作环境。由于变压器为大型刚体装置，与细小质弱的光纤光栅形成鲜明的对比，且研究中的变压器为油浸式运行环境，其散热主要是通过油性液体流动来实现的，因此在使用光纤光栅传感器时，也不能忽视绕组正常运行中产生的大量热量，这种热量势必会对铁芯振动造成影响[4]。根据以上对智能变压器的综合分析，此次设计的传感器要求能够具备较好的绝缘隔热功能，且能够在油环境下强烈感受铁芯的振动[5]。由于油环境与常规空气环境存在较大差异，因而需要对传感器做隔离封装处理，杜绝传感器直接裸露在油中[6]。智能变压器的粘滞阻力以及油温变化，都有可能造成振动传感器的光纤光栅波长发生较大变化，从而导致测量结果与实际相差较大[7]。

在参考前人设计的基础上，结合智能变压器的特殊环境，提出了适用于本次研究的变压器振动传感器，该传感器能够对智能变压器内部的振动信号进行监测，从而实现对智能变压器运行状态的及时监测，对应结构如图1所示[8]。

该光纤光栅振动传感器考虑了前人的质量振子结构设计，创新地在悬臂梁中间加入了对应的杠杆，在杠杆两侧各安放1个光栅，即图1的FBG1与FBG2。进行振动测量时，弹簧振子的主要作用在于感受外界振动信息，之后利用杠杆促使2个光栅产生伸缩的效果，2个光栅之间的相互作用会导致光波峰值发生变化，不断向长波长或者短波长方向迁移，并通过对应的调解装置对波长变化量进行调整，最后作出傅里叶变换即可获取振动频率[9]。通过分析传感器振动原理，发现该传感器设计的关键之处在于保证各光栅的参数指标一致，例如光波峰值、温度变应系数等。假定传感器的振动方向为竖直。因为惯性影响，弹簧的振动步伐可能会慢于传感器的金属外壳，因而2个光栅，一个为伸缩状态，另一个为压缩状态，对应的光波计算模型为：

Δλ1=Kt·ΔT+Kε·Δε

(1)

Δλ2=Kt·ΔT-Kε·Δε

(2)

Δλ1为FBG1光栅的波长变化量；Δλ2为FBG2光栅的波长变化量；Δε为振动应变量；ΔT为温度的变化数。对于式(1)和式(2)，若只考虑其中1个光栅，则不能辨别温度同振动间的互感度。对式(1)和式(2)作加法运算，即可抵消振动量造成的影响，如式(3)所示。由于2个光栅参数设置具有一致性，故其变化幅度也应相同。若对式(1)与式(2)作减法运算，则可抵消温度造成的影响，结果如式(4)所示。

ΔT=(Δλ1+Δλ2)/2Kt

(3)

Δε=(Δλ1-Δλ2)/2Kε

(4)

通过式(3)和式(4)，可以有效避免温度对振动传感器产生的影响，进而得到更为准确的测量结果。

完成光纤光栅内部结构设计后再考虑外部封装结构的设计，封装结构外部设计必须能够适应智能变压器的复杂油环境。由于智能变压器的绝缘油具有强腐蚀性，且体表易粘沾物质，因而可选用外部属性不活泼的金属元素进行外部封装，形成刚性构筑，便于用螺丝钉固定智能变压器，同时也有利于振动信息传递[10]。另外，由于智能变压器的振动方向具有任意性，因而研究设计中将多个传感器放在同一个质量基座上，从而实现智能变压器的三维空间测量。为了契合变压器的油性环境，也为了监测传感器的封装性，将光纤光栅传感器放置在有氧油缸内，同时将质量块底进行固定，保证整个振动传感器监测系统的稳定。

1.2 传感器性能测试与参数设计

所设计的光纤光栅振动传感器，需要进行相关性能测试，包括振动信号检测以及耐温检测等。由于在实际操作中，智能变压器的运行状态为低频振动，故而该研究利用大功率实验振台对振动频率进行模拟。此振动台的可调整精度为2 Hz，最高调整限度为900 Hz，测试系统结构如图2所示。

图2 振动信号检测系统

测试以单个光纤光栅传感器开始，通过电脑端的固定频率控制系统对振动台的频率进行有效控制，因为振动系统的振动方向具有随机性，需要兼顾系统整体的振动频率测量范围，研究中将测量范围设置为50～600 Hz，各测量频率之间的间距设置为50 Hz，即待测频率为50 Hz,100 Hz,…,600 Hz。相关处理后得到了如图3所示的光纤光栅振动传感器振动频率检测结果。

图3 光纤光栅振动传感器振动频率检测效果

由图3可知，此光纤光栅振动传感器具有较高的测量准确性，得出的检测数据没有显著错误，与实际情况相符，研究中设计的振动频率测量区间几乎包含了所有的振动频率，且有足够的宽度。

在完成最基础的振动测量之后，需要对实际运行环境进行测量，由于无油环境下的测量结果较好，因而接下来主要在油环境中测量振动频率。单个光纤光栅传感器并不会对振动造成影响，故主要考虑振动方向与测试结果的关系。结构设计限制了弹簧的振动信息接收方向，性能测试设计中安装了多个光纤光栅传感器，以对振动三维方向进行测量，三维方向分别命名为FB1、FB2和FB3。测试时将室内温度设置为恒温26 ℃，具体的油环境下振动信息测量结果如表1所示。

表1 油环境下的振动信息测量结果 Hz

由表1可知，该光纤光栅振动传感器具有较高的测量准确率，任何振动方向下都能得到准确无误的振动频率检测结果，因而该设计方式可以有效避免振动方向对振动测量结果带来的干扰。另外应该注意到，测试环境与测量结果间具有细微联系，当测试环境有绝缘油时，测量频率会发生变化。低频振动下，测量结果没有明显变化。超过400 Hz以后，光纤光栅振动传感器却测不到对应的振动频率。主要原因可能是绝缘油的粘滞性影响了传感器的振动感受性，较大的黏粘性环境下，光纤光栅传感器对智能变压器的振动效果感受较弱。然而这对实际测量结果的影响并不是特别大。除了测量范围，评估传感器性能的另一个重要指标是测量精度。

上述设计的传感器虽然能够获取具体的探测范围，但是却无更详细的探测信息。因而在上述测试基础上，设计了精度验证方案，其中解调仪的精度设计为2 Hz，经过相关处理后得到了如图4所示的精度测试结果。

图4 传感器振动频率精度检测效果

由图4可知，振动频率的细微变化，该光纤光栅传感器都能准确地测量出来，且与实际结果具有高度的线性响应关系。由于测试系统自身设置的原因，可能阻碍了该传感器测量精度的提高，但是这并不影响该传感器在智能变压器上的振动频率检测。

2 光纤光栅振动传感器的安装与测量

2.1 传感器安装与参数设置

完成了上述光纤光栅传感器的性能测试之后，对其进行实际应用，以验证其适用性。适用性检验过程中，需要设置该传感器的相关参数，并安装好相应的实验设备。

研究中设计的悬臂式振动传感器利用金属材料进行外部封装，可以有效屏蔽干扰信息，但金属材料固定会涉及到相应的焊接，可能会对铁芯的有关参数造成影响，从而阻碍变压器的正常运行。通常与铁芯联系最为紧密的设备为夹件，铁芯振动多以油箱壁、变压器油以及夹件等表现出来。因而在进行安装时，将夹件作为光纤光栅振动传感器的测量载体，通过夹件实现铁芯的振动测量。光纤光栅振动传感器固定于特制基座上，特制基座与铁芯夹件间采用刚性连接。为了有效避免因变压器恒久运行所引发的传感器构建松动问题，需要将各传感器的螺丝钉进行多次固定，固定方式为焊接，这种方式能够提升传感器基座的牢固性。焊接完成后，需要封闭所有的螺丝固定导孔，保证无论发生什么情况，螺丝都不会掉落且影响到变压器的正常运行。安装好所有的光纤光栅振动传感器后，将所有尾纤进行连接，得到走线盘的贯通盘。安装完成后，用传感器自带的光栅调节仪监测变压器的初步波长峰值。本次实验共使用12只传感器，分别是8只温度点式传感器与 4只光纤光栅传感器，对应的参数设置如表2所示。

表2 振动传感器详细部署

该次实验布置的传感器总数为12，点式传感器安装至4-5饼间，光栅传感器安装至撑条中。振动传感器主要对智能变压器的夹件振动信息进行测量，故每组安装3个振动传感器，以测量三维方向上的振动状态。各振动传感器之间独立安装，且无需进行波长检测。

2.2 测量结果分析

将所部署的振动传感器用于110 kV智能变压器样机的运行检测。将振动传感器与变压器夹件相连，且连接方式为三维立体式，用于测量智能变压器的三维振动测量，该方式下得到了智能变压器在3个方向上的振动时域情况如图5所示。

由图5可知，该智能传感器在X方向上的时域波形最小值为1 552.268 mm，最大值为1 552.280 mm，波形变化区间为[1 552.268，1 552.280] mm；在Y方向上的时域波形最小值为1 531.162 mm，最大值为1 531.168 mm；在Z方向上的时域波形最小值为1 534.108 mm，最大值为1 534.110 mm；此智能变压器可实现3个方向上的实时振动检测。由于在振动信号中，主要被关注对象为智能变压器的振动频率，故在3个方向振动检测的基础上，综合测试，得到了如图6所示的智能变压器振动频率图。

图5 传感器在3个方向上的振动时域

图6 智能变压器振动频率

由图6可知，在正常运行情况下，此110 kV智能变压器的振动频率范围约为130～140 Hz。常规铁芯变压器的振动频率范围约为50～200 Hz，振动频率具有随机不固定性，在一定范围内波动。实验中排除了初始电磁与机械设备的干扰，可知此次研究设计的光纤光栅振动传感器具有较好的振动检测效果，不仅所测信号结果符合变压器正常振动频率标准，且振动波动较小，具有较高的稳定性，另外检测的振动信号也具有较高的准确率，与实际相差较小，因而该光纤光栅振动传感器对于智能变压器振动状态检测具有极大的意义。

3 结束语

在对智能变压器的振动检测研究中，最为关键的在于振动传感器的设计。本次研究在总结振动监测传感器设计的基础上，设计了一种基于光纤光栅技术的悬臂式振动传感器，该传感器以光纤光栅作为传感介质，可以有效避免智能变压器油环境对振动测量结果造成的影响。并设计了相关的性能测试方案，从振动测量精度以及测试准确率2个方面对该传感器的性能进行评估，为后续研究奠定基础。将该振动传感器应用于浸油式110 kV智能变压器样机中，对其实践性进行验证。

测试结果显示，在智能变压器正常运行的状态下，其振动频率区间为[130,140] Hz，振动幅度较小，具有较高的稳定性。而铁芯变压器一般的正常振动频率区间为[50,200] Hz，由此可知该智能传感器测得振动频率在正常振动区间内，符合变压器的实际运行情况，故该次研究设计的光纤光栅振动传感器总体振动检测效果较好，监测精确率较高，测试结果符合变压器振动检测标准，具有较高的实用性。

尽管本次研究可以为变压器振动检测提供方法参考，但是实验中考虑绝缘油影响较小，实验准确性不够高。