基于FBG传感器的变压器振动信号检测与分析*

高立慧， 赵振刚， 张长胜， 郭丽君， 李 凯， 李 川

基于FBG传感器的变压器振动信号检测与分析*

高立慧， 赵振刚， 张长胜， 郭丽君， 李 凯， 李 川

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

为了早期发现电力变压器的振动故障问题，需要选择有效位置对变压器的振动状态进行检测。针对电力变压器铁芯—绕组振动特性，通过有限元分析，仿真得到铁芯—绕组测点位置。以型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压35 kV电力变压器为试验对象，将光纤Bragg 光栅(FBG)振动传感器安装于铁芯—绕组的测点位置，对不同负载下变压器振动信号进行检测与频谱分析，结果表明：变压器振动信号频率集中在100 Hz及其倍频处；在80 %，90 %，100 %负载下，幅频信号100 Hz处的振动幅值随着变压器负载的增大而增大。

光纤Bragg光栅； 变压器振动信号； 铁芯—绕组； 有限元分析

0 引 言

变压器的振动故障问题对电网的安全运营造成了严重的威胁，及时发现变压器振动的故障趋势，实现变压器振动安全状态的有效识别具有重要的意义[1，2]。在变压器运行时，由于内部结构受到磁滞伸缩效应等影响会发生共振，导致振幅过大，进而可能造成变压器铁芯、绕组松动变形和噪声过大等问题，所以需要对变压器振动信号进行检测[3～5]。Melkebeek J A A和 Vandevelde L提出了一种建模方法，耦合由于电磁力和磁致伸缩产生的电磁和机械现象，通过连续的磁弹性材料描述取得基本的公式和构成法则，然后利用有限元方法达到了模型的数值实现，该方法在计算铁芯形变方面更精确[6，7]；徐方等人通过变压器的实验，对数据进行响应线性度偏差分析及响应幅值分析，得到了应避免刚度较大的测点位置，从而提高监测信号的信噪比[8]。

本文对变压器铁芯—绕组的振动特性进行有限元仿真分析，确定光纤Bragg光栅(optical fiber Bragg grating,FBG)振动传感器针对铁芯—绕组振动监测时的有效位置；以型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压35 kV电力变压器为试验对象，将FBG传感器安装于铁芯—绕组的测点位置，对变压器的振动信号进行检测与分析。

1 FBG传感器检测变压器振动信号原理

针对变压器工作在高压、强磁场环境下的环境特性，选用FBG振动传感器对其进行监测，可以有效抗干扰，提高监测信号的信噪比。FBG振动传感器结构示意图如图1所示。

图1 FBG振动传感器结构示意图

当把传感器固定在待测物体上并随物体一起振动时，质量块、钢管、弹性钢片组成的弹性系统作受迫振动，结果质量块带动钢管、弹性钢片作应变变化，使得粘贴在弹性钢片的两个光纤光栅和弹性钢片一起作应变变化，将导致光纤光栅的中心波长产生相应的变化。

光纤光栅波长与应变变化关系如式(1)所示

(1)

式中Pe为弹光系数，Δλ为由应变引起的光纤Bragg光栅的波长移位，λ为光纤Bragg光栅的中心波长，ε为FBG应变。

弹性系统中加速度与应变的关系

(2)

可得到

(3)

式中 F为质量块受到钢管和弹性钢片作用的弹力和，E为钢管和弹性钢片的弹性模量，d1和d2为钢管的内径和外径，s为弹性钢片的横切面积。式(3)给出了光钎光栅波长改变量与加速度的线性变化关系，通过检测波长的变化即可实现加速度的测量。

2 铁芯—绕组振动特性的振动仿真分析

根据型号为D9—QY—40000/220的电力变压器的实际参数要求，通过ANSYSWorkbench有限元仿真软件进行建模仿真，铁芯—绕组模型如图2所示。

图2 铁芯—绕组模型

变压器的振动是各阶模态振型的复合，且随着阶次的递增，固有频率呈现递增的趋势。然而，载荷的固有频率是比较低的，因此，本文只研究铁芯前三阶的模态特征。铁芯—绕组的前三阶模态特征仿真图如图3、图4、图5所示。

图3 铁芯—绕组的一阶模态特征

图3表示的是铁芯—绕组的一阶模态仿真图。其固有频率为56.768Hz；振动最强的位置在上夹件。

图4 铁芯—绕组的二阶模态特征

图4表示的是铁芯—绕组的二阶模态仿真图。其固有频率为91.676Hz；振动最强的位置在上夹件的上表面左右两侧的4个端角。

图5 铁芯—绕组的三阶模态特征

图5为的是铁芯—绕组的三阶模态仿真图。其固有频率为122.47Hz；振动最强的位置在上夹件。

对比图3、图4、图5的电力变压器铁芯—绕组模型的前三阶模态仿真可以得到，同一状态下不同阶次的模态中，变压器铁芯—绕组相同部位的振幅不一样；同阶模态中，A，C相的振动幅值具有对称性，其余不同位置的振幅基本不相同。铁芯—绕组各阶振型特征参见表1。

表1铁芯—绕组各阶振型特征

模态阶数振幅特征振动位置第一阶最强最弱上夹件、上铁轭以及三相绕组的上部下夹件以及底座 第二阶最强最弱上夹件的上表面左右两侧的4个端角铁芯的下夹件中部以及B相高压绕组第三阶最强最弱上夹件、上铁轭以及三相绕组的上部铁芯的下夹件的中部以及底座

通过比较表1的特征位置，不难发现各阶模态下，铁芯—绕组振动最强的位置主要分布在上夹件的中部和上表面左右两侧的4个端角、三相绕组的上部。该振动强弱分布特征可以为变压器振动情况的实时监测选择最优测点位置提供理论依据。因此，将FBG传感器布设在振动最强的位置，当变压器出现故障时，传感器能够最先检测到变压器振动的变化，从而保证检测效果。

3 变压器铁心—绕组振动信号检测与分析

根据仿真结果在变压器上夹件的中部布置FBG振动传感器，传感器通过检测Bragg波长的变化量来反映振动情况，根据这一特性，利用光纤光栅解调仪对FBG传感器测得的振动信号进行解调，传感系统拓扑图如图6所示， FBG振动传感器在变压器中安装后的现场照片如图7所示。

图6 传感系统拓扑图

图7 现场安装图

通过改变变压器的负载，得到不同负载下变压器的振动信号。在80 %，90 %，100 %负载下，传感系统监测变压器振动信号的时域图及对应的频域图如图8～图10所示。

图8 80 %负载下振动信号时频图

图9 90 %负载下振动信号时频图

图10 100 %负载下振动信号时频图

由图8～图10可以得出，变压器振动信号频率集中在100 Hz及其倍频处，出现这种情况主要是由于变压器供电采用标准50 Hz交流电，由于磁致伸缩的周期恰好是工频电源周期的一半，所以磁致伸缩引起的变压器本体振动及对应的噪声信号以两倍电源频率，即100 Hz为其基频;通过改变变压器的负载，得到不同负载下变压器的振动信号。在80 %，90 %，100 %负载下幅频信号中100 Hz处幅值呈逐渐增大趋势，表明随着变压器负载的增大变压器的振动幅值也在不断增大。

4 结 论

随着电网容量的增加，变压器的振动问题越来越严重。为了避免变压器振动故障问题的出现，减少变压器故障对电网安全的影响，本文利用有限元分析确定FBG振动传感器针对铁芯—绕组振动监测时的有效位置。以型号为S13—12500/35型油浸式无励磁调压35 kV电力变压器为试验对象，将FBG传感器安装于铁芯—绕组的测点位置，对变压器的振动信号进行检测与分析，结果表明:变压器振动信号频率集中在100 Hz及其倍频处，在80 %，90 %，100 %负载下幅频信号中100 Hz处幅值呈逐渐增大趋势，表明随着变压器负载的增大变压器的振动幅值也在不断增大。

[1] 余 涛．电力变压器技术与应用[M]．北京：中国电力出版社，2008：10-15．

[2] 李 凯,赵振刚,蔡 陈,等.光纤Bragg光栅在变压器振动监测中的测点选择[J].光学技术,2015(4):318-321.

[3] 李 彦,梁正桃,李立京,等.基于小波和支持向量机的光纤微振动传感器模式识别[J].传感器与微系统,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 状.针对振动信号的变压器绕组故障诊断及分析方法研究[D].沈阳：沈阳工业大学,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,邵宇鹰,金之俭,等.变压器振动测点位置选择试验研究[J].华东电力,2012,40(2)：274-277.

李 川，通讯作者，博士，教授，博士生导师，从事分布式光纤传感技术，测控技术等研究工作。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

国家自然科学基金资助项目(51567013);昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303004);云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)02—0064—03

高立慧(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为光纤传感技术，数据采集与检测等。