埋入式FBG振动传感器在变压器铁芯-绕组振动检测中的应用

埋入式FBG振动传感器在变压器铁芯-绕组振动检测中的应用徐智超;李凯;赵振刚;李英娜;李川
【摘要】Acquisition transformer vibration signal can predict and diagnose the operating state of the transformer. Through fi-nite element analysis of transformer core-winding model, the first three natural frequencies are 70.807 Hz, 142.59 Hz and 163.73 Hz. According to the modes of analysis, the sensor should be laid on top of the core. According to the harmonic response signal analysis, transformer core-winding model has two sensitive direction of vibration. Two fiber Bragg grating vibration sensor were buried in the upper part of the core within the transformer.Detected vibration signal was embedded when the transformer load was in operation. And then the two groups collected by JADE algorithm were signal source separated, vibration signal of core and windings were obtained .%直接采集变压器振动信号可以对变压器的运行状态进行预测与诊断.通过对变压器铁芯-绕组模型的有限元分析计算,得到铁心-绕组前三阶固有频率为70.807,142.59,163.73 Hz,通过对于振型的分析得到应将传感器布设于铁心顶部,通过对于谐响应信号的分析得到变压器铁芯-绕组模型有2个振动的敏感方向.在变压器内铁芯上端埋入了2支光纤Bragg光栅振动传感器,测得变压器负载运行下的振动信号.再通过JADE算法将2组负载信号进行盲源分离,分别得到了铁心和绕组的振动信号.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】4页(P107-110)
【关键词】变压器振动;光纤布拉格光栅;盲源分离;JADE算法;埋入式
【作者】徐智超;李凯;赵振刚;李英娜;李川
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650500;昆明理工大
学信息工程与自动化学院,云南昆明 650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650500;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650500;昆明理
工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650500
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
变压器中的设备运行状态的各种信息都包含在变压器振动信号中，所以振动信号的特征将可以反映设备的运行状态是否正常［1－2］。

在电力变压器的运行中，铁
心与绕组是产生故障的主要原因，同时也是产生振动的主要原因［3－4］。

针对
电力高压领域，相比传统的振动检测方式，光纤Bragg光栅传感器本质安全，具
有抗电磁干扰、耐腐蚀、易于分布式的优势，可以将其直接埋入在变压器内部的铁芯和绕组上，实现对铁心和绕组振动信号的更为直接的在线监测［5］。

Garcia和Burgos等人对通过时频转换方法将变压器振动信号转换到频域，对振动信号幅值、相位进行分析，发现得到振动信号主要集中在电网基本频率的2倍，并发现绕组
振动信号同电流的平方成正比，铁心振动信号和电压的平方成正比［6－8］。

本文分析了铁心与绕组的振动机理及产生振动的原因，建立变压器模型，分析变压器的固有模态，得到变压器的有利测点。

并根据光纤光栅特性选择光纤Bragg光
栅振动传感器，并对传感器进行分析测试。

最后对运行中的变压器进行测试，采集数据进行时频转换和JADE分离，获得铁心及绕组振动信号。

变压器的振动主要是由于其内部的铁芯和绕组振动造成的。

其中磁滞伸缩现象是引发铁芯振动的主要原因，因漏磁和电流互相作用而造成的电动力是绕组线圈振动的原因。

首先分析变压器铁芯－绕组的振动特性。

建立了三轴电力变压器的铁心及铁心－绕组模型，然后分别对模型进行模态分析，在此基础之上进行谐响应分析。

得到绕组及铁心－绕组模型的固有模态、振动波形，确定光纤Bragg光栅振动传感器针对绕组及变压器整体振动监测时的有效位置。

铁芯－绕组模型在变压器运行过程中必然固定于地面，可以视其为下表面固定，所以对铁心下表面3个方向全部进行约束。

对其进行约束后的模型如图1所示。

通过对三轴电力变压器铁心－绕组模型的模态仿真，结果如图中2所示，可以得到铁心－绕组的前三阶固有频率，分别为 70.807，142.59，163.73 Hz。

当外界振动频率达到一阶固有频率时，其振型如图2（a）所示，发生前后方向的摆动振动，变形从上到下由大到小分布；当外界振动频率达到二阶固有频率时，其振型如图2（b）所示，发生左右方向的摆动振动，变形由顶部四周向底部中间由大到小分布；当外界振动频率达到三阶固有频率时，其振型如图2（c）所示，发生以底面为基础的扭动振动，变形在顶部四周分别横向和纵向由大到小扩散分布。

由振型可见顶模型端较为敏感，在模型顶端施加不同分析的力，以便对其顶端特性进行分析并获取更为明显的信号。

如图3（a）所示，施加Z方向力。

那么在Z方向的位移幅值随频率发生变化，在71，164 Hz附近产生幅值突变。

如图3（b）所示，施加X方向力，那么在X方向的位移幅值随频率发生变化，在143，164 Hz附近产生幅值突变。

如图3（c）所示，施加Y方向力，那么在Y方向的位移幅值随频率发生变化，基本为线性上升的趋势没有出现Y方向共振情况。

通过对图3分析可以发现，铁心－绕组模型在前三阶响应频率上具有相对较大的幅值，而它们所处于的方向为Z方向及X方向，所以在布设传感器过程中应该关注这两个方向。

铁芯振动加速度信号的频率主要集中在100～500 Hz。

而绕组的振动信号特点是
主要集中在100 Hz，200～500 Hz分量相对较小。

选用一种典型光纤光栅加速度传感器，如图4所示，它主要由光纤光栅FBG1、FBG2、钢管、质量块m、弹性钢片1、弹性钢片2组成。

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2个光纤光
栅和弹性钢片一起作应变变化，将导致光纤光栅的波长产生相应的变化。

根据光纤光栅波长与应变变化关系式：
式中：λ为光纤Bragg光栅的中心波长；Pe为弹光系数，Pe＝0.22；Δλ 为由应
变引起的光纤 Bragg光栅的波长移位；ε为光纤Bragg光栅应变。

弹性系统中加速度与应变的关系为
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。

可得到：
式（3）给出了光纤光栅波长改变量与加速度的线性变化关系。

根据式（2）可得到钢管的弹性系数为
由此得到系统无阻尼谐振频率：
本光纤Bragg光栅振动传感器实物如图5所示，传感器下方具有一M8螺丝接口，可以通过此接口与振动台等其他设备相连接。

采用单边引出光纤，可与高速解码仪想连接对振动信号进行解码。

在0.3g的加速度下，每10 Hz进行测试描点其结果如图6所示。

通过多次重复性实验，基本稳定，工作频率在50～550 Hz范围内，符合对变压器进行监测的要求。

根据有限元分析结果，分别将1号和2号光纤Bragg光栅振动传感器按照2个敏
感方向埋入变压器内部铁心顶部的硅钢片处以获取更大的振动信号。

其布设点的选择如图7（a）所示。

实际安装如图7（b）所示。

在传感器安装完成后，将光纤Bragg光栅振动传感器的一端光纤从变压器内部引出，连接光纤Bragg光栅高速解调仪，高速解调仪内部主要包括高速解调模块、光开关、电源等。

通过解调仪连接到电脑中的上位机，通过上位机采集数据，并将采集到的数据中的100 Hz以下的微弱信号进行滤波，方便下一步的信号处理与分析。

1号传感器采集的振动信号如图8所示，在时域方面可以发现其振动的加速度幅值从－1～0.9 m／s2往复振动，其余信息比较杂乱，难以获取，经过FFT转换后的幅频谱图如图8（b）所示。

由图可知，传感器所获得的信号在100 Hz的基频处具有较大幅值，分析应该是由于铁心与绕组振动相互混叠造成的。

同时可以发现在200，400 Hz 2个频率值上幅值也比较大，而300，500 Hz 2个频率值上幅值较小。

分析认为由于绕组等部分的振动和铁心产生的振动相互影响融合，所以传递至铁心顶部的信号依然比较混杂。

2号传感器的振动信号如图9所示，在时域方面可以发现其振动幅值在－0.8～0.9 m／s2往复振动，其余信息比较杂乱，难以获取，经过FFT转换后的幅频谱图如图9（b）所示。

由图可知，传感器所获得的信号在400 Hz的基频处具有较大信号。

同时可以发现在100 Hz频率值上幅值也比较大，分析应该是由于铁心与绕组振动相互混叠，所以在其基频处具有较大幅值。

而300，400，500 Hz 3个频率值上幅值较小。

这是由于绕组等部分的振动和铁心产生的振动相互影响融合，所以传递至铁心顶部的信号依然比较混杂。

传感器直接采集的信号是绕组合铁芯混杂在一起的振动信号。

通过盲源分离中的JADE算法可以有效对信号进行分离。

1号传感器信号进行盲源分离后的频域转换如图10所示，可以发现，其在100，200，500 Hz 3个频率上的幅值相差不大，
其在基频300 Hz频率上幅值较大，但是信号幅值大小并不突出，而最大的幅值出现在400 Hz频率上。

由于铁芯的振动以100 Hz为基频，其振动加速度信号的频率主要集中在100～500 Hz。

所以可以近似将分解信号1视为铁心振动信号。

对于图11即分解信号2频域图可以发现，振动信号在100 Hz频率上幅值最大，而在其余频率点上的频率幅值均较小。

由于前面提到过的，绕组振动信号基本上集中在基频l00 Hz和高次谐波处，且主要集中在100 Hz处，在200～500 Hz分量比较小，所以可以近似将分解信号2视为绕组振动信号。

本文分析计算了电力变压器铁芯－绕组的振动特点，将2支光纤Bragg光栅振动传感器按照2个敏感方向直接埋入在变压器内部铁芯上端的硅钢片上，直接采集
到了变压器带负载运行时铁芯－绕组的振动信号，再通过JADE算法对采集到的信号进行盲源分离，采集到铁芯的振动信号在100，200，500 Hz 3个频率上的幅
值相差不大，其在基频300 Hz频率上幅值较大，但是信号幅值大小并不突出，而最大的幅值出现在400 Hz频率上。

绕组的振动信号在100 Hz频率上幅值最大，而在其余频率点上的频率幅值均相对较小。

【相关文献】
［1］ WEISER B，PFUTZNER H.Relevance of magnetostricyion and forces for the genetation of andible noise of transformer cores［J］.IEEE Trans.on Mag.，2000，36（5）：3759－3777.
［2］王晓莺.变压器故障与检测［M］.北京：机械工业出版社，2004.
［3］张雪冰.变压器油箱振动功率流与绕组故障非电量监测方法研究［D］.上海：上海交通大学，2009.
［4］ KENDING R P，WRIGHT S E.Validation of Acoustic Inten⁃sity Measurements for Power Transformers［J］.IEEE Trans⁃actions On Power Delivery，1991，6（4）： 1524－1630
［5］汲胜昌，程锦，李彦明.油浸式电力变压器绕组与铁心振动特性研究［J］.西安交通大学学报，2005，39（6）：616－619.
［6］汲胜昌，李彦明，傅晨钊.负载电流法在基于振动信号分析法监测变压器铁心状况中的应用［J］.中国电机工程学报，2003，23（6）：154－168.
［7］ MELTZ G，MOREY W W，GLENN H.Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method［J］.Opt.Lett.，1989，14（15）：823－825.
［8］王洪方，王乃庆，李同生.大型电力变压器绕组轴向稳定性问题的研究状况［J］.电网技术，1999，23（4）：8－10.。