本發(fā)明屬于變壓器安全監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于M-Z干涉儀解調(diào)的變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)背景

現(xiàn)實(shí)情況表明變壓器鐵心和繞組故障占總故障的89％，對(duì)變壓器常規(guī)的離線定期檢修一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是對(duì)繞組和鐵芯壓緊，但是這不僅浪費(fèi)了大量的人力，物力，也給用戶帶來了停電困擾。變壓器的在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。但是尚沒有成熟可靠的對(duì)變壓器鐵芯機(jī)械穩(wěn)定性能的在線檢測(cè)技術(shù)與手段。

通過對(duì)110KV變壓器歷年的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，影響變壓器鐵心振動(dòng)大小的因素有：緊固螺母發(fā)生松動(dòng)、鐵芯軸向壓緊變松、硅鋼片發(fā)生松動(dòng)、硅鋼片的自重使鐵芯發(fā)生彎曲變形、鐵芯存在多點(diǎn)接地的故障、硅鋼片振動(dòng)破壞了其表面的絕緣涂層等。這些變壓器鐵芯故障都會(huì)直接導(dǎo)致或者間接導(dǎo)致變壓器鐵芯的振動(dòng)加劇，并且通過對(duì)變壓器鐵芯各種常見故障建模仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)的頻率幾乎都是分布在兩倍基頻100HZ以及200HZ、300HZ、400HZ等這樣整百頻率處，并且頻率越高其幅值越小，1000HZ處幾乎接近零，所以一般認(rèn)為變壓器鐵心振動(dòng)的頻率分布在100-1000HZ處。通過建模仿真，發(fā)現(xiàn)變壓器不同的鐵芯故障在振動(dòng)頻率及幅值分布上都不一樣，鐵芯的各處振動(dòng)信號(hào)也各不相同。給傳感器的安裝位置選擇與鐵芯故障診斷提供參考。

現(xiàn)有的對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)研究甚少，并且?guī)缀醵际窃谧儔浩髌魃硗獗谏希捎谧儔浩鲀?nèi)部各部分均有振動(dòng)發(fā)生，導(dǎo)致傳輸?shù)阶儔浩髌魃砩系母鞑糠终駝?dòng)信號(hào)無法完全區(qū)分開，并且振動(dòng)信號(hào)在變壓器內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中傳輸衰減情況目前缺少理論分析，因而不能反映其真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)。

已有的專利或文獻(xiàn)大多沒有考慮溫度—應(yīng)變交叉敏感問題，因而測(cè)量精度受到嚴(yán)重影響。為了解決溫度—應(yīng)變交叉敏感問題，需要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，本專利在每個(gè)傳感器內(nèi)部串聯(lián)一個(gè)不同中心反射波長的光纖光柵，并一起進(jìn)行金屬密封封裝。進(jìn)而可以進(jìn)行傳感器的溫度補(bǔ)償，解決光纖光柵本身交叉敏感問題。

光纖光柵的波長解調(diào)方法常用的有光譜儀檢測(cè)法、邊緣濾波器法、匹配光柵法、可調(diào)諧濾波器法等。各種常見的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)比較如下表所示。

各種常見的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)比較

從上表對(duì)各方法的分析、比較可以看出：光譜儀價(jià)格昂貴，體積大，掃描周期較長導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間較長，不適合變壓器鐵芯振動(dòng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量；至于邊緣濾波器法，因?yàn)闉V波器波長范圍有限，并且光源穩(wěn)定性容易影響測(cè)量結(jié)果，因此測(cè)量范圍和精度均受到限制；匹配光柵法的本質(zhì)與邊緣濾波器法類似，存在同樣的不足之處；使用可調(diào)諧濾波器法，濾波器調(diào)諧過程中的非線影響動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，且調(diào)諧的頻率通常不會(huì)太高，不適合變壓器鐵芯振動(dòng)的頻率范圍。

鑒于以上分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)干涉法的應(yīng)變分辨率最高，滿足變壓器鐵芯因磁致伸縮導(dǎo)致的微小的振動(dòng)應(yīng)變。干涉法動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，又滿足檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)頻率和動(dòng)態(tài)范圍的要求，非常適合于M-Z干涉儀解調(diào)的光纖光柵的解調(diào)方法。干涉法，即利用光波的相干性，將光纖光柵的波長信息編碼轉(zhuǎn)換成相位編碼，這種方法具有很高的精度和分辨率，特別適合于高分辨率動(dòng)態(tài)傳感信號(hào)的檢測(cè)。本發(fā)明率先使用非平衡馬赫曾德爾(M-Z)干涉儀對(duì)在線運(yùn)行的110KV電力變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行干涉解調(diào)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明提出并介紹了依附在變壓器鐵芯夾件上的光纖光柵振動(dòng)加速度傳感器直接測(cè)變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)，該方法以一種與變壓器完全無電氣連接的方式對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用了光纖抗電磁干擾、絕緣性好、體積小、不導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。因此將光纖傳感器作為變壓器鐵心在線監(jiān)測(cè)的敏感元件具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種基于M-Z干涉儀解調(diào)的變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，采用基于M-Z干涉儀解調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)在線運(yùn)行的110KV變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，在對(duì)110KV變壓器鐵芯各種常見故障進(jìn)行建模仿真計(jì)算基礎(chǔ)上，將光纖光柵傳感器附著到變壓器內(nèi)部的鐵芯相應(yīng)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器鐵芯振動(dòng)的直接監(jiān)測(cè)；具體變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：SLED的寬帶光源、光纖耦合器、六路并列的光柵陣列、非平衡M-Z干涉儀、16通道波分復(fù)用器、光電探測(cè)器和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)；其中，光纖耦合器分別連接寬帶光源、六路并列的光柵陣列和非平衡M-Z干涉儀；非平衡M-Z干涉儀與16通道波分復(fù)用器、PIN光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)串聯(lián)；

所述六路并列的光柵陣列為6路封裝成整體的光纖光柵傳感器，即在每個(gè)光纖光柵傳感器的同根光纖上串聯(lián)中心反射波長不同的光纖光柵FBG；每個(gè)封裝成整體的光纖光柵傳感器內(nèi)部串聯(lián)兩個(gè)光纖光柵FBG，一個(gè)為振動(dòng)加速度傳感器，另一個(gè)是為溫度補(bǔ)償而設(shè)的光纖光柵；光纖光柵傳感器將變壓器鐵心振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵中心反射波長的變化信號(hào)，經(jīng)過非平衡M-Z干涉儀后將波長的變化信息變?yōu)橄辔蛔兓畔?；最終用PIN光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理及參數(shù)標(biāo)定，得到變壓器鐵芯監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)信號(hào)。

所述非平衡M-Z干涉儀的輸出端利用波分復(fù)用器將不同測(cè)點(diǎn)的中心反射波長區(qū)分開，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)的處理與監(jiān)測(cè)功能。通過對(duì)變壓器鐵芯的有限元計(jì)算分析，建立變壓器各種故障模型，近而對(duì)各種變壓器故障下鐵芯的振動(dòng)信號(hào)的特征進(jìn)行對(duì)比分析，并且結(jié)合實(shí)際電力變壓器正常運(yùn)行時(shí)鐵芯振動(dòng)情況，用來作為變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的參考與報(bào)警閾值設(shè)定；這樣，實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷；選擇鐵芯上各種故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)特征量變化明顯的點(diǎn)。

所述16通道波分復(fù)用器是利用各測(cè)點(diǎn)光纖光柵傳感器的中心反射波長的不同與光纖傳輸傳感信號(hào)的波分復(fù)用功能實(shí)現(xiàn)鐵芯多測(cè)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)以及從測(cè)點(diǎn)端到信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)端的信號(hào)傳輸系統(tǒng)布線簡易化；通過M-Z干涉儀的解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵芯上多測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)干涉解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵芯的振動(dòng)信號(hào)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度測(cè)量。

一種基于M-Z干涉儀解調(diào)的變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括：

1)在變壓器鐵芯上選擇出合適的光纖光柵傳感器安裝點(diǎn)，得到變壓器在各種故障下鐵芯各點(diǎn)處的振動(dòng)狀態(tài)，利用有限元分析計(jì)算對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行建模分析；分析單個(gè)硅鋼片隨交變電磁場(chǎng)而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變狀況；進(jìn)而得到變壓器鐵芯3D模型上任何一點(diǎn)隨著電壓、磁場(chǎng)密度、溫度和鐵芯壓緊程度的變化時(shí)的振動(dòng)幅度與頻率；

2)搭建非平衡M-Z干涉儀

非平衡M-Z干涉儀由兩個(gè)1×2的光纖耦合器以及在二者之間并聯(lián)兩段不等長的單模光纖構(gòu)成；該兩段不等長的單模光纖作為非平衡M-Z干涉儀進(jìn)行相干光干涉的上下臂，所有光纖光柵中心反射波長通過非平衡M-Z干涉儀上下臂后在第二個(gè)光纖耦合器處能各自干涉，干涉條紋互不相關(guān)，并且要和非平衡M-Z干涉儀輸出端的16通道波分復(fù)用器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能；

3)非平衡M-Z干涉儀出來的干涉光信號(hào)直接接入16通道波分復(fù)用器進(jìn)行解復(fù)，利用其中的12路將反射回來攜帶的傳感信息以及溫度補(bǔ)償信息的12個(gè)光纖光柵傳感器經(jīng)過非平衡M-Z干涉儀與16通道波分復(fù)用器解復(fù)后分開，在解復(fù)用器輸出的每一路后面再分別接入PIN光電轉(zhuǎn)換器，對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

所述所有光纖光柵中心反射波長要與波分復(fù)用器的每個(gè)輸出通道吻合；其次所選的每一個(gè)光纖光柵的中心反射波長在通過干涉儀上下臂后形成的光程差∠相干長度，以滿足形成干涉的條件；因此所搭建的非平衡M-Z干涉儀解調(diào)系統(tǒng)上下臂的長度差的選擇非常重要。

所述非平衡M-Z干涉儀上下臂的長度差在綜合考慮:光纖光柵中心反射波長能各自干涉、干涉條紋互不相關(guān)、在通過非平衡M-Z干涉儀上下臂后形成的光程差∠相干長度和滿足形成干涉的條件后，設(shè)計(jì)并搭建出非平衡M-Z干涉儀上下臂長度差為2mm，滿足所選光纖光柵攜帶的傳感信息都能在同一個(gè)非平衡M-Z干涉儀中同時(shí)干涉。

所述變壓器的各種故障為變壓器短路、斷路、鐵芯多點(diǎn)接地、硅鋼片彎曲變形和鐵芯壓緊松動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的依附在變壓器鐵芯夾件上的光纖光柵振動(dòng)加速度傳感器直接測(cè)變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)，該方法以一種與變壓器完全無電氣連接的方式對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用了光纖抗電磁干擾、絕緣性好、體積小、不導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。因此將光纖傳感器作為變壓器鐵心在線監(jiān)測(cè)的敏感元件具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1為110KV變壓器鐵芯振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)與解調(diào)系統(tǒng)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于M-Z干涉儀解調(diào)的變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以說明。

圖1所示為110KV變壓器鐵芯振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)與解調(diào)系統(tǒng)圖。

圖中所示變壓器鐵芯振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：SLED的寬帶光源、光纖耦合器、六路并列的光柵陣列、非平衡M-Z干涉儀、16通道波分復(fù)用器、光電探測(cè)器和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)；其中，光纖耦合器分別連接寬帶光源、六路并列的光柵陣列和非平衡M-Z干涉儀；非平衡M-Z干涉儀與16通道波分復(fù)用器、PIN光電轉(zhuǎn)換器和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)串聯(lián)。該系統(tǒng)采用基于M-Z干涉儀解調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)在線運(yùn)行的110KV變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，在對(duì)110KV變壓器鐵芯各種常見故障進(jìn)行建模仿真計(jì)算基礎(chǔ)上，將光纖光柵傳感器附著到變壓器內(nèi)部的鐵芯相應(yīng)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器鐵芯振動(dòng)的直接監(jiān)測(cè)。

實(shí)施例

本發(fā)明通過對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行簡化建模，在電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合作用下計(jì)算變壓器鐵芯3D模型各點(diǎn)的受力及應(yīng)變狀況。選擇合適的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。模擬變壓器鐵芯各種常見故障下振動(dòng)信號(hào)的特征量。作為后續(xù)鐵芯故障識(shí)別的判據(jù)以及報(bào)警系統(tǒng)閾值設(shè)定的參考。

1.變壓器鐵芯建模仿真與監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇，在有限元分析的基礎(chǔ)上選擇變壓器鐵芯夾件為振動(dòng)加速度傳感器安裝點(diǎn)，通過焊接的方法連接傳感器密封封裝的金屬外殼與鐵芯夾件；

本發(fā)明是關(guān)于對(duì)110kv變壓器鐵芯振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)，為了在變壓器鐵芯上選擇出合適的傳感器安裝點(diǎn)，需要得到變壓器在各種故障下鐵芯各點(diǎn)處的振動(dòng)狀態(tài)。因而，利用有限元分析計(jì)算對(duì)變壓器鐵芯進(jìn)行建模分析。利用硅鋼片在電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合作用下，分析單個(gè)硅鋼片隨交變電磁場(chǎng)而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變狀況；綜合考慮利用這種硅鋼片材料的熱力學(xué)模型分析隨著溫度的升高，變壓器鐵芯的應(yīng)變情況等。進(jìn)而得到變壓器鐵芯3D模型上任何一點(diǎn)隨著電壓、磁場(chǎng)密度、溫度，鐵芯壓緊程度等因素變化時(shí)的振動(dòng)幅度與頻率。也即變壓器鐵芯常見的故障下(變壓器短路、斷路、鐵芯多點(diǎn)接地、硅鋼片彎曲變形、鐵芯壓緊松動(dòng)等)變壓器鐵芯各點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)。

基于以上的建模仿真得到的變壓器鐵芯在各種故障下的振動(dòng)狀態(tài)，綜合選取振動(dòng)基頻(100HZ)信號(hào)響應(yīng)好、幅值高、在各種常見故障的不同故障程度基頻與各高次諧波存在明顯特征差異的點(diǎn)，作為我們對(duì)變壓器鐵芯振動(dòng)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)，也即傳感器的安裝位置?？紤]到傳感器外殼與變壓器的絕緣，并且不應(yīng)影響變壓器正常運(yùn)行。因此將加速度傳感器安裝在變壓器的鐵芯的夾件上。

經(jīng)建模仿真與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)比較合適，每個(gè)測(cè)點(diǎn)由三個(gè)光纖光柵傳感器(測(cè)量振動(dòng)加速度的傳感器)構(gòu)成，其中心反射波長分別不同；每個(gè)封裝成整體的光纖光柵傳感器內(nèi)部串聯(lián)兩個(gè)光纖光柵FBG，一個(gè)為振動(dòng)加速度傳感器，另一個(gè)是為溫度補(bǔ)償而設(shè)的光纖光柵，一共六路；每路都有一個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，將兩個(gè)測(cè)點(diǎn)、一共六路光纖耦合進(jìn)同一根光纖，將這根光纖在變壓器頂部的法蘭盤上引出，接入搭建好的非平衡M-Z干涉儀的一端。非平衡M-Z干涉儀的另一端接到1×16的波分復(fù)用器的一端，出來的12路波長信息，每一路后面接PIN光電裝換器。再接入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(如圖1所示)。

系統(tǒng)中使用了一個(gè)中心波長為1310nm、高穩(wěn)定、低相干度、譜寬為80nm的SLED的寬帶光源。光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB的1×6光纖耦合器后進(jìn)入一個(gè)六路并列的光柵陣列，寬帶光源的光同步同頻的掃描每個(gè)光纖光柵，變壓器振動(dòng)狀況將通過光纖光柵的中心反射波長變化體現(xiàn)出來。攜帶傳感信息的光纖光柵反射光再次經(jīng)過相同的耦合器后同時(shí)進(jìn)入到非平衡M-Z干涉儀(Mach·Zelmder interferometer馬赫一曾德爾干涉儀).對(duì)于任一光纖光柵的中心反射波長信號(hào)在進(jìn)入非平衡M-Z干涉儀第一個(gè)1×2光纖耦合器后按照嚴(yán)格的分光比1：1，進(jìn)入上下臂長差為2mm的非平衡M-Z干涉儀，對(duì)于任一波長的信號(hào)而言都會(huì)產(chǎn)生恒定的相位差，以滿足發(fā)生干涉的條件，同時(shí)，非平衡M-Z干涉儀能滿足所選的光纖光柵中心反射波長發(fā)生干涉；因此，相干光在非平衡M-Z干涉儀第二個(gè)1×2光纖耦合器處發(fā)生干涉，得到干涉后的信號(hào)，干涉信號(hào)的相位變化體現(xiàn)出光纖光柵中心反射波長變化情況；非平衡M-Z干涉儀輸出端也即第二個(gè)1×2光纖耦合器的輸出端接一個(gè)上述所選的16通道波分復(fù)用器(DWDM)，利用其解復(fù)用功能，將干涉儀輸出的不同波長光信號(hào)分開，從與其匹配好的12路輸出得到所有光纖光柵各自的傳感信息。然后在每一路后面接相同的光電轉(zhuǎn)換器(PIN)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，以便后續(xù)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集與處理，最終得到變壓器振動(dòng)信號(hào)；與有限元計(jì)算得到的變壓器鐵芯各種常見故障的特征量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)變壓器鐵芯的異常振動(dòng)作出識(shí)別與故障診斷。