一种用于电气设备状态监测的新式FBG传感器

王英永

(山东工业职业学院电气工程学院,山东 淄博 255000)

1 引 言

变压器作为常见的电气设备,对输变电控制具有重要作用,当其发生故障时会导致停电、失火等风险,故其运行参数对电力系统稳定性和可靠性有重要影响[1]。所以,对设备状态参数的实时监测有利于系统的正常运行及风险防范。

通常造成变压器机械损伤的主要原因是高电磁力,由变压器绕组中产生的强烈电流引起,这种情况导致在短时间内产生巨大的电动势,使机械变形或绕组损坏[2]。例如绕组由于轴向力和径向力引起的绕组变形而产生的轴向位移、弯曲或倾斜。因此,了解短路时绕组的受力大小对设计合适的机械结构具有重要意义。传统应力传感器往往将应力转化为电能测量,而对于存在高压及强电场的变压器而言就不再适用了。相比之下,光纤传感器具有不受电磁干扰的重要优势,可以很好地应用于具有强磁场特性的,同时,光纤结构小巧可以轻松与变压器中绕线匹配。由此可见,采用光纤传感器实现对变压器绕线变形的检测是十分适用的。

目前国内外采用光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)[3-6]传感器应用于电气设备的诸如:Chen等人[7]采用FBG网络完成了变压器内部温度的实时检测,测温精度优于0.5 ℃；Ribeiro等人[8]完成了多光纤传感器组网条件下的温度场重建,实现了变压器主体温度场的可视化；Kung等人[9]将FBG应用于大型变压器设备中的放电监测中,通过回波中的峰值抖动完成对放电过程的定性分析；Kuhn等人[10]将FBG安装于变压器内部的铁芯上,完成了对铁芯应变的在线测试。但相关文献主要集中温度监测和敏感结构的应力监测方面,针对具体变压器故障的应用研究较少。

本文侧重监测绕组变压器中由于短路或涌流现象产生的静动压,将FBG传感器封装置由变压器专用纸板中,并设计了内置圆锥形空腔结构,利用集中有效应力的方式提高系统灵敏度。最终,达到实时监测设备工作状态的目的。

2 系统组成

对电气设备状态的监测主要是对结构静动压的实时检测,从而分析设备运行是否正常。本文设计一种新式的FBG变形传感器,将其分别插入变压器绕组结构的顶部和底部,为了便于安装可以将其放置于变压器外绕组与外结构相接位置处,如图1所示。安装完毕后仅需标定初始波长就可实现数据的采集与分析。

由于解调系统可以同时完成多个FBG的数据采集,而光纤在几公里的传输距离内损耗可以忽略不计,所以,可以通过一套解调系统完成整个变电站大量变压器的状态监测。当同一个跟光纤上FBG数量受到带宽限制时,采用1×N型多路光开关完成分时扫描即可实现大量FBG传感器数据的获取。

在实际测试过程中,由于罐体外部会存在明显的温度变化,所以需要对其进行温度与应变解耦,解耦方法采用温度补偿标定法,在测试应力场的FBG位置安装相同型号的FBG探测器,但将其固定于空腔结构外侧(如图1中标注),使其不受罐体应力影响,仅受温度影响。将该FBG测试得到的波长偏移量作为温度补偿给腔体内的应力监测FBG,就能够达到温度与应力的解耦效果。

图1 基于新式FBG传感器的变压器绕组结构应力状态监测系统

3 新式FBG传感器设计

3.1 基本原理

由于力是相互作用的,夹具与装配件之间力是大小相同方向相反的,故获取夹具上关键位置的应力分布就能够分析装配件的受力模式[11]。对于FBG而言,设测试环境温度恒定,则解调可得第i个FBGi测试波长变量为:

ΔλB|i=λB|i·(1-Pε)·εi

(1)

其中,λB|i表示第i个FBG的中心波长值；εi表示第i个FBG位置上的应变；Pε为弹光系数。根据胡可定律[12],应力与应变之间的函数可以表示为:

(2)

其中,E表示弹性模量；I表示惯性矩,本系统针对钢材结构,故取E=210 GPa,I=16.62×106mm4；x表示测试位置；l表示施力点到微元的边界位置。由式(1)和式(2)联立可知,当已知FBG粘贴的位置时,即测试位置x为已知量,则可以通过测试FBGi的波长变量解算对应位置的受力值。并在此基础上,构建位置修正参数矩阵与修正系数之间的关系有:

(3)

其中,C1,C2,…,Ci表示修正系数；L1,L2,…,Li表示夹具控制单元对夹具位置的修正值,其中,j=x,y,z,表示三个轴向的修正值分别由修正系数与波长变量矩阵计算得到。由此,实现对装配过程的在线实时修正。

3.2 结构设计

由于该FBG应力传感器应用于变压器中,故外封装采用专用工程材料聚醚醚酮板(Poly-Eether-Ether-Ketone,PEEK)[13]制作,结构及实物如图2所示。

图2(a)表示其外部尺寸为L×L×H、L=15 cm,H=5 cm,将其从中间抛开,内部有一个圆锥空腔,圆锥底面面半径R=5 cm、锥高h=2 cm,空腔中心位置黏贴FBG。图2(b)表示按照该尺寸加工的PEEK材质新式FBG传感器,两段为传输光纤,内置加载预应力的FBG。在此测试中,该传感器测量每一个变压器绕组的暂态电流所产生的力的轴向分量,传感器以垫片的形式放置在绕组中。

4 仿真分析

由于该传感器安置于绕组之间,上下表面与结构体的接触方式与垫片相似,故受力过程可以近似为面施力,根据拟监测的涌流静动压范围将仿真应力范围设定为100～1000 N,材料密度为1320 kg/m3(PEEK的密度[14]),在此基础上完成对该传感结构的静态压力载荷测试,ANSYS仿真结果如图3所示。

由仿真图像可以看出,施加在顶部的面应力在整个传感器上部的应力分布均匀,故整体形变量不大,但由于采用了圆锥空腔结构,使其在两部分粘合部位出存在明显的应力集中区域,这样的结果会使原有的面应力被集中加载与空腔圆锥底面圆的圆周线上,从而形成对FBG中心位置的拉伸效果。对于FBG而言,这种拉伸作用产生的应变效应十分敏感,很容易被测试,并构建中心波长偏移与应变量之间的函数,进而完成对结构体应力变化的反演。同时,从仿真体的俯视图中可知,空腔圆锥的底面圆行结构保障了FBG的轴向无论如何布设只要经过圆心就能获得最佳的拉伸效果,有效地保障了测试灵敏度。当压力增加到1000 N时,应变分布与偏移量分布位置均未发生改变仅强度增大,可知,通过测量中心位置处FBG的回波值就能够反映该线性变化关系。

5 实 验

5.1 静载实验

系统采用LPT-101型调谐激光器,JH-D2型解调仪,FBG采用应力预紧型封装结构,如图4(a)所示。为了模拟在实际变压器绕组中的挤压形式,在传感器上放置了木质垫片,再通过压力臂完成定额施压,如图4(b)所示。

压力范围100 N至1000 N,通过分析中心波长偏移量反演变压器结构体所承受的应力场分布。从100 N开始,每增加100 N记录一次中心波长值,然后绘制应力波长曲线(×标注)；当到达1000 N时,每减小100 N记录一次中心波长值,然后绘制应力波长曲线(+标注),测试结果如图5(a)所示,为了保证系统测试范围符合设计需求,还完成了1000 N到5000 N的测试结果,如图5(b)所示。

实验结果显示,在不同测试区间中,应力与波长均可较好地满足线性关系,通过增加与减小施力值验证了测试结果的可重复性。依据测试数据计算得到的不同条件下波长偏移关于应力的拟合函数,有:

(4)

根据上式波长与应力范围计算可得,100 N

5.2 动态冲击实验

由于自由落体重物撞击传感器与电流冲击线圈产生的冲击力都属于脉冲力,故在动态冲击实验中,采用1.0 kg的重物分别从10 cm、20 cm、30 cm和40 cm高处落下模拟电流冲击线圈时产生的冲击力,每个高度测试10次取平均值,撞击时传感器中FBG中心波长发生偏移,再通过分析波长偏移程度解算系统的动态冲击的响应能力及分辨精度。则4个不同高度的撞击测试曲线如图6所示。

图6 不同高度测试得到的FBG响应结果

由图6可知,不同高度h下落物体造成的冲击力产生的波长响应不同,10～ 40 cm的波长偏移量分别是215 pm、435 pm、757 pm和1128 pm；其响应时间的半宽分别为4.38 ms、3.25 ms、2.14 ms和1.12 ms。通过Torricelli方程[15]计算以上四种情况的冲击力分别为143.1 N、286.4 N、512.3 N和752.9 N,再结合测试得到的波长偏移量就能够拟合出系统的平均冲击响应灵敏度为1.499 pm/N。从响应时间可以看出,随着冲击力的增大,响应时间持续减小,若采用时间分辨的手段完成脉冲力分析,要求系统采样速率优于1 kHz,从而保证波长随时间变化的细节可以被完全捕获。

6 结 论

本文研制了一种用于监测绕组变压器静、动态压力的新式FBG传感器。为了适应电气设备实际工作环境,采用聚醚醚酮材料封装,为了获得稳定且灵敏的应变响应效果,采用圆锥空腔的结构形式。通过仿真计算分析了结构设计的合理性,通过实验测试验证了传感器能够对静态载荷与动态冲击定量分析。综上所述,本传感器结构可应用于绕组变压器等存在强电场环境的各类电气设备中,实现电气设备状态的实时监测,具有很好的应用前景。