CN106500822A - 基于m‑z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于变压器安全监测技术领域的一种基于M‑Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统。该系统的光纤耦合器分别连接SLED的宽带光源、六路并列的光栅阵列和非平衡M‑Z干涉仪；非平衡M‑Z干涉仪与16通道波分复用器、PIN光电转换器和信号采集与处理系统串联；本发明采用基于M‑Z干涉仪解调系统来实现对在线运行的变压器铁芯振动信号进行解调，在变压器铁芯各种常见故障进行建模仿真计算基础上，将光纤光栅传感器附着到变压器内部的铁芯相应点上，实现对变压器铁芯振动的直接监测；利用了光纤抗电磁干扰、绝缘性好、体积小、不导电等优点。因此将光纤传感器作为变压器铁心在线监测的敏感元件具有独特的优势。

Description

基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统

技术领域

本发明属于变压器安全监测技术领域，特别涉及一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统。

技术背景

现实情况表明变压器铁心和绕组故障占总故障的89％，对变压器常规的离线定期检修一项重要的内容就是对绕组和铁芯压紧，但是这不仅浪费了大量的人力，物力，也给用户带来了停电困扰。变压器的在线监测显得尤为重要。但是尚没有成熟可靠的对变压器铁芯机械稳定性能的在线检测技术与手段。

通过对110KV变压器历年的故障进行统计表明，影响变压器铁心振动大小的因素有：紧固螺母发生松动、铁芯轴向压紧变松、硅钢片发生松动、硅钢片的自重使铁芯发生弯曲变形、铁芯存在多点接地的故障、硅钢片振动破坏了其表面的绝缘涂层等。这些变压器铁芯故障都会直接导致或者间接导致变压器铁芯的振动加剧，并且通过对变压器铁芯各种常见故障建模仿真计算，发现变压器铁芯振动信号的频率几乎都是分布在两倍基频100HZ以及200HZ、300HZ、400HZ等这样整百频率处，并且频率越高其幅值越小，1000HZ处几乎接近零，所以一般认为变压器铁心振动的频率分布在100-1000HZ处。通过建模仿真，发现变压器不同的铁芯故障在振动频率及幅值分布上都不一样，铁芯的各处振动信号也各不相同。给传感器的安装位置选择与铁芯故障诊断提供参考。

现有的对变压器振动信号监测研究甚少，并且几乎都是在变压器器身外壁上，由于变压器内部各部分均有振动发生，导致传输到变压器器身上的各部分振动信号无法完全区分开，并且振动信号在变压器内部复杂的结构中传输衰减情况目前缺少理论分析，因而不能反映其真实振动状态。

已有的专利或文献大多没有考虑温度—应变交叉敏感问题，因而测量精度受到严重影响。为了解决温度—应变交叉敏感问题，需要对传感器进行温度补偿，本专利在每个传感器内部串联一个不同中心反射波长的光纤光栅，并一起进行金属密封封装。进而可以进行传感器的温度补偿，解决光纤光栅本身交叉敏感问题。

光纤光栅的波长解调方法常用的有光谱仪检测法、边缘滤波器法、匹配光栅法、可调谐滤波器法等。各种常见的光纤光栅解调系统特点比较如下表所示。

各种常见的光纤光栅解调系统特点比较

从上表对各方法的分析、比较可以看出：光谱仪价格昂贵，体积大，扫描周期较长导致测量时间较长，不适合变压器铁芯振动的动态信号测量；至于边缘滤波器法，因为滤波器波长范围有限，并且光源稳定性容易影响测量结果，因此测量范围和精度均受到限制；匹配光栅法的本质与边缘滤波器法类似，存在同样的不足之处；使用可调谐滤波器法，滤波器调谐过程中的非线影响动态测量范围，且调谐的频率通常不会太高，不适合变压器铁芯振动的频率范围。

鉴于以上分析对比，发现干涉法的应变分辨率最高，满足变压器铁芯因磁致伸缩导致的微小的振动应变。干涉法动态响应好，又满足检测系统对频率和动态范围的要求，非常适合于M-Z干涉仪解调的光纤光栅的解调方法。干涉法，即利用光波的相干性，将光纤光栅的波长信息编码转换成相位编码，这种方法具有很高的精度和分辨率，特别适合于高分辨率动态传感信号的检测。本发明率先使用非平衡马赫曾德尔(M-Z)干涉仪对在线运行的110KV电力变压器铁芯振动信号进行干涉解调，具有独特的优势。

本发明提出并介绍了依附在变压器铁芯夹件上的光纤光栅振动加速度传感器直接测变压器铁芯振动信号，该方法以一种与变压器完全无电气连接的方式对变压器振动信号进行监测。利用了光纤抗电磁干扰、绝缘性好、体积小、不导电等优点。因此将光纤传感器作为变压器铁心在线监测的敏感元件具有独特的优势。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，其特征在于，采用基于M-Z干涉仪解调系统来实现对在线运行的110KV变压器铁芯振动信号进行解调，在对110KV变压器铁芯各种常见故障进行建模仿真计算基础上，将光纤光栅传感器附着到变压器内部的铁芯相应点上，实现对变压器铁芯振动的直接监测；具体变压器铁芯振动在线监测系统包括：SLED的宽带光源、光纤耦合器、六路并列的光栅阵列、非平衡M-Z干涉仪、16通道波分复用器、光电探测器和信号采集与处理系统；其中，光纤耦合器分别连接宽带光源、六路并列的光栅阵列和非平衡M-Z干涉仪；非平衡M-Z干涉仪与16通道波分复用器、PIN光电转换器和信号采集与处理系统串联；

所述六路并列的光栅阵列为6路封装成整体的光纤光栅传感器，即在每个光纤光栅传感器的同根光纤上串联中心反射波长不同的光纤光栅FBG；每个封装成整体的光纤光栅传感器内部串联两个光纤光栅FBG，一个为振动加速度传感器，另一个是为温度补偿而设的光纤光栅；光纤光栅传感器将变压器铁心振动信号转变为光纤光栅中心反射波长的变化信号，经过非平衡M-Z干涉仪后将波长的变化信息变为相位变化信息；最终用PIN光电转换器将光信号变为电压信号。进行数据采集、处理及参数标定，得到变压器铁芯监测点处的振动信号。

所述非平衡M-Z干涉仪的输出端利用波分复用器将不同测点的中心反射波长区分开，实现对每个测点的振动信号的处理与监测功能。通过对变压器铁芯的有限元计算分析，建立变压器各种故障模型，近而对各种变压器故障下铁芯的振动信号的特征进行对比分析，并且结合实际电力变压器正常运行时铁芯振动情况，用来作为变压器铁芯振动在线监测与故障诊断的参考与报警阈值设定；这样，实现变压器铁芯振动的在线监测与故障诊断；选择铁芯上各种故障时振动信号特征量变化明显的点。

所述16通道波分复用器是利用各测点光纤光栅传感器的中心反射波长的不同与光纤传输传感信号的波分复用功能实现铁芯多测点，同时检测以及从测点端到信号解调系统端的信号传输系统布线简易化；通过M-Z干涉仪的解调，以实现对铁芯上多测点的振动信号进行同时干涉解调，实现对铁芯的振动信号高动态响应、高精度测量。

一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，包括：

1)在变压器铁芯上选择出合适的光纤光栅传感器安装点，得到变压器在各种故障下铁芯各点处的振动状态，利用有限元分析计算对变压器铁芯进行建模分析；分析单个硅钢片随交变电磁场而产生的动态应变状况；进而得到变压器铁芯3D模型上任何一点随着电压、磁场密度、温度和铁芯压紧程度的变化时的振动幅度与频率；

2)搭建非平衡M-Z干涉仪

非平衡M-Z干涉仪由两个1×2的光纤耦合器以及在二者之间并联两段不等长的单模光纤构成；该两段不等长的单模光纤作为非平衡M-Z干涉仪进行相干光干涉的上下臂，所有光纤光栅中心反射波长通过非平衡M-Z干涉仪上下臂后在第二个光纤耦合器处能各自干涉，干涉条纹互不相关，并且要和非平衡M-Z干涉仪输出端的16通道波分复用器结合，实现解复用功能；

3)非平衡M-Z干涉仪出来的干涉光信号直接接入16通道波分复用器进行解复，利用其中的12路将反射回来携带的传感信息以及温度补偿信息的12个光纤光栅传感器经过非平衡M-Z干涉仪与16通道波分复用器解复后分开，在解复用器输出的每一路后面再分别接入PIN光电转换器，对采集到的电压信号进行后续数据处理。

所述所有光纤光栅中心反射波长要与波分复用器的每个输出通道吻合；其次所选的每一个光纤光栅的中心反射波长在通过干涉仪上下臂后形成的光程差∠相干长度，以满足形成干涉的条件；因此所搭建的非平衡M-Z干涉仪解调系统上下臂的长度差的选择非常重要。

所述非平衡M-Z干涉仪上下臂的长度差在综合考虑:光纤光栅中心反射波长能各自干涉、干涉条纹互不相关、在通过非平衡M-Z干涉仪上下臂后形成的光程差∠相干长度和满足形成干涉的条件后，设计并搭建出非平衡M-Z干涉仪上下臂长度差为2mm，满足所选光纤光栅携带的传感信息都能在同一个非平衡M-Z干涉仪中同时干涉。

所述变压器的各种故障为变压器短路、断路、铁芯多点接地、硅钢片弯曲变形和铁芯压紧松动。

本发明的有益效果是本发明提出的依附在变压器铁芯夹件上的光纤光栅振动加速度传感器直接测变压器铁芯振动信号，该方法以一种与变压器完全无电气连接的方式对变压器振动信号进行监测。利用了光纤抗电磁干扰、绝缘性好、体积小、不导电等优点。因此将光纤传感器作为变压器铁心在线监测的敏感元件具有独特的优势。

附图说明

图1为110KV变压器铁芯振动状态的检测与解调系统图。

具体实施方式

本发明提出一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，下面结合附图和实施例对本发明予以说明。

图1所示为110KV变压器铁芯振动状态的检测与解调系统图。

图中所示变压器铁芯振动在线监测系统包括：SLED的宽带光源、光纤耦合器、六路并列的光栅阵列、非平衡M-Z干涉仪、16通道波分复用器、光电探测器和信号采集与处理系统；其中，光纤耦合器分别连接宽带光源、六路并列的光栅阵列和非平衡M-Z干涉仪；非平衡M-Z干涉仪与16通道波分复用器、PIN光电转换器和信号采集与处理系统串联。该系统采用基于M-Z干涉仪解调系统来实现对在线运行的110KV变压器铁芯振动信号进行解调，在对110KV变压器铁芯各种常见故障进行建模仿真计算基础上，将光纤光栅传感器附着到变压器内部的铁芯相应点上，实现对变压器铁芯振动的直接监测。

实施例

本发明通过对变压器铁芯进行简化建模，在电场与磁场的耦合作用下计算变压器铁芯3D模型各点的受力及应变状况。选择合适的点作为监测点。模拟变压器铁芯各种常见故障下振动信号的特征量。作为后续铁芯故障识别的判据以及报警系统阈值设定的参考。

1.变压器铁芯建模仿真与监测点选择，在有限元分析的基础上选择变压器铁芯夹件为振动加速度传感器安装点，通过焊接的方法连接传感器密封封装的金属外壳与铁芯夹件；

本发明是关于对110kv变压器铁芯振动信号的解调，为了在变压器铁芯上选择出合适的传感器安装点，需要得到变压器在各种故障下铁芯各点处的振动状态。因而，利用有限元分析计算对变压器铁芯进行建模分析。利用硅钢片在电场与磁场的耦合作用下，分析单个硅钢片随交变电磁场而产生的动态应变状况；综合考虑利用这种硅钢片材料的热力学模型分析随着温度的升高，变压器铁芯的应变情况等。进而得到变压器铁芯3D模型上任何一点随着电压、磁场密度、温度，铁芯压紧程度等因素变化时的振动幅度与频率。也即变压器铁芯常见的故障下(变压器短路、断路、铁芯多点接地、硅钢片弯曲变形、铁芯压紧松动等)变压器铁芯各点振动状态。

基于以上的建模仿真得到的变压器铁芯在各种故障下的振动状态，综合选取振动基频(100HZ)信号响应好、幅值高、在各种常见故障的不同故障程度基频与各高次谐波存在明显特征差异的点，作为我们对变压器铁芯振动监测的点，也即传感器的安装位置。考虑到传感器外壳与变压器的绝缘，并且不应影响变压器正常运行。因此将加速度传感器安装在变压器的铁芯的夹件上。

经建模仿真与实验发现，布置两个测点比较合适，每个测点由三个光纤光栅传感器(测量振动加速度的传感器)构成，其中心反射波长分别不同；每个封装成整体的光纤光栅传感器内部串联两个光纤光栅FBG，一个为振动加速度传感器，另一个是为温度补偿而设的光纤光栅，一共六路；每路都有一个振动加速度传感器，将两个测点、一共六路光纤耦合进同一根光纤，将这根光纤在变压器顶部的法兰盘上引出，接入搭建好的非平衡M-Z干涉仪的一端。非平衡M-Z干涉仪的另一端接到1×16的波分复用器的一端，出来的12路波长信息，每一路后面接PIN光电装换器。再接入数据采集与处理系统(如图1所示)。

系统中使用了一个中心波长为1310nm、高稳定、低相干度、谱宽为80nm的SLED的宽带光源。光源发出的光经过3dB的1×6光纤耦合器后进入一个六路并列的光栅阵列，宽带光源的光同步同频的扫描每个光纤光栅，变压器振动状况将通过光纤光栅的中心反射波长变化体现出来。携带传感信息的光纤光栅反射光再次经过相同的耦合器后同时进入到非平衡M-Z干涉仪(Mach·Zelmder interferometer马赫一曾德尔干涉仪).对于任一光纤光栅的中心反射波长信号在进入非平衡M-Z干涉仪第一个1×2光纤耦合器后按照严格的分光比1：1，进入上下臂长差为2mm的非平衡M-Z干涉仪，对于任一波长的信号而言都会产生恒定的相位差，以满足发生干涉的条件，同时，非平衡M-Z干涉仪能满足所选的光纤光栅中心反射波长发生干涉；因此，相干光在非平衡M-Z干涉仪第二个1×2光纤耦合器处发生干涉，得到干涉后的信号，干涉信号的相位变化体现出光纤光栅中心反射波长变化情况；非平衡M-Z干涉仪输出端也即第二个1×2光纤耦合器的输出端接一个上述所选的16通道波分复用器(DWDM)，利用其解复用功能，将干涉仪输出的不同波长光信号分开，从与其匹配好的12路输出得到所有光纤光栅各自的传感信息。然后在每一路后面接相同的光电转换器(PIN)，将光信号转变成电压信号，以便后续的信号采集与处理系统进行信号采集与处理，最终得到变压器振动信号；与有限元计算得到的变压器铁芯各种常见故障的特征量进行对比，对变压器铁芯的异常振动作出识别与故障诊断。

Claims (8)

1.一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，其特征在于，采用基于M-Z干涉仪解调系统来实现对在线运行的110KV变压器铁芯振动信号进行解调，在对110KV变压器铁芯各种常见故障进行建模仿真计算基础上，将光纤光栅传感器附着到变压器内部的铁芯相应点上，实现对变压器铁芯振动的直接监测；具体变压器铁芯振动在线监测系统包括：SLED的宽带光源、光纤耦合器、六路并列的光栅阵列、非平衡M-Z干涉仪、16通道波分复用器、光电探测器和信号采集与处理系统；其中，光纤耦合器分别连接宽带光源、六路并列的光栅阵列和非平衡M-Z干涉仪；非平衡M-Z干涉仪与16通道波分复用器、PIN光电转换器和信号采集与处理系统串联。

2.根据权利要求1所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，其特征在于，所述六路并列的光栅阵列为6路封装成整体的光纤光栅传感器，即在每个光纤光栅传感器的同根光纤上串联中心反射波长不同的光纤光栅FBG；每个封装成整体的光纤光栅传感器内部串联两个光纤光栅FBG，一个为振动加速度传感器，另一个是为温度补偿而设的光纤光栅；光纤光栅传感器将变压器铁心振动信号转变为光纤光栅中心反射波长的变化信号，经过非平衡M-Z干涉仪后将波长的变化信息变为相位变化信息；最终用PIN光电转换器将光信号变为电压信号，进行数据采集、处理及参数标定，得到变压器铁芯监测点处的振动信号。

3.根据权利要求1所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，其特征在于，所述非平衡M-Z干涉仪的输出端利用波分复用器将不同测点的中心反射波长区分开，实现对每个测点的振动信号的处理与监测功能；通过对变压器铁芯的有限元计算分析，建立变压器各种故障模型，近而对各种变压器故障下铁芯的振动信号的特征进行对比分析，并且结合实际电力变压器正常运行时铁芯振动情况，用来作为变压器铁芯振动在线监测与故障诊断的参考与报警阈值设定；这样，实现变压器铁芯振动的在线监测与故障诊断；选择铁芯上各种故障时振动信号特征量变化明显的点。

4.根据权利要求1所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统，其特征在于，所述16通道波分复用器是利用各测点光纤光栅传感器的中心反射波长的不同与光纤传输传感信号的波分复用功能实现铁芯多测点，同时检测以及从测点端到信号解调系统端的信号传输系统布线简易化；通过M-Z干涉仪的解调，以实现对铁芯上多测点的振动信号进行同时干涉解调，实现对铁芯的振动信号高动态响应、高精度测量。

5.一种基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，包括：

1)在变压器铁芯上选择出合适的光纤光栅传感器安装点，得到变压器在各种故障下铁芯各点处的振动状态，利用有限元分析计算对变压器铁芯进行建模分析；分析单个硅钢片随交变电磁场而产生的动态应变状况；进而得到变压器铁芯3D模型上任何一点随着电压、磁场密度、温度和铁芯压紧程度的变化时的振动幅度与频率；

2)搭建非平衡M-Z干涉仪

非平衡M-Z干涉仪由两个1×2的光纤耦合器以及在二者之间并联两段不等长的单模光纤构成；该两段不等长的单模光纤作为非平衡M-Z干涉仪进行相干光干涉的上下臂，所有光纤光栅中心反射波长通过非平衡M-Z干涉仪上下臂后在第二个光纤耦合器处能各自干涉，干涉条纹互不相关，并且要和非平衡M-Z干涉仪输出端的16通道波分复用器结合，实现解复用功能；

3)非平衡M-Z干涉仪出来的干涉光信号直接接入16通道波分复用器进行解复，利用其中的12路将反射回来携带的传感信息以及温度补偿信息的12个光纤光栅传感器经过非平衡M-Z干涉仪与16通道波分复用器解复后分开，在解复用器输出的每一路后面再分别接入PIN光电转换器，对采集到的电压信号进行后续数据处理。

6.根据权利要求5所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，所述所有光纤光栅中心反射波长要与波分复用器的每个输出通道吻合；其次所选的每一个光纤光栅的中心反射波长在通过干涉仪上下臂后形成的光程差∠相干长度，以满足形成干涉的条件；因此所搭建的非平衡M-Z干涉仪解调系统上下臂的长度差的选择非常重要。

7.根据权利要求5所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，所述非平衡M-Z干涉仪上下臂的长度差在综合考虑:光纤光栅中心反射波长能各自干涉、干涉条纹互不相关、在通过非平衡M-Z干涉仪上下臂后形成的光程差∠相干长度和满足形成干涉的条件后，设计并搭建出非平衡M-Z干涉仪上下臂长度差为2mm，满足所选光纤光栅携带的传感信息都能在同一个非平衡M-Z干涉仪中同时干涉。

8.根据权利要求5所述基于M-Z干涉仪解调的变压器铁芯振动在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，变压器的各种故障为变压器短路、断路、铁芯多点接地、硅钢片弯曲变形和铁芯压紧松动。