基于光纖傳感器的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法

楊 磊 孫 寅

(1.鹽城粵海水務(wù)有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 鹽城 224000)

水利工程電氣設(shè)備是水利工程設(shè)施安全的重點(diǎn)之一，影響著水利工程使用壽命[1]。因此，工程電氣設(shè)備故障，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外電氣設(shè)備檢測(cè)方法，主要分為電氣測(cè)量和非電氣測(cè)量?jī)煞N[2-3]。電氣測(cè)量方法又細(xì)分為4種，一是檢測(cè)電氣設(shè)備產(chǎn)生短路問(wèn)題時(shí)，通過(guò)推測(cè)其設(shè)備內(nèi)的等效阻抗變化和繞組漏抗變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的檢測(cè)；二是檢測(cè)電氣設(shè)備脈沖信號(hào)，通過(guò)電壓波形，判斷電氣設(shè)備是否存在故障；三是通過(guò)溫度、濕度等變化， 判斷對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的影響，只有當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，溫度、濕度等才會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生影響；四是通過(guò)頻率，判斷電氣設(shè)備是否存在故障。該種電氣測(cè)量方法，出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末，并引起國(guó)內(nèi)外研究人員的重視[4-7]。

非電氣測(cè)量方法又細(xì)分為3種，一是通過(guò)檢測(cè)電氣設(shè)備的振動(dòng)情況，采集其產(chǎn)生的振動(dòng)信息，判斷電氣設(shè)備故障；二是通過(guò)檢測(cè)聲波在電氣設(shè)備介質(zhì)面的反射情況，反映電氣設(shè)備存在的缺陷；三是在電氣設(shè)備內(nèi)安裝內(nèi)窺鏡頭，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行拍攝，得到電氣設(shè)備運(yùn)行圖片和視頻，檢測(cè)設(shè)備故障[8-10]。雖然從上述內(nèi)容中可看出國(guó)內(nèi)外對(duì)于電氣設(shè)備故障檢測(cè)，研究出了一定成果，但是上述故障檢測(cè)方法，均缺乏對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)估計(jì)的通用狀態(tài)量，測(cè)量結(jié)果的分析以經(jīng)驗(yàn)為主，為此，本文提出基于光纖傳感器的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法。

1 采集電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法

1.1 建立基于光纖傳感器的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集模型

(1)

式(1)中，p表示彈光系數(shù)，gp表示聲波頻譜峰值增益系數(shù)。其中，頻譜的半峰值全寬ΔvB與頻譜中的聲子壽命ΓB的關(guān)系為

ΔvB=(πΓB)-1

(2)

此時(shí)，式(2)中頻譜的半峰值全寬ΔvB為幾十兆赫茲[12]。綜合式(1)和式(2)，即可得到光纖傳感器光散射分布曲線圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 光纖傳感器光散射分布曲線

從圖1中可以看出，光纖傳感器增益所產(chǎn)生的頻譜，在聲波頻移vB處有最大增益gP。綜合上述對(duì)光纖傳感器檢測(cè)電氣設(shè)備特點(diǎn)的分析，根據(jù)圖1所示的光纖傳感器光散射分布曲線，建立基于光纖傳感器的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集模型。

設(shè)光纖傳感器在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的折射率為n，產(chǎn)生的聲波速度為va，入射光在真空中的波長(zhǎng)為λ0，檢測(cè)的電氣設(shè)備材料密度為ρ0，則有

(3)

式(3)即為電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集模型。其中，gn(vB)即為采集到的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)。此時(shí)，根據(jù)式(3)，即可確定頻移、功率與電氣設(shè)備溫度、應(yīng)變的關(guān)系，用采集到電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，判斷電氣設(shè)備中是否存在故障。對(duì)于式(3)中的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，才能得到準(zhǔn)確的電氣設(shè)備故障檢測(cè)結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)處理

針對(duì)式(3)中的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，設(shè)線性權(quán)重系數(shù)為k，光纖檢測(cè)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的散射譜為fB(v)，則有

(4)

式(4)中，ΔvB1表示洛倫茲譜半峰譜寬，ΔvB2表示高斯譜半峰譜寬[13]。式(4)的計(jì)算過(guò)程為光纖傳感器固有信號(hào)的去除過(guò)程，此時(shí)，經(jīng)過(guò)式(4)的處理，所得到的數(shù)據(jù)信息，產(chǎn)生的信號(hào)幅值，已經(jīng)被降到零值附近，與光纖傳感器產(chǎn)生的光纖散射信號(hào)具有明顯的區(qū)分，此時(shí)，剩余的所有數(shù)據(jù)信息，即為電氣設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)。

為了更清晰直觀地得到電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)式(4)處理的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初值選取和迭代。因此設(shè)式(3)中的原始數(shù)據(jù)為gn(vB)=gr(v)+n(v)。其中，gr(v)表示理想數(shù)據(jù)；n(v)為式(3)中的數(shù)據(jù)，在式(4)處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，產(chǎn)生的高斯白噪聲；此時(shí)，將原始數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)卷積，則有

[grn(v)+n(v)]=gr(v)·grn(v)+gr(v)·n(v)

=gc(v)+Nc

(5)

式(5)中，grn(v)表示原始數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)的互相關(guān)卷積過(guò)程，c表示數(shù)據(jù)中心，Nc表示理想數(shù)據(jù)與高斯白噪聲的乘積，gc(v)表示原始數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)互相關(guān)卷積結(jié)果。當(dāng)?shù)玫降睦硐霐?shù)據(jù)信號(hào)左右對(duì)稱時(shí)，則lim(Nc)=0[14]。此時(shí)，經(jīng)過(guò)式(4)和式(5)對(duì)式(3)采集到的電氣設(shè)備處理結(jié)果，即可得到水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)結(jié)果。

1.3 自動(dòng)檢測(cè)水利工程電氣設(shè)備故障

根據(jù)采集到的水利工程電氣設(shè)備數(shù)據(jù)及其對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，即可生成水利工程電氣設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)算法(見(jiàn)圖2)。

圖2 水利工程電氣設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)算法

此時(shí)，根據(jù)此次設(shè)計(jì)的水利工程電氣設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)算法，對(duì)式(5)得到的卷積結(jié)果進(jìn)行最大次數(shù)的迭代處理，得到計(jì)算卷積差的閾值，則有

βk+1=βk-[H(x)+μI]-1J(x)R(βk)

(6)

式(6)中，k表示迭代次數(shù)；β表示參數(shù)向量；J(x)表示卷積結(jié)果矩陣；Ji表示矩陣第i行數(shù)據(jù)f對(duì)βk的梯度向量；μ表示阻尼因子；I表示單位矩陣；R表示求殘差平方和；R(β)表示求殘差平方和參數(shù)向量的極小值點(diǎn)；H(x)表示矩陣乘積，即H(x)=J(x)TJ(x)，其中T表示矩陣的轉(zhuǎn)置[15]。

此時(shí)，經(jīng)過(guò)最大次數(shù)的迭代后，即可計(jì)算卷積差，則有

(7)

式(7)中，δ表示卷積差。此時(shí)，根據(jù)求殘差平方和參數(shù)向量的極小值點(diǎn)R(β)，確定電氣設(shè)備故障判斷標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。

表1 電氣設(shè)備故障判斷標(biāo)準(zhǔn)

此時(shí)，根據(jù)圖2所示的水利工程電氣設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)算法，將表1中電氣設(shè)備故障判斷標(biāo)準(zhǔn)帶入檢測(cè)結(jié)果，即可得到電氣設(shè)備存在的故障。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室里，進(jìn)行水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，將此次提出的故障檢測(cè)方法記為實(shí)驗(yàn)A組，將文獻(xiàn)中提到的兩種故障檢測(cè)方法，分別記為實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組。根據(jù)水利工程電氣設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，以變壓器繞組故障為實(shí)驗(yàn)研究方向，從確定變壓器繞組故障位置，改變故障程度；確定變壓器繞組故障程度，改變故障位置兩方面，對(duì)比三種故障檢測(cè)方法。在實(shí)驗(yàn)室里，確定變壓器繞組故障程度和位置檢測(cè)結(jié)果，與實(shí)際變壓器繞組故障程度和位置檢測(cè)結(jié)果的一致度。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次水利工程電氣設(shè)備故障監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，選擇變壓器繞組模型，檢測(cè)三組故障檢測(cè)方法。此次選擇的為SZ9-6300/35型變壓器，電磁線繞制直徑長(zhǎng)約480mm，其變壓器上，共有45線餅，導(dǎo)線全長(zhǎng)約200m，產(chǎn)生的額定電壓為110kV，其變壓器繞組電路模型見(jiàn)圖3。

圖3 變壓器繞組電路模型

圖3中，n表示變壓器線餅，i表示n個(gè)餅中的一個(gè)，即餅=1,2,…,i,i+1,…,n。且此次選擇的SZ9-6300/35型變壓器，繞組每餅的線匝總長(zhǎng)度相等，繞組線匝的長(zhǎng)度大于線匝之間的距離。此時(shí)，在圖3所示的變壓器繞組電路模型中，其變壓器繞組電路參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 變壓器繞組電路參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，且為了保證實(shí)驗(yàn)人員的人身安全，因此在變壓器的高壓側(cè)接入380V的三相電壓；在變壓器的低壓側(cè)接入3 MΩ的電阻，模擬變壓器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載。

由于三組檢驗(yàn)方法，在檢驗(yàn)變壓器時(shí)，需要對(duì)變壓器外殼和鐵芯進(jìn)行拆除、吊離，在這個(gè)過(guò)程中，外殼和鐵芯的位置會(huì)與原本的位置產(chǎn)生一定的差異，為驗(yàn)證這種差異對(duì)此次實(shí)驗(yàn)造成的影響，進(jìn)行變壓器外殼和鐵芯拆除、吊離重復(fù)性試驗(yàn)，排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變壓器外殼和鐵芯拆除、吊離對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。將此次試驗(yàn)分為4次進(jìn)行。未對(duì)變壓器外殼和鐵芯進(jìn)行拆除、吊離時(shí)，變壓器原始狀態(tài)的曲線為第一次測(cè)量值；此后，在10h后，進(jìn)行第一次外殼和鐵芯拆除、吊離，24h后，進(jìn)行第二次外殼和鐵芯拆除、吊離，48h后，進(jìn)行第三次外殼和鐵芯拆除、吊離。重復(fù)性驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 重復(fù)性驗(yàn)證結(jié)果

從圖4中可看出，3次變壓器外殼和鐵芯拆除、吊離后得到的實(shí)驗(yàn)曲線，均與第一次測(cè)量值重復(fù)。由此可確定，變壓器外殼和鐵芯拆除、吊離，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。此時(shí)，即可進(jìn)行故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.2 第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇的變壓器基礎(chǔ)上，進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，將變壓器設(shè)置成繞組餅間短路故障狀態(tài)。此時(shí)，將變壓器故障短路位置，確定為變壓器繞組電路模型圖中第i個(gè)餅繞組存在短路故障，改變第i個(gè)餅繞組短路故障程度。此時(shí)，采用三組故障檢測(cè)方法，分別檢測(cè)變壓器第i個(gè)餅繞組產(chǎn)生的短路故障嚴(yán)重程度，并與實(shí)際短路故障嚴(yán)重程度進(jìn)行比較(見(jiàn)圖5)。

圖5 相同位置不同程度短路故障檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)C組在檢測(cè)第i個(gè)餅繞組存在短路故障時(shí)，所檢測(cè)的短路故障程度，與第i個(gè)餅繞組實(shí)際短路故障程度相差最遠(yuǎn)；而實(shí)驗(yàn)B組檢測(cè)第i個(gè)餅繞組存在短路故障，檢測(cè)結(jié)果雖優(yōu)于實(shí)驗(yàn)C組，但是依然不符合第i個(gè)餅繞組實(shí)際短路故障程度；而實(shí)驗(yàn)A組，在檢測(cè)第i個(gè)餅繞組存在短路故障時(shí)，所檢測(cè)的故障程度，與第i個(gè)餅繞組實(shí)際短路故障程度最為接近。由此可見(jiàn)，此次研究的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，可以檢測(cè)同一位置不同程度的餅繞組短路故障，且故障程度檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

2.3 第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第一組的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，改變故障位置，確定故障程度。此次改變故障位置，是在此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的45個(gè)線餅基礎(chǔ)上，將故障放在不同的線餅上，且每個(gè)故障線餅的短路故障程度一致，并將45個(gè)線餅按照1～45排序，以便記錄檢測(cè)結(jié)果。此時(shí)，采用三組故障檢測(cè)方法依次檢測(cè)45個(gè)線餅，判斷其是否存在短路故障，并與實(shí)際檢測(cè)出存在短路故障的位置進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6)。

圖6 相同程度不同位置短路故障檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從圖6中可以看出，當(dāng)線餅短路故障程度一致、位置不同時(shí)，實(shí)驗(yàn)B組故障位置檢測(cè)結(jié)果，與實(shí)際故障位置檢測(cè)結(jié)果相差最大；實(shí)驗(yàn)C組對(duì)于故障位置的檢測(cè)結(jié)果，優(yōu)于實(shí)驗(yàn)B組；只有實(shí)驗(yàn)A組，所檢測(cè)到的線餅故障位置，與實(shí)際故障位置相一致。由此可見(jiàn)，此次研究的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，可以檢測(cè)同一故障程度不同故障位置的餅繞組短路故障，且故障位置檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此次研究的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出水利工程電氣設(shè)備故障所在位置及其故障程度，且相對(duì)此次實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，此次研究的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，充分利用了光纖傳感器所具有的設(shè)備動(dòng)態(tài)感知能力，根據(jù)設(shè)備頻率等聲波變化，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)水利工程電氣設(shè)備故障。但是此次研究的水利工程電氣設(shè)備故障檢測(cè)方法，未曾考慮故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。因此，在今后研究中，還需不斷研究實(shí)時(shí)檢測(cè)電氣設(shè)備故障方法，為電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)提供保障。