一種用于電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的新式FBG傳感器

王英永

(山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院,山東 淄博 255000)

1 引 言

變壓器作為常見的電氣設(shè)備,對(duì)輸變電控制具有重要作用,當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致停電、失火等風(fēng)險(xiǎn),故其運(yùn)行參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性有重要影響[1]。所以,對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行及風(fēng)險(xiǎn)防范。

通常造成變壓器機(jī)械損傷的主要原因是高電磁力,由變壓器繞組中產(chǎn)生的強(qiáng)烈電流引起,這種情況導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的電動(dòng)勢(shì),使機(jī)械變形或繞組損壞[2]。例如繞組由于軸向力和徑向力引起的繞組變形而產(chǎn)生的軸向位移、彎曲或傾斜。因此,了解短路時(shí)繞組的受力大小對(duì)設(shè)計(jì)合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有重要意義。傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器往往將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能測(cè)量,而對(duì)于存在高壓及強(qiáng)電場(chǎng)的變壓器而言就不再適用了。相比之下,光纖傳感器具有不受電磁干擾的重要優(yōu)勢(shì),可以很好地應(yīng)用于具有強(qiáng)磁場(chǎng)特性的,同時(shí),光纖結(jié)構(gòu)小巧可以輕松與變壓器中繞線匹配。由此可見,采用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器繞線變形的檢測(cè)是十分適用的。

目前國(guó)內(nèi)外采用光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)[3-6]傳感器應(yīng)用于電氣設(shè)備的諸如:Chen等人[7]采用FBG網(wǎng)絡(luò)完成了變壓器內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè),測(cè)溫精度優(yōu)于0.5 ℃；Ribeiro等人[8]完成了多光纖傳感器組網(wǎng)條件下的溫度場(chǎng)重建,實(shí)現(xiàn)了變壓器主體溫度場(chǎng)的可視化；Kung等人[9]將FBG應(yīng)用于大型變壓器設(shè)備中的放電監(jiān)測(cè)中,通過回波中的峰值抖動(dòng)完成對(duì)放電過程的定性分析；Kuhn等人[10]將FBG安裝于變壓器內(nèi)部的鐵芯上,完成了對(duì)鐵芯應(yīng)變的在線測(cè)試。但相關(guān)文獻(xiàn)主要集中溫度監(jiān)測(cè)和敏感結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面,針對(duì)具體變壓器故障的應(yīng)用研究較少。

本文側(cè)重監(jiān)測(cè)繞組變壓器中由于短路或涌流現(xiàn)象產(chǎn)生的靜動(dòng)壓,將FBG傳感器封裝置由變壓器專用紙板中,并設(shè)計(jì)了內(nèi)置圓錐形空腔結(jié)構(gòu),利用集中有效應(yīng)力的方式提高系統(tǒng)靈敏度。最終,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)的目的。

2 系統(tǒng)組成

對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)壓的實(shí)時(shí)檢測(cè),從而分析設(shè)備運(yùn)行是否正常。本文設(shè)計(jì)一種新式的FBG變形傳感器,將其分別插入變壓器繞組結(jié)構(gòu)的頂部和底部,為了便于安裝可以將其放置于變壓器外繞組與外結(jié)構(gòu)相接位置處,如圖1所示。安裝完畢后僅需標(biāo)定初始波長(zhǎng)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。

由于解調(diào)系統(tǒng)可以同時(shí)完成多個(gè)FBG的數(shù)據(jù)采集,而光纖在幾公里的傳輸距離內(nèi)損耗可以忽略不計(jì),所以,可以通過一套解調(diào)系統(tǒng)完成整個(gè)變電站大量變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)同一個(gè)跟光纖上FBG數(shù)量受到帶寬限制時(shí),采用1×N型多路光開關(guān)完成分時(shí)掃描即可實(shí)現(xiàn)大量FBG傳感器數(shù)據(jù)的獲取。

在實(shí)際測(cè)試過程中,由于罐體外部會(huì)存在明顯的溫度變化,所以需要對(duì)其進(jìn)行溫度與應(yīng)變解耦,解耦方法采用溫度補(bǔ)償標(biāo)定法,在測(cè)試應(yīng)力場(chǎng)的FBG位置安裝相同型號(hào)的FBG探測(cè)器,但將其固定于空腔結(jié)構(gòu)外側(cè)(如圖1中標(biāo)注),使其不受罐體應(yīng)力影響,僅受溫度影響。將該FBG測(cè)試得到的波長(zhǎng)偏移量作為溫度補(bǔ)償給腔體內(nèi)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)FBG,就能夠達(dá)到溫度與應(yīng)力的解耦效果。

圖1 基于新式FBG傳感器的變壓器繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 新式FBG傳感器設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

由于力是相互作用的,夾具與裝配件之間力是大小相同方向相反的,故獲取夾具上關(guān)鍵位置的應(yīng)力分布就能夠分析裝配件的受力模式[11]。對(duì)于FBG而言,設(shè)測(cè)試環(huán)境溫度恒定,則解調(diào)可得第i個(gè)FBGi測(cè)試波長(zhǎng)變量為:

ΔλB|i=λB|i·(1-Pε)·εi

(1)

其中,λB|i表示第i個(gè)FBG的中心波長(zhǎng)值；εi表示第i個(gè)FBG位置上的應(yīng)變；Pε為彈光系數(shù)。根據(jù)胡可定律[12],應(yīng)力與應(yīng)變之間的函數(shù)可以表示為:

(2)

其中,E表示彈性模量；I表示慣性矩,本系統(tǒng)針對(duì)鋼材結(jié)構(gòu),故取E=210 GPa,I=16.62×106mm4；x表示測(cè)試位置；l表示施力點(diǎn)到微元的邊界位置。由式(1)和式(2)聯(lián)立可知,當(dāng)已知FBG粘貼的位置時(shí),即測(cè)試位置x為已知量,則可以通過測(cè)試FBGi的波長(zhǎng)變量解算對(duì)應(yīng)位置的受力值。并在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建位置修正參數(shù)矩陣與修正系數(shù)之間的關(guān)系有:

(3)

其中,C1,C2,…,Ci表示修正系數(shù)；L1,L2,…,Li表示夾具控制單元對(duì)夾具位置的修正值,其中,j=x,y,z,表示三個(gè)軸向的修正值分別由修正系數(shù)與波長(zhǎng)變量矩陣計(jì)算得到。由此,實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過程的在線實(shí)時(shí)修正。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該FBG應(yīng)力傳感器應(yīng)用于變壓器中,故外封裝采用專用工程材料聚醚醚酮板(Poly-Eether-Ether-Ketone,PEEK)[13]制作,結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示。

圖2(a)表示其外部尺寸為L(zhǎng)×L×H、L=15 cm,H=5 cm,將其從中間拋開,內(nèi)部有一個(gè)圓錐空腔,圓錐底面面半徑R=5 cm、錐高h(yuǎn)=2 cm,空腔中心位置黏貼FBG。圖2(b)表示按照該尺寸加工的PEEK材質(zhì)新式FBG傳感器,兩段為傳輸光纖,內(nèi)置加載預(yù)應(yīng)力的FBG。在此測(cè)試中,該傳感器測(cè)量每一個(gè)變壓器繞組的暫態(tài)電流所產(chǎn)生的力的軸向分量,傳感器以墊片的形式放置在繞組中。

4 仿真分析

由于該傳感器安置于繞組之間,上下表面與結(jié)構(gòu)體的接觸方式與墊片相似,故受力過程可以近似為面施力,根據(jù)擬監(jiān)測(cè)的涌流靜動(dòng)壓范圍將仿真應(yīng)力范圍設(shè)定為100～1000 N,材料密度為1320 kg/m3(PEEK的密度[14]),在此基礎(chǔ)上完成對(duì)該傳感結(jié)構(gòu)的靜態(tài)壓力載荷測(cè)試,ANSYS仿真結(jié)果如圖3所示。

由仿真圖像可以看出,施加在頂部的面應(yīng)力在整個(gè)傳感器上部的應(yīng)力分布均勻,故整體形變量不大,但由于采用了圓錐空腔結(jié)構(gòu),使其在兩部分粘合部位出存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域,這樣的結(jié)果會(huì)使原有的面應(yīng)力被集中加載與空腔圓錐底面圓的圓周線上,從而形成對(duì)FBG中心位置的拉伸效果。對(duì)于FBG而言,這種拉伸作用產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)十分敏感,很容易被測(cè)試,并構(gòu)建中心波長(zhǎng)偏移與應(yīng)變量之間的函數(shù),進(jìn)而完成對(duì)結(jié)構(gòu)體應(yīng)力變化的反演。同時(shí),從仿真體的俯視圖中可知,空腔圓錐的底面圓行結(jié)構(gòu)保障了FBG的軸向無論如何布設(shè)只要經(jīng)過圓心就能獲得最佳的拉伸效果,有效地保障了測(cè)試靈敏度。當(dāng)壓力增加到1000 N時(shí),應(yīng)變分布與偏移量分布位置均未發(fā)生改變僅強(qiáng)度增大,可知,通過測(cè)量中心位置處FBG的回波值就能夠反映該線性變化關(guān)系。

5 實(shí) 驗(yàn)

5.1 靜載實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)采用LPT-101型調(diào)諧激光器,JH-D2型解調(diào)儀,FBG采用應(yīng)力預(yù)緊型封裝結(jié)構(gòu),如圖4(a)所示。為了模擬在實(shí)際變壓器繞組中的擠壓形式,在傳感器上放置了木質(zhì)墊片,再通過壓力臂完成定額施壓,如圖4(b)所示。

壓力范圍100 N至1000 N,通過分析中心波長(zhǎng)偏移量反演變壓器結(jié)構(gòu)體所承受的應(yīng)力場(chǎng)分布。從100 N開始,每增加100 N記錄一次中心波長(zhǎng)值,然后繪制應(yīng)力波長(zhǎng)曲線(×標(biāo)注)；當(dāng)?shù)竭_(dá)1000 N時(shí),每減小100 N記錄一次中心波長(zhǎng)值,然后繪制應(yīng)力波長(zhǎng)曲線(+標(biāo)注),測(cè)試結(jié)果如圖5(a)所示,為了保證系統(tǒng)測(cè)試范圍符合設(shè)計(jì)需求,還完成了1000 N到5000 N的測(cè)試結(jié)果,如圖5(b)所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在不同測(cè)試區(qū)間中,應(yīng)力與波長(zhǎng)均可較好地滿足線性關(guān)系,通過增加與減小施力值驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的不同條件下波長(zhǎng)偏移關(guān)于應(yīng)力的擬合函數(shù),有:

(4)

根據(jù)上式波長(zhǎng)與應(yīng)力范圍計(jì)算可得,100 N

5.2 動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)

由于自由落體重物撞擊傳感器與電流沖擊線圈產(chǎn)生的沖擊力都屬于脈沖力,故在動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)中,采用1.0 kg的重物分別從10 cm、20 cm、30 cm和40 cm高處落下模擬電流沖擊線圈時(shí)產(chǎn)生的沖擊力,每個(gè)高度測(cè)試10次取平均值,撞擊時(shí)傳感器中FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移,再通過分析波長(zhǎng)偏移程度解算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)沖擊的響應(yīng)能力及分辨精度。則4個(gè)不同高度的撞擊測(cè)試曲線如圖6所示。

圖6 不同高度測(cè)試得到的FBG響應(yīng)結(jié)果

由圖6可知,不同高度h下落物體造成的沖擊力產(chǎn)生的波長(zhǎng)響應(yīng)不同,10～ 40 cm的波長(zhǎng)偏移量分別是215 pm、435 pm、757 pm和1128 pm；其響應(yīng)時(shí)間的半寬分別為4.38 ms、3.25 ms、2.14 ms和1.12 ms。通過Torricelli方程[15]計(jì)算以上四種情況的沖擊力分別為143.1 N、286.4 N、512.3 N和752.9 N,再結(jié)合測(cè)試得到的波長(zhǎng)偏移量就能夠擬合出系統(tǒng)的平均沖擊響應(yīng)靈敏度為1.499 pm/N。從響應(yīng)時(shí)間可以看出,隨著沖擊力的增大,響應(yīng)時(shí)間持續(xù)減小,若采用時(shí)間分辨的手段完成脈沖力分析,要求系統(tǒng)采樣速率優(yōu)于1 kHz,從而保證波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的細(xì)節(jié)可以被完全捕獲。

6 結(jié) 論

本文研制了一種用于監(jiān)測(cè)繞組變壓器靜、動(dòng)態(tài)壓力的新式FBG傳感器。為了適應(yīng)電氣設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境,采用聚醚醚酮材料封裝,為了獲得穩(wěn)定且靈敏的應(yīng)變響應(yīng)效果,采用圓錐空腔的結(jié)構(gòu)形式。通過仿真計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了傳感器能夠?qū)o態(tài)載荷與動(dòng)態(tài)沖擊定量分析。綜上所述,本傳感器結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于繞組變壓器等存在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境的各類電氣設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有很好的應(yīng)用前景。