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

技術(shù)背景

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

通過對110KV變壓器歷年的故障進行統(tǒng)計表明，影響變壓器鐵心振動大小的因素有：緊固螺母發(fā)生松動、鐵芯軸向壓緊變松、硅鋼片發(fā)生松動、硅鋼片的自重使鐵芯發(fā)生彎曲變形、鐵芯存在多點接地的故障、硅鋼片振動破壞了其表面的絕緣涂層等。這些變壓器鐵芯故障都會直接導(dǎo)致或者間接導(dǎo)致變壓器鐵芯的振動加劇，并且通過對變壓器鐵芯各種常見故障建模仿真計算，發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯振動信號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，所以一般認為變壓器鐵心振動的頻率分布在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頻率及幅值分布上都不一樣，鐵芯的各處振動信號也各不相同。給傳感器的安裝位置選擇與鐵芯故障診斷提供參考。

現(xiàn)有的對變壓器振動信號監(jiān)測研究甚少，并且?guī)缀醵际窃谧儔浩髌魃硗獗谏?，由于變壓器?nèi)部各部分均有振動發(fā)生，導(dǎo)致傳輸?shù)阶儔浩髌魃砩系母鞑糠终駝有盘枱o法完全區(qū)分開，并且振動信號在變壓器內(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振動狀態(tài)。

已有的專利或文獻大多沒有考慮溫度—應(yīng)變交叉敏感問題，因而測量精度受到嚴重影響。為了解決溫度—應(yīng)變交叉敏感問題，需要對傳感器進行溫度補償，本專利在每個傳感器內(nèi)部串聯(lián)一個不同中心反射波長的光纖光柵，并一起進行金屬密封封裝。進而可以進行傳感器的溫度補償，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)特點比較如下表所示。

各種常見的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)特點比較

從上表對各方法的分析、比較可以看出：光譜儀價格昂貴，體積大，掃描周期較長導(dǎo)致測量時間較長，不適合變壓器鐵芯振動的動態(tài)信號測量；至于邊緣濾波器法，因為濾波器波長范圍有限，并且光源穩(wěn)定性容易影響測量結(jié)果，因此測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態(tài)測量范圍，且調(diào)諧的頻率通常不會太高，不適合變壓器鐵芯振動的頻率范圍。

鑒于以上分析對比，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)致的微小的振動應(yīng)變。干涉法動態(tài)響應(yīng)好，又滿足檢測系統(tǒng)對頻率和動態(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態(tài)傳感信號的檢測。本發(fā)明率先使用非平衡馬赫曾德爾(M-Z)干涉儀對在線運行的110KV電力變壓器鐵芯振動信號進行干涉解調(diào)，具有獨特的優(yōu)勢。

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加速度傳感器直接測變壓器鐵芯振動信號，該方法以一種與變壓器完全無電氣連接的方式對變壓器振動信號進行監(jiān)測。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。因此將光纖傳感器作為變壓器鐵心在線監(jiān)測的敏感元件具有獨特的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(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)的變壓器鐵芯振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，采用基于M-Z干涉儀解調(diào)系統(tǒng)來實現(xiàn)對在線運行的110KV變壓器鐵芯振動信號進行解調(diào)，在對110KV變壓器鐵芯各種常見故障進行建模仿真計算基礎(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)點上，實現(xiàn)對變壓器鐵芯振動的直接監(jiān)測；具體變壓器鐵芯振動在線監(jiān)測系統(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、光電探測器和信號采集與處理系統(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；每個封裝成整體的光纖光柵傳感器內(nèi)部串聯(lián)兩個光纖光柵FBG，一個為振動加速度傳感器，另一個是為溫度補償而設(shè)的光纖光柵；光纖光柵傳感器將變壓器鐵心振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w光柵中心反射波長的變化信號，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)換器將光信號變?yōu)殡妷盒盘枴＿M行數(shù)據(jù)采集、處理及參數(shù)標定，得到變壓器鐵芯監(jiān)測點處的振動信號。

所述非平衡M-Z干涉儀的輸出端利用波分復(fù)用器將不同測點的中心反射波長區(qū)分開，實現(xiàn)對每個測點的振動信號的處理與監(jiān)測功能。通過對變壓器鐵芯的有限元計算分析，建立變壓器各種故障模型，近而對各種變壓器故障下鐵芯的振動信號的特征進行對比分析，并且結(jié)合實際電力變壓器正常運行時鐵芯振動情況，用來作為變壓器鐵芯振動在線監(jiān)測與故障診斷的參考與報警閾值設(shè)定；這樣，實現(xiàn)變壓器鐵芯振動的在線監(jiān)測與故障診斷；選擇鐵芯上各種故障時振動信號特征量變化明顯的點。

所述16通道波分復(fù)用器是利用各測點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的波分復(fù)用功能實現(xiàn)鐵芯多測點，同時檢測以及從測點端到信號解調(diào)系統(tǒng)端的信號傳輸系統(tǒng)布線簡易化；通過M-Z干涉儀的解調(diào)，以實現(xiàn)對鐵芯上多測點的振動信號進行同時干涉解調(diào)，實現(xiàn)對鐵芯的振動信號高動態(tài)響應(yīng)、高精度測量。

一種基于M-Z干涉儀解調(diào)的變壓器鐵芯振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的在線監(jiān)測方法，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，得到變壓器在各種故障下鐵芯各點處的振動狀態(tài)，利用有限元分析計算對變壓器鐵芯進行建模分析；分析單個硅鋼片隨交變電磁場而產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變狀況；進而得到變壓器鐵芯3D模型上任何一點隨著電壓、磁場密度、溫度和鐵芯壓緊程度的變化時的振動幅度與頻率；

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直接接入16通道波分復(fù)用器進行解復(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償信息的12個光纖光柵傳感器經(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，對采集到的電壓信號進行后續(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)用器的每個輸出通道吻合；其次所選的每一個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非平衡M-Z干涉儀中同時干涉。

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

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加速度傳感器直接測變壓器鐵芯振動信號，該方法以一種與變壓器完全無電氣連接的方式對變壓器振動信號進行監(jiān)測。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。因此將光纖傳感器作為變壓器鐵心在線監(jiān)測的敏感元件具有獨特的優(yōu)勢。

附圖說明

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

具體實施方式

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

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

圖中所示變壓器鐵芯振動在線監(jiān)測系統(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、光電探測器和信號采集與處理系統(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)來實現(xiàn)對在線運行的110KV變壓器鐵芯振動信號進行解調(diào)，在對110KV變壓器鐵芯各種常見故障進行建模仿真計算基礎(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)點上，實現(xiàn)對變壓器鐵芯振動的直接監(jiān)測。

實施例

本發(fā)明通過對變壓器鐵芯進行簡化建模，在電場與磁場的耦合作用下計算變壓器鐵芯3D模型各點的受力及應(yīng)變狀況。選擇合適的點作為監(jiān)測點。模擬變壓器鐵芯各種常見故障下振動信號的特征量。作為后續(xù)鐵芯故障識別的判據(jù)以及報警系統(tǒng)閾值設(shè)定的參考。

1.變壓器鐵芯建模仿真與監(jiān)測點選擇，在有限元分析的基礎(chǔ)上選擇變壓器鐵芯夾件為振動加速度傳感器安裝點，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110kv變壓器鐵芯振動信號的解調(diào)，為了在變壓器鐵芯上選擇出合適的傳感器安裝點，需要得到變壓器在各種故障下鐵芯各點處的振動狀態(tài)。因而，利用有限元分析計算對變壓器鐵芯進行建模分析。利用硅鋼片在電場與磁場的耦合作用下，分析單個硅鋼片隨交變電磁場而產(chǎn)生的動態(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。進而得到變壓器鐵芯3D模型上任何一點隨著電壓、磁場密度、溫度，鐵芯壓緊程度等因素變化時的振動幅度與頻率。也即變壓器鐵芯常見的故障下(變壓器短路、斷路、鐵芯多點接地、硅鋼片彎曲變形、鐵芯壓緊松動等)變壓器鐵芯各點振動狀態(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狀態(tài)，綜合選取振動基頻(100HZ)信號響應(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，作為我們對變壓器鐵芯振動監(jiān)測的點，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)建模仿真與實驗發(fā)現(xiàn)，布置兩個測點比較合適，每個測點由三個光纖光柵傳感器(測量振動加速度的傳感器)構(gòu)成，其中心反射波長分別不同；每個封裝成整體的光纖光柵傳感器內(nèi)部串聯(lián)兩個光纖光柵FBG，一個為振動加速度傳感器，另一個是為溫度補償而設(shè)的光纖光柵，一共六路；每路都有一個振動加速度傳感器，將兩個測點、一共六路光纖耦合進同一根光纖，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光纖耦合器后進入一個六路并列的光柵陣列，寬帶光源的光同步同頻的掃描每個光纖光柵，變壓器振動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進入到非平衡M-Z干涉儀(Mach·Zelmder interferometer馬赫一曾德爾干涉儀).對于任一光纖光柵的中心反射波長信號在進入非平衡M-Z干涉儀第一個1×2光纖耦合器后按照嚴格的分光比1：1，進入上下臂長差為2mm的非平衡M-Z干涉儀，對于任一波長的信號而言都會產(chǎn)生恒定的相位差，以滿足發(fā)生干涉的條件，同時，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1×2光纖耦合器處發(fā)生干涉，得到干涉后的信號，干涉信號的相位變化體現(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1×2光纖耦合器的輸出端接一個上述所選的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)，將光信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，以便后續(xù)的信號采集與處理系統(tǒng)進行信號采集與處理，最終得到變壓器振動信號；與有限元計算得到的變壓器鐵芯各種常見故障的特征量進行對比，對變壓器鐵芯的異常振動作出識別與故障診斷。