基于光纤的变压器内部振动测量装置及其测量方法与流程

本发明属于变压器运行检测技术领域，尤其是一种基于光纤的变压器内部振动测量装置及其测量方法。

背景技术：

变压器在运行过程中，受到磁致伸缩、动热稳定、电流谐波等因素影响，会在变压器的不同部位产生频率与持续时间各不相同的振动信号。振动信号反映了内部器件的连接配合及应力变形情况，表征了变压器的运行状态，对变压器状态评估有重要意义。变压器振动与其运行中的机械稳定性有关，内部振动信号测量是反映变压器内部组件隐患的有效手段。

目前，变压器振动测量主要是通过外置式加速度传感器进行，其将变压器整体振动过程中产生的加速度转化为电信号，经过放大、滤波等环节提取特征信号，并识别振动信号的来源。这种方式测得的振动信号含有大量的外部干扰，主要反映外置传感器安装处附近的振动情况，计及变压器铁心、线圈等部件的振动在传播过程中的衰减，该方式对变压器内部振动测量的灵敏度不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变压器内部振动测量方法及其装置，解决了在强电磁场干扰环境下信号传输的问题，能够更精确地进行变压器内部振动测量。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于光纤的变压器内部振动测量装置，包括激光器、二个分光镜、二个反射镜、四个准直透镜、参考光纤、光纤检测线圈和检光镜；所述激光器发出的激光信号经过第一分光器分为投射光束和反射光束，所述透射光束经第一准直透镜进行方向稳定后在参考光纤中传播，所述反射光束经第一反射镜和第二准直透镜进行方向矫正及方向稳定后在光纤检测线圈中进行传播；所述参考光纤和光纤检测线圈的末端分别连接第三准直透镜和第四准直透镜，第三准直透镜出来的光束经第二反射镜后进入第二分光镜，第四准直透镜出来的光束到达第二分光镜，第二分光镜输出光束至检光器并将光强转化为电信号后输出；所述光纤检测线圈安装在变压器绕组或变压器铁心上。

所述激光器、二个分光镜、二个反射镜、四个准直透镜、参考光纤和检光镜均安装在变压器外部。

所述激光器为氦氖激光器。

所述光纤检测线圈通过固定带固定在变压器绕组或变压器铁心上。

所述光纤检测线圈由绝缘的光导纤维制成。

一种基于光纤的变压器内部振动测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、激光器发出指定频率的激光信号。

步骤2、采用如下公式计算光纤内光的相角变化量：

δφ＝2πnη·mδl/λ

其中，m为变压器绕组匝间产生平均位移δl时有效检测段总数，n代表光纤的折射率；η代表变压器绕组应变转化为光纤检测线圈应变量的效率，λ代表激光信号的波长；

步骤3、根据光纤相角变化量与干涉光光强的关系，计算变压器绕组匝间产生平均位移δl随时间的变化规律，获取线圈振动的频率及幅值。

所述n为常数；η值为0.6。

所述光纤相角变化量与干涉光光强i(t)的关系为：

i(t)＝i0[1+vcos(φ0+δφ(t))]

其中，i0为光强的平均值，v为光调制度。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其利用光导纤维制作光纤检测线圈并通过测量变压器内部部件应力形变得到内部振动信号，不仅解决了在强电磁场干扰环境下信号传输的问题，而且不影响设备的绝缘性能，克服了传统加速度传感器滤波效果差、灵敏度低的问题，具有抗干扰、分辨率高的特点，有效提高了变压器内部振动测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的光纤检测线圈工作原理图；

图3是输入工频电压、干涉光强的变化趋势示意图；

图4是对干涉光相角曲线δφ进行傅里叶分解得到频率与幅值示意图；

图中，1：氦氖激光器，2-1：第一分光镜，2-2：第二分光镜，3-1：第一反射镜，3-2：第二反射镜，4-1：第一准直透镜，4-2：第二准直透镜，4-3：第三准直透镜，4-4：第四准直透镜，5：变压器绕组，6：参考光纤，7：变压器铁心，8：光纤检测线圈，9：固定带，10：检光镜，11：检测段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于光纤的变压器内部振动测量装置，如图1所示，包括氦氖激光器1、第一分光镜2-1、第二分光镜2-1、第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第一准直透镜4-1、第二准直透镜4-2、第三准直透镜4-3、第四准直透镜4-4、变压器绕组5、参考光纤6、变压器铁心7、光纤检测线圈8、固定带9和检光镜10。所述氦氖激光器1发出指定频率的激光信号，经过第一分光器2-1分为两个光束(投射光束和反射光束)，其中，透射光束经第一准直透镜4-1进行方向稳定，在参考光纤6中传播；反射光束经第一反射镜3-1和第二准直透镜4-2进行方向矫正及方向稳定后，再由光纤绕制的光纤检测线圈8中进行传播。在参考光纤6和光纤检测线圈8的末端分别连接第三准直透镜4-3和第四准直透镜4-4，第三准直透镜4-3出来的光束经第二反射镜3-2后进入第二分光镜2-2，第四准直透镜4-4出来的光束到达第二分光镜2-2，通过分光镜2-1后的透射光与反射光存在光程差，叠加后形成光的干涉现象。在不同光程差下干涉光光强不同，由检光器10将光强转化为电信号后输出。所述参考光纤6安装在变压器外部，光纤检测线圈8可以由固定带9固定于变压器绕组5或变压器铁心7上，本发明除了光纤检测线圈8外的其它部分均位于变压器外部

本发明的测量装置基本构成是一套双路单频激光干涉系统，激光信号发出后分两束传播，一束光信号通过置于设备外的参考光纤后被接收，另一束通过变压器内置的光纤检测线圈后被接收，这两束光信号形成干涉条纹，干涉光强度由检光镜转化为电信号输出。变压器振动过程中的应力变形将转化为光纤的弹性形变，改变该光束的传播距离，从而改变干涉光的强度。当所用氦氖激光器的波长为633nm时，光纤检测线圈可分辨出纳米数量级上的应力变形，形变量信号经过处理后还原为光纤检测线圈处的振动信号。可检测的振动信号频率取决于检光镜的动态响应特性，可支持5～3000hz的振动信号测量。

在本发明中，光纤检测线圈的工作原理如图2所示。变压器工作过程中不同匝绕组间产生相互作用力力f,f’，引起线圈振动。光纤检测线圈固定于绕组后，在相互作用力影响下，检测段11将产生拉伸形变，检测段越多，总的形变量越大，所以光纤检测线圈的灵敏度与线圈匝数成正比。设变压器绕组匝间产生的平均位移δl时有效检测段总数为m，则检测光纤内光的相角变化量δφ＝2πnη·mδl/λ。其中，n代表光纤的折射率，为常数；η代表变压器绕组应变转化为光纤检测线圈应变量的效率，取0.6；λ代表激光的波长，当使用波长为633nm的氦氖激光器时，采用足够大的检测段m，光纤检测线圈可分辨出1nm数量级上的应力变形。光纤相角变化量与干涉光光强的关系为i(t)＝i0[1+vcos(φ0+δφ(t))]，其中i0为光强的平均值；v为光调制度(调制度变化速度远小于光相角变化)。干涉光强i(t)由检光镜检测后转化为电信号输出，装置可检测的振动信号频率取决于检光镜的动态响应特性，可支持5～3000hz的振动信号测量。通过光强i(t)可计算变压器绕组匝间产生平均δl随时间的变化规律，获取线圈振动的频率及幅值。

基于上述原理，本发明的变压器内部振动测量装置的测量方法包括以下步骤：

步骤1、氦氖激光器发出指定频率的激光信号。

在本实施例中，使用波长为633nm的氦氖激光器并产生相应的激光信号。

步骤2、采用如下公式计算光纤内光的相角变化量：

δφ＝2πnη·mδl/λ

其中，m为变压器绕组匝间产生平均位移δl时有效检测段总数，n代表光纤的折射率，为常数；η代表变压器绕组应变转化为光纤检测线圈应变量的效率，取0.6；λ代表激光信号的波长。

步骤3、根据光纤相角变化量与干涉光光强的关系，计算变压器绕组匝间产生平均位移δl随时间的变化规律，获取线圈振动的频率及幅值。

光纤相角变化量与干涉光光强的关系为i(t)＝i0[1+vcos(φ0+δφ(t))]，其中i0为光强的平均值；v为光调制度。干涉光强i(t)由检光镜检测后转化为电信号输出，通过光强i(t)计算变压器绕组匝间产生平均δl随时间的变化规律，最终获取线圈振动的频率及幅值。

下面给出一个具体实测结果：

将光纤检测线圈固定于需开展振动检测的变压器的绕组或铁心上，从专用的法兰将光纤引出，光纤在变压器内部的布置避开高电场强度区域。使变压器处于正常运行状态，用激光干涉系统进行振动检测。在振动检测时，输入工频电压、干涉光强的变化趋势如图3所示。图中，曲线vin为50hz工频输入电压；曲线i(t)为干涉光强，由本发明提出的装置测得；曲线δφ为由光强计算得出的干涉光相角变化，通过上述计算公式得到。

对干涉光相角曲线δφ进行傅里叶分解，得到频率与幅值关系，如图4所示。图中各点可表示光纤检测线圈安装处产生变压器内部振动时，在某一振动频率下的振动幅度大小。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。