刘云鹏(通信作者)1976—,男,博士(后),教授,博导,研究方向为特高压输电技术、电气设备在线监测E-mail: liuyunpeng@ncepu.edu.cn
0 引言
电力变压器在电力系统中具有重要地位,其安全运行直接影响着供电的可靠性与安全性[1]。当变压器发生短路故障时,变压器绕组受到巨大电动力作用,会发生塌陷、鼓包等永久性变形[2-3]。如不及时发现,累计效应会使变形进一步加剧,最终导致变压器事故。变压器绕组变形最直观的检测方式为吊罩检查,作为早期绕组变形的检测手段,该方法耗费大量的物力和财力,且难以判断内侧绕组的状况[4]。后来,国内外专家陆续开发了多种变压器绕组变形无损检测方法。主要有短路阻抗法(short-circuit reactance, SCR)[5-6]、低压脉冲法(low voltage impulse, LVI)[7]、频率响应分析法(frequency response analysis, FRA)[8]和振动法[9]。
短路阻抗法又称短路实验法是最早应用的变压器绕组变形检测方法,该方法以变压器绕组的漏抗作为状态参量[10],方法简单,重复性好,但对绕组的轻微变形不敏感[11],无法判定绕组变形种类;低压脉冲法是由波兰学者Lech和Tyminski于1966年提出的,该方法弥补了短路阻抗法测量灵敏度低的缺陷,但在实际应用中易受现场复杂电磁环境的影响,重复性较差;为克服低压脉冲法的一些缺陷,1978年加拿大学者E.P.Dick和C.C.Erven[12]提出频率响应法,该方法通过向变压器内部注入扫频信号,比较频率响应变化[13]。由于该方法灵敏度高,抗干扰能力强,现已成为我国电力系统检测变压器绕组变形的主要方法之一。但是该方法仅能进行离线测试,且对绕组首端位置的故障响应不灵敏;振动检测法根据箱体振动信号判断绕组状态,虽可做到在线监测,但若变压器发生短路故障,将会危及传感器及人身安全,该方法目前正处于研究阶段,并未得到广泛实施[14-15]。
为适应电气设备在线监测与状态评估的发展趋势,越来越多的学者致力于研究变压器绕组变形带电检测技术的可能性。但是变压器绕组变形在线监测受测量导线分布、穿心式电流互感器位置、地线长度等因素影响较大,理论研究和工程实践还不够深入,无法实现绕组变形的准确判断。
分布式光纤传感技术是近几年迅速发展起来的新型传感技术,其利用光纤的低损耗传输特性,通过分析光纤后向散射光的分布变化来检测光纤周围温度、应变等被测物理量,是一种全分布式的光纤传感技术。具有尺寸小、重量轻,耐温性能好,抗电磁干扰性强,传输距离远,便于遥测[16]和控制等优点。应用范围极广,包括：高压电力电缆[17]、高压输电线覆冰状态监测[18];桥梁[19-21]、高速公路等动态检测、防护及报警[22];火灾监测[23]等。
因此,利用分布式光纤传感检测绕组变形具有非常广阔的应用前景,目前尚未发现关于这方面的研究。本文基于布里渊散射原理,设计并制作了内置分布式光纤连续式绕组模型模拟绕组变形,进行了相关实验,利用布里渊光时域反射计(Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR)实现了绕组变形的准确测量,并采用极限学习机(extreme learning machine, ELM)对绕组应变信号进行模式识别,为变压器绕组变形检测提供了一种新的技术手段。
1 基于布里渊散射的分布式光纤应变检测原理
1.1 BOTDR测量原理
BOTDR）是基于自发布里渊散射的传感系统,具有单端入射,分布式测量等优点,能够实现绕组变形分布式检测。布里渊散射属于非弹性散射,由光纤中注入的光波场与其中弹性声波场之间相互耦合产生,可实现光纤应变和温度的分布式检测。其基本原理如
图1
BOTDR检测原理
Fig.1
Trap energy distribution in polymer
如上所述,当光纤存在轴向应变时,光纤中的布里渊频移将发生漂移,通过频移与应变之间的线性关系可得应变量。
1.2 基于布里渊散射的光纤应变检测
布里渊频移与光纤材料中的声速有关,声速会受到光纤材料的热光效应和弹光效应的影响,而热光效应和弹光效应与光纤材料的折射率、杨氏模量、泊松比和密度有关,因此光纤中温度和应变的变化都会引起布里渊频移和强度的变化。其结果表现为光纤的轴向应变和温度与布里渊频移具有很好的线性关系,即
${{v}_{B}}\left( T,\varepsilon \right)={{v}_{B0}}\left( {{T}_{0}},{{\varepsilon }_{0}} \right)+{{C}_{vT}}\Delta T+{{C}_{v\varepsilon }}\Delta \varepsilon $ (1)
式中：${{v}_{B}}(T,\varepsilon )$为光纤在温度T和应变\(\varepsilon \)下的布里渊频移;${{v}_{B0}}({{T}_{0}},{{\varepsilon }_{0}})$为光纤在初始温度T0和初始应变\({{\varepsilon }_{0}}\)下的布里渊频移;\({{C}_{\text{vT}}}\)、\({{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ }}}\)为布里渊频移的应变系数和温度系数,其受到光纤材料不同以及不同厂家制作工艺的影响,试验前需要对其进行标定。
1.3 温度补偿
布里渊频移对温度和应变交叉敏感,一般正常运行的变压器内部油温温差可达20 ℃以上,并且电力变压器的短路故障或绝缘破损等问题会引起变压器内部局部温度的急剧变化。因此为准确检测绕组变形,本文利用2根不同护套材料的紧套光纤共同铺设,对光纤监测变压器绕组变形进行温度补偿。具体方法为：在绕组表面贴附2根不同护套材料的紧套光纤,保证2根光纤处于相同的温度场和应变环境下,通过标定试验获得每一根光纤的温度和应变系数。同时测量2根光纤的频移情况便可实现温度和应变的同时传感,表示如下
\(\left( \begin{matrix} {{\delta }_{\text{v1}}} \\ {{\delta }_{\text{v2}}} \\\end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix} {{C}_{\text{vT}1}} & {{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ 1}}} \\ {{C}_{\text{vT2}}} & {{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ 2}}} \\\end{matrix} \right)\left( \begin{matrix} {{\delta }_{T}} \\ {{\delta }_{\text{ }\!\!\varepsilon\!\!\text{ }}} \\\end{matrix} \right)\) (2)
式中：\({{\delta }_{\text{v1}}}\)、\({{\delta }_{\text{v2}}}\)为频移变化量;\({{C}_{\text{vT}1}}\)、\({{C}_{\text{vT2}}}\)为温度系数;\({{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ 1}}}\)、\({{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ 2}}}\)为温度系数;\({{\delta }_{T}}\)为温度变化量;\({{\delta }_{\text{ }\!\!\varepsilon\!\!\text{ }}}\)为应变变化量。
由于2根光纤的护套材料不同,则温度系数和应变系数也不尽相同,保证${{C}_{vT1}}{{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ }2}}\ne {{C}_{\text{v }\!\!\varepsilon\!\!\text{ }1}}{{C}_{vT2}}$,解这个方程组便可得到温度和应变信息。
2 基于分布式光纤传感的绕组变形故障识别关键技术
2.1 分布式光纤在绕组中的布置方式
本文采用在绕组表面贴附光纤的方式进行绕组变形设置,
图2
布里渊频移标定
Fig.2
Brillouin frequency shift calibration
图3
表面敷设光纤的绕组导线截面图
Fig.3
Cross section of winding wire for surface laying of optical fiber
2.2 实验平台搭建
为达到实时在线检测变压器绕组变形,本文采用内径3 mm×5 mm的带状PVC管代替铜导线,以较为方便设置不同类型绕组变形。由于硬塑料形变与铜导线发生形变对光纤的影响基本相同,故选用此替代实现分布式光纤检测变压器绕组变形具有一定的可行性。另外考虑到采用PVC代替铜导线,绕组实际受力较真实导线较小,为得到较为明显的应力分布,本文将光纤置于绕组外表面。最终制成内径500 mm,共20饼,每饼5匝,总长为200 m的连续式绕组模型。同时,为引出传感信号,消除首端盲区和尾端反射对测量结果造成的误差,在模型首尾端分别连接20 m光纤尾纤。
在使用光纤敷设PVC外表面制作线圈的过程中,光纤将承受换位,正反饼挤压,拉拽等制作工艺的影响。为确保光纤贴附导线绕制过程中不被损坏,采用BOTDR全程监测光纤应变曲线。如
相比于桥梁、隧道、电缆等距离尺寸较大的研究对象,变压器绕组长度较短,弯曲半径较小,在遭受短路冲击变形时变形处的弯曲半径可达cm级。因此本文选择长飞G.657A1型抗拉伸,护套材料为ETFE,耐弯曲单模光纤作为传感光纤。BOTDR选用威海北洋光电生产的分布式光纤应变监测系统,光纤规格和BDTDR参数设置分别见
3 基于ELM的绕组变形模式识别
3.1 绕组变形检测的实现
变压器变形一般有轴向变形、径向变形、绕组松动等形式。当绕组发生轴向变形时,应力和应变最大处均位于导线窄面,导线宽面中心层处没有应力和应变,这导致宽面上2根光纤收到应变较小,较难判断绕组发生的轴向变形。在实际运行中,变
图4
绕组绕制过程应力监测
Fig.4
Stress monitoring in winding process
压器高低压绕组受短路冲击力的作用发生径向变形概率较大,故本文针对径向变形和绕组松动变形进行更为精确的测量。针对变压器实际运行中可能出现的典型绕组径向变形方式,对模型施加内凹、鼓包变形,变形示意图见
表1
光纤规格
Table
1 Optical fiber specifications
表2
BOTDR参数设置
Table
2 BOTDR parameter settings
图5
绕组变形设置
Fig.5
Winding deformation settings
按
$d=\sqrt{\sum\limits_{k=1}^{n}{{{\left( {{x}_{1k}}-{{x}_{2k}} \right)}^{2}}}}$
式中：$d$为欧氏距离;${{x}_{nk}}$为采样点应变量;$n$为采样点数。对应变曲线进行多次移动,移动过程中以采样分辨率为移动间距,采样点数为移动次数,每次移动后计算与基准曲线间的欧式距离,取最小距离作为最终结果。处理结果如
经过反复测量比较,本文最终将BOTDR光源脉宽设置为20 ns,即对应2 m的空间分辨率,则当光纤某一饼绕组某处出现变形时,光纤测量的是该处向前2 m内的综合应变,因此如
3.2 基于ELM的绕组变形模式识别
ELM是黄广斌等于2016年提出的一种针对单隐含层前馈神经网络(single-hidden layer feedforward neural network, SLFN)的新算法[25],其结构见
对第3章所述5种绕组变形样式,本文各采样100组,共得到包括正常样本在内的600组样本。首先对绕组应变信号进行S变换,即
\(S\left[ m,n \right]=\sum\limits_{p=0}^{N-1}{x\left( p \right)}\frac{n}{N\sqrt{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}}\text{exp}\left( -\frac{{{n}^{2}}{{\left( m-p \right)}^{2}}}{2{{N}^{2}}}{{\text{e}}^{-\frac{\text{i}2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }pm}{N}}} \right)\) (3)
式中：$x\left( p \right)$$\left( p=0,T,2T,\cdots ,\left( N-1 \right)T \right)$为离散信号;$N$
图6
绕组机械变形应变检测信号
Fig.6
Winding mechanical deformation strain detection signal
图7
ELM神经网络结构图
Fig.7
ELM neural network structure
为样本总量;$m,n=0,1\cdots ,N-1;$$T$为采样周期。
变换结果经简单分析处理可得应变信号时频分布三维谱图(如
图8
应变信号时频分布三维谱图
Fig.8
3-D spectrum of time-frequency distribution of strain signal
频分布三维谱图是时间、频率、微应变的三维空间图、反映应变信号的幅值,频率等综合信息;幅频曲线包络线即S模时频矩阵行向量极大值图,反映应变信号的频率变化;时间幅值包络线即S模时频矩阵列向量极大值图,反应应变量突变方向。
基于上述分析提取变压器绕组应变模式识别所需特征量,包括如下：频谱标准差平方根均值,记为F1;频率幅值包络线标准差,记为F2;时间幅值包络线平均能量,记为T1;时间幅值包络线的平均值,记为T2;时间幅值包络线标准差,记为T3。以上特征量计算式如下：
标准差： $\sigma \text{=}\sqrt{\frac{1}{N}\sum\limits_{\text{i}=1}^{N}{{{\left( {{x}_{i}}-\bar{x} \right)}^{2}}}}$ (4)
平均值： $\bar{x}=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{N}{{{x}_{i}}}$ (5)
平均能量： $E\text{=}\frac{1}{N}{{\sum\limits_{i=1}^{N}{\left| {{x}_{i}} \right|}}^{2}}$ (6)
式中：F1、F2为频域特征量;T1、T2、T3为时域特征量。随机选取450组作为训练样本,150组作为识别样本送入ELM神经网络,识别结果见
由
4 结论
1）光纤敷设线圈外表面绕制绕组过程监测结果显示,光纤传感器在绕组绕制过程中受到应力较小,远小于光纤抗拉强度允许值,能够保持良好的应变监测性能。
2）设计并制作内置分布式光纤的变压器绕组时,应充分考虑到变压器绕组制作工艺对光纤传感器机械强度的影响,并对传统制作工艺进行适当的改进。
表3
检测结果
Table
3 Test results
3）将导线与光纤贴合同步绕制,可使导线与光纤同步变形。通过BOTDR分布式测量得到的绕组应变信号包含大量特征量,通过ELM模式识别可有效判断出绕组变形方式,且不受变形位置、数量的影响。
参考文献
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