CN113341348B - 基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，包括两个绝缘棒、耐油单芯光缆、两个环形器、两个激光器、两个光电检测器，以及计算机；其中一个绝缘棒用于粘接固定在变压器的铁芯或绕组上，另一个绝缘棒用于粘接固定在油箱的内壁上；耐油单芯光缆具有两段分别紧密缠绕于两个绝缘棒上的感振段；其中一个环形器的中间端口与耐油单芯光缆的一端连接，另一个环形器的中间端口与另一端连接；两个激光器分别与两个环形器的输入端口连接；两个光电检测器分别与两个环形器的输出端口连接；计算机与两个光电检测器分别电连接。本发明提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，振动监测和定位准确度高、抗干扰性好。

Description

基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置

技术领域

本发明属于变压器振动监测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置。

背景技术

电力变压器是电力电网系统中重要的电气设备，在电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展的同时，提高电力系统中最为关键的电力变压器的运行可靠性显得极其重要。由于变压器安装环境存在强电磁干扰，目前大多采用在变压器器身上粘贴加速度传感器的方式进行振动监测，也有少数采用光纤振动传感检测变压器铁芯或绕组的方式进行振动监测，但是由于造成变压器振动的因素很多，主要有铁芯和绕组的振动、变压器本身的振动和油箱的振动、外界环境如风雨等引起的变压器振动，这些振动因素之间相互影响，因此单纯采用上述监测方式并不能够准确判断变压器振动的准确情况和振源位置，而对于采用多点布控监测(包括贴附或环绕在铁芯和线圈周围的检测光纤、靠近或环绕在油箱外壁的检测光纤等多个位置进行检测)的方式，由于光纤的设置方式不可靠，尤其是对于油浸式变压器而言，光纤在油液中受油液振动的影响(随油液振动产生变形)，会导致光纤感应振动的准确性下降，因此振动监测位置环境的抗干扰性能不足，容易出现变压器振动故障误判或漏判、异常振源定位错误的情况，从而可能引发事故。

发明内容

本发明实施例提供一种基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，旨在解决当前油浸式变压器振动监测准确性、抗干扰性、异常振源定位能力差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，包括：

两个绝缘棒，其中一个绝缘棒用于粘接固定在变压器的铁芯或绕组上，另一个绝缘棒用于粘接固定在油箱的内壁上；

耐油单芯光缆，具有分别密封穿出油箱外的第一端和第二端，还具有两段分别紧密缠绕于两个绝缘棒上的感振段；

两个环形器，其中一个环形器的中间端口与第一端连接，另一个环形器的中间端口与第二端连接；

两个激光器，分别与两个环形器的输入端口连接；

两个光电检测器，分别与两个环形器的输出端口连接；

计算机，与两个光电检测器分别电连接；

其中，两个激光器分别向两个环形器的输入端口发射激光，两束激光在耐油单芯光缆中形成两个反向运行的光信号，两个光信号分别经两个光电检测器转换为电信号并反馈至计算机，计算机分析并对比两个电信号，以获得变压器的异常振动信号和位置。

在一种可能的实现方式中，感振段为裸芯光纤，绝缘棒上套设有用于封装裸芯光纤的密封套。

一些实施例中，绝缘棒的周壁上设有双螺旋槽，绝缘棒上设有沿其径向贯穿的通孔，通孔连通双螺旋槽远离绝缘棒端部的两个槽端；感振段穿过通孔并嵌于双螺旋槽内。

示例性的，双螺旋槽的槽深与感振段的线径匹配，且双螺旋槽与感振段之间的间隙内填充有压敏胶，密封套的内壁与绝缘棒的周壁密封贴合。

一些实施例中，绝缘棒的端壁中心设有密封台，密封台的中心设有沿绝缘棒的轴向延伸的螺柱，密封套的一端封闭，且封闭端的中心设有用于旋接螺柱的螺孔，密封套的封闭端内壁与密封台密封抵接。

示例性的，密封套的封闭端的端壁上开设有两个用于密封穿行耐油单芯光缆的穿线孔。

一些实施例中，绝缘棒的一端一体成型有绝缘板，两个绝缘板分别与铁芯或绕组、油箱的内壁通过耐油耐高温胶粘接固定。

在一种可能的实现方式中，两个感振段之间串接有延时器。

在一种可能的实现方式中，两个激光器发射的激光的波长不同。

在一种可能的实现方式中，两个光电检测器与计算机之间均依次串接有放大器和滤波器。

本发明提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，铁芯或绕组上的振动能够传递至与其相连的绝缘棒上，油箱箱壁的振动能够传递至另一个绝缘棒上，由于耐油单芯光缆的两个感振段分别紧密缠绕在两个绝缘棒上，能够避免油液的振动或波动对感振段的影响，振动传递效果好且抗干扰性强，从而提高振动感应精度；

两个激光器分别向两个环形器的输入端口发射激光，两束激光分别经两个环形器的中间端口进入耐油单芯光缆的两端，从而形成反向运行的两个光信号，两个光信号分别经过两个感振段时发生光特性变化，然后分别经两个环形器的输出端口进入光电检测器，利用光电检测器将光信号转换为电信号并传输给计算机进行数据分析，从而判断是否发生振动异常，采用耐油单芯光缆一方面能够避免变压器油腐蚀光缆内部纤芯，另一方面在于能够提高两个光信号的传输环境一致性，从而避免光信号因传输环境不同而产生的光特性变化差异性，确保两个感振段的感应结果能够相互参照验证以提高监测可靠性和准确性，另外，由于两个反向运行的光信号经过两个感振段的先后顺序相反，因此能够通过对比两个光信号的光特性异常变化的先后时间，获得异常振动出现在铁芯或绕组位置还是油箱位置，从而实现对变压器异常振源位置的高准度定位。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置的振动监测原理框图；

图3为本发明实施例所采用的绝缘棒的立体结构示意图；

图4为本发明实施例所采用的感振段的缠绕结构示意图；

图5为本发明实施例所采用的密封套的立体结构示意图。

图中：1、绝缘棒；10、绝缘板；11、密封套；110、螺孔；111、穿线孔；112、第二密封圈；12、双螺旋槽；13、通孔；14、密封台；15、螺柱；16、第一密封圈；2、耐油单芯光缆；20、感振段；3、环形器；4、激光器；5、光电检测器；6、计算机；7、铁芯或绕组；8、油箱。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置进行说明。所述基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，包括两个绝缘棒1、耐油单芯光缆2、两个环形器3、两个激光器4、两个光电检测器5，以及计算机6；其中一个绝缘棒1用于粘接固定在变压器的铁芯或绕组7上，另一个绝缘棒1用于粘接固定在油箱8的内壁上；耐油单芯光缆2具有分别密封穿出油箱8外的第一端和第二端，还具有两段分别紧密缠绕于两个绝缘棒1上的感振段20；其中一个环形器3的中间端口与第一端连接，另一个环形器3的中间端口与第二端连接；两个激光器4分别与两个环形器3的输入端口连接；两个光电检测器5分别与两个环形器3的输出端口连接；计算机6与两个光电检测器5分别电连接；其中，两个激光器4分别向两个环形器3的输入端口发射激光，两束激光在耐油单芯光缆2中形成两个反向运行的光信号，两个光信号分别经两个光电检测器5转换为电信号并反馈至计算机6，计算机6分析并对比两个电信号，以获得变压器的异常振动信号和位置。

本实施例提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置的工作原理为：

首先应当理解的是，本实施例中采用的环形器3为三端口环形器3，进入输入端口的激光(光信号)由中间端口射出、进入中间端口的光信号由输出端口射出，另外，绝缘棒1的直径应当以感振段20缠绕于其周壁后的弯曲度不影响光信号的正常传输为宜。

为方便进行说明，定义连接在耐油单芯光缆2的第一端的环形器3为第一环形器、与第一环形器连接的激光器4和光电检测器5分别为第一激光器和第一光电检测器，连接在第二端的环形器3为第二环形器、与第二环形器连接的激光器4和光电检测器5分别为第二激光器和第二光电检测器；另外，第一激光器发射的激光定义为第一光信号，第二激光器发射的激光定义为第二光信号，缠绕在与铁芯或绕组7连接的绝缘棒1上的感振段20为第一感振段，缠绕在与油箱8内壁连接的绝缘棒1上的感振段20为第二感振段。

第一激光器发射的第一光信号依次经第一环形器的输入端口、第一环形器的中间端口、耐油单芯光缆2(依次经第一感振段、第二感振段)、第二环形器的中间端口、第二环形器的输出端口后进入第二光电检测器，第二光电检测器将第一光信号转换为第一电信号并传递给计算机6；同样的，第二激光器发射的第二光信号依次经第二环形器的输入端口、第二环形器的中间端口、耐油单芯光缆2(依次经第二感振段、第一感振段)、第一环形器的中间端口、第一环形器的输出端口后进入第一光电检测器，第一光电检测器将第二光信号转换为第二电信号并传递给计算机6；然后计算机6分析并对比第一电信号和第二电信号，从而判断第一光信号和第二光信号的光特性变化，并结合光特性变化判断变压器是否具有异常振动现象。

在此应当理解的是，当光纤(光缆)受到振动时，光纤中传输的光信号的部分特性就会改变，这些特性变化包括衰减、相位变化、波长变化、传播时间变化等多个方面，在本实施例中可以选择一个或多个特性变化进行分析，以波长和时间变化为例，当第一感振段感应到异常振动时，第一光信号经过第一感振段时波长发生异变，然后再经过第二感振段后经第二环形器传递至第二光电检测器，而第二光信号首先经过第二感振段，然后在到达第一感振段时波长发生异变并经第一环形器传输至第一光电检测器，由于第一光信号和第二光信号的异变时间不同，也就是说，最终由计算机6数据处理得到的第一光信号的异变时间点会先于第二光信号的异变时间点，从而能够判断异常振动发生在铁芯或绕组7上，同理，若第二光信号的异变时间点先于第一光信号的异变时间点，那么可以判定异常振动发生在油箱8上；在此基础上，可以优选为将第一感振段和第二感振段设置为不同的长度，使得光信号经过两个感振段20的用时有所不同，从而能够进一步提高两个光信号的异常振动时间的差异，进而提高变压器振源的判断准确性。

另外，在本实施例中，由于采用耐油单芯光缆2，利用叠加原理，能够使得第一光信号和第二光信号的特性变化曲线(除去时间因素后)一致，相当于能够同时获得两组可以相互参照对比的监测数据，从而能够降低漏判误判几率，提高振动监测可靠性。

本实施例提供的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，与现有技术相比，铁芯或绕组7上的振动能够传递至与其相连的绝缘棒1上，油箱8箱壁的振动能够传递至另一个绝缘棒1上，由于耐油单芯光缆2的两个感振段20分别紧密缠绕在两个绝缘棒1上，能够避免油液的振动或波动对感振段20的影响，振动传递效果好且抗干扰性强，从而提高振动感应精度；

两个激光器4分别向两个环形器3的输入端口发射激光，两束激光分别经两个环形器3的中间端口进入耐油单芯光缆2的两端，从而形成反向运行的两个光信号，两个光信号分别经过两个感振段20时发生光特性变化，然后分别经两个环形器3的输出端口进入光电检测器5，利用光电检测器5将光信号转换为电信号并传输给计算机6进行数据分析，从而判断是否发生振动异常，采用耐油单芯光缆2一方面能够避免变压器油腐蚀光缆内部纤芯，另一方面在于能够提高两个光信号的传输环境一致性，从而避免光信号因传输环境不同而产生的光特性变化差异性，确保两个感振段20的感应结果能够相互参照验证以提高监测可靠性和准确性，另外，由于两个反向运行的光信号经过两个感振段20的先后顺序相反，因此能够通过对比两个光信号的光特性异常变化的先后时间，获得异常振动出现在铁芯或绕组7位置还是油箱8位置，从而实现对变压器异常振源位置的高准度定位。

在一些实施例中，参见图1，感振段20为裸芯光纤，绝缘棒1上套设有用于封装裸芯光纤的密封套11。应当理解，光缆由缆芯(光纤)、填充物和护套构成，在此选用的耐油单芯光缆2即为护套采用耐油材料制成，而缆芯为单芯结构，而感振段20为剥除护套和填充物的裸芯光纤，通过将裸芯光纤直接缠绕在绝缘棒1上，从而能够消除填充物和滑套对于振动传递的过滤影响，提高感振段20的振动感应灵敏度，而采用密封套11将裸芯光纤进行封装后能够避免变压器油与裸芯光纤接触，从而避免裸芯光纤受油液腐蚀。

作为上述绝缘棒1的一种具体实施方式，请参阅图1至图4，绝缘棒1的周壁上设有双螺旋槽12，绝缘棒1上设有沿其径向贯穿的通孔13，通孔13连通双螺旋槽12远离绝缘棒1端部的两个槽端；感振段20穿过通孔13并嵌于双螺旋槽12内。感振段20能够嵌入双螺旋槽12内，从而确保感振段20与绝缘棒1之间的缠绕稳定性，同时能够增加感振段20与绝缘棒1的接触面积，提高感振段20对于绝缘棒1的振动感应灵敏度，另外，由于采用了双螺旋槽12的结构、配合连通两个槽端的通孔13，一方面能够提高感振段20的缠绕紧密性，另一方面还能够使得感振段20的两端均朝向绝缘棒1的端壁上伸出，从而方便密封套11对感振段20进行封装。

在上述绝缘棒1的具体实施方式中，双螺旋槽12的槽深与感振段20的线径匹配，且双螺旋槽12与感振段20之间的间隙内填充有压敏胶，密封套11的内壁与绝缘棒1的周壁密封贴合。双螺旋槽12可以优选设置为与感振段20直径匹配的U型断面，在嵌入感振段20时，可预先在双螺旋槽12内涂覆适量的压敏胶，然后在感振段20完全嵌入后再通过压敏胶将双螺旋槽12填满，从而使得感振段20与绝缘棒1的缠绕更加紧密可靠，能够提高振动传递效果，同时由于感振段20完全嵌入了双螺旋槽12内，因此密封套11能够紧密套装在绝缘棒1上，从而提高感振段20的封装可靠性，避免油液浸入。

一些实施例中，请参阅图1及图3，绝缘棒1的端壁中心设有密封台14，密封台14的中心设有沿绝缘棒1的轴向延伸的螺柱15，密封套11的一端封闭，且封闭端的中心设有用于旋接螺柱15的螺孔110，密封套11的封闭端内壁与密封台14密封抵接。通过螺柱15与螺孔110的配合实现密封套11与绝缘棒1的封装连接，同时由于密封台14与密封条的内端壁紧密抵触，从而能够避免油液由螺柱15的螺纹配合间隙内向密封套11内浸入，安装连接方便且密封效果好。

当然，为了进一步提高密封套11对于感振段20的封装可靠性，在本实施例中，请参阅图1、图3及图5，螺柱15上套设有第一密封圈16，密封套11的开放端内壁上沿其轴向间隔嵌装有多个第二密封圈112，利用第一密封圈16能够将螺柱15与螺孔110之间的装配缝隙进行可靠密封，利用多个第二密封圈112能够将密封套11的口部与绝缘棒1的周壁之间的装配间隙可靠密封，从而避免油液浸入密封套11内部与感振段20接触。

当然，由于耐油单芯光缆2需要穿入密封套11内，而为了避免油液随耐油单芯光缆2的穿入位置一并进入密封套11内，需要在耐油单芯光缆2穿入密封套11内的位置进行密封处理，具体的，请参阅图5，密封套11的封闭端的端壁上开设有两个用于密封穿行耐油单芯光缆2的穿线孔111。穿线孔111上可以是通过嵌装密封唇，利用密封唇与耐油单芯光缆2的周壁密封套11接，从而实现耐油单芯光缆2密封穿行通过穿线孔111，也可以是在耐油单芯光缆2穿过穿线孔111后涂覆耐油密封胶，从而将耐油单芯光缆2与穿线孔111之间的间隙进行密封。

一些可能的实现方式中，参见图1及图3，绝缘棒1的一端一体成型有绝缘板10，两个绝缘板10分别与铁芯或绕组7、油箱8的内壁通过耐油耐高温胶粘接固定。通过设置绝缘板10一方面能够提高与铁芯或绕组7、油箱8内壁的接触面积，提高振动感应灵敏度和振动传递效率，另一方面能够增加粘接面积，确保绝缘棒1与铁芯或绕组7、油箱8的内壁的连接稳固。

一些实施例中，请参阅图2，两个感振段20之间串接有延时器。为了避免油液浸泡腐蚀延时器，在此可以将延时器封装在其中一个密封套11内部。通过设置延时器，能够增大光信号经过两个感振段20的间隔时间，从而能够更容易分辨两个光信号产生光特性异常变化的时间先后顺序，从而准确定位变压器异常振动位置。

一些实施例中，请参阅图2，两个激光器4发射的激光的波长不同。在变压器实际运行过程中，铁芯和绕组7的振动频率通常在100～1000Hz之间，而油箱8的振动主要由于变压器外界环境或人为因素，以及变压器风扇、油泵的影响，其振动频率通常在100Hz以下，针对两者不同的振动频率范围，将两个光信号分别设置为相应的波长范围，从而能够使两个光信号分别针对铁芯(或绕组7)和油箱8的振动进行针对性感应，从而提高振动监测效果，减少振源辨识的噪声数据。

一些实施例中，请参阅图2，两个光电检测器5与计算机6之间均依次串接有放大器和滤波器。通过设置放大器能够放大电信号，从而方便判断异常点，进而推导出光信号异常点以判断变压器异常振动情况，通过设置滤波器能够减少噪声数据，从而方便进行数据处理，提高监测准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，包括：

两个绝缘棒，其中一个所述绝缘棒用于粘接固定在变压器的铁芯或绕组上，另一个所述绝缘板用于粘接固定在油箱的内壁上；

耐油单芯光缆，具有分别密封穿出所述油箱外的第一端和第二端，还具有两段分别紧密缠绕于两个所述绝缘棒上的感振段；

两个环形器，其中一个所述环形器的中间端口与所述第一端连接，另一个所述环形器的中间端口与所述第二端连接；

两个激光器，分别与两个所述环形器的输入端口连接；

两个光电检测器，分别与两个所述环形器的输出端口连接；

计算机，与两个所述光电检测器分别电连接；

其中，两个所述激光器分别向两个所述环形器的输入端口发射激光，两束激光在所述耐油单芯光缆中形成两个反向运行的光信号，两个所述光信号分别经两个所述光电检测器转换为电信号并反馈至所述计算机，所述计算机分析并对比两个所述电信号，以获得所述变压器的异常振动信号和位置；

所述感振段为裸芯光纤，所述绝缘棒上套设有用于封装所述裸芯光纤的密封套；

所述绝缘棒的周壁上设有双螺旋槽，所述绝缘棒上设有沿其径向贯穿的通孔，所述通孔连通所述双螺旋槽远离所述绝缘棒端部的两个槽端；所述感振段穿过所述通孔并嵌于所述双螺旋槽内。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，所述双螺旋槽的槽深与所述感振段的线径匹配，且所述双螺旋槽与所述感振段之间的间隙内填充有压敏胶，所述密封套的内壁与所述绝缘棒的周壁密封贴合。

3.如权利要求1所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，所述绝缘棒的端壁中心设有密封台，所述密封台的中心设有沿所述绝缘棒的轴向延伸的螺柱，所述密封套的一端封闭，且封闭端的中心设有用于旋接所述螺柱的螺孔，所述密封套的封闭端内壁与所述密封台密封抵接。

4.如权利要求3所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，所述密封套的封闭端的端壁上开设有两个用于密封穿行所述耐油单芯光缆的穿线孔。

5.如权利要求1所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，所述绝缘棒的一端一体成型有绝缘板，两个所述绝缘板分别与所述铁芯或绕组、所述油箱的内壁通过耐油耐高温胶粘接固定。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，两个所述感振段之间串接有延时器。

7.如权利要求1-5任一项所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，两个所述激光器发射的激光的波长不同。

8.如权利要求1-5任一项所述的基于光纤传感的电网油浸式变压器振动监测装置，其特征在于，两个所述光电检测器与所述计算机之间均依次串接有放大器和滤波器。

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