基于光纤法珀传感器的变压器铁心振动信号测试研究

摘要

变压器故障对于保障电力系统安全、可靠、优质、经济运行是一个极大的威胁，变压器的严重故障甚至会导致整个电网系统崩溃瓦解，危害极大。随着我国电网的迅速发展，提高电力设备尤其是大型变压器的运行可靠性，监控其运行状态就显得十分必要。变压器本体是变压器的重要组成部分，变压器铁心是其本体的核心元件，因此，变压器铁心的运行状态是判断变压器安全运行状态的重要标准，为了保证电网的安全运行我们需要在线监测变压器铁心的运行状态。结合国内外变压器振动在线监测的研究现状，论文提出了基于光纤法珀传感器的变压器铁心振动在线监测系统，完成了基于光纤法珀传感器在线监测变压器铁心的测试系统的整体设计，完成了系统搭建并且应用该测试系统，对变压器铁心振动信号进行了在线监测及分析。
　　 本论文通过变压器振动传播途径分析变压器振动原因，从而得到硅钢片的磁致伸缩是引起铁心振动的主要原因。详述了铁心硅钢片的磁致伸缩效应及原理，理论推导建模得出铁磁材料的振动模型，铁心磁致伸缩与励磁电压、电流，铁心振动加速度与铁心磁致伸缩的关系。通过对可用于铁心振动测量的几种传感器及其测量方法进行比较，得出光纤法珀传感器用于变压器铁心应变测量的优越性。
　　 根据变压器基本原理，把变压器等效为理想的电路模型，搭建Multism电路仿真电路，将仿真得到的电流时域波形导入matlab中fft分析得到频谱图，从而分析与之相关的变压器铁心振动频谱与负载变化的关系。针对实验用被测变压器，建立了一种简单有效的变压器1/2模型，利用Ansys软件做电磁耦合分析，模拟计算了变压器在负载情况下的输出参数，如次级电压、磁场分布情况。并且用Ansys软件做结构分析，估算了变压器铁心的固有频率，为后续测量振动实验提供了有效的仿真数据作参考比较。
　　 本论文完成了基于光纤法珀传感器的铁心振动信号测试系统的整体设计，在系统设计的基础上完成了系统搭建并且应用该系统对变压器铁心振动信号进行了测量与分析，验证了铁心振动信号基频应该为交流励磁电压(或电流)基频的两倍；铁心振动信号中的高次谐波成分主要分布于铁心的固有频率周围，且会随着负载的变化而变化。
　　 实验表明，系统运行稳定，能够进行在线监测并且提取出有效的铁心振动信号，易于优化升级。本设计为基于光纤法珀传感器的同类设计以及变压器振动测量相关领域的其它系统平台设计提供了重要参考。