LDV對典型電工材料表面非接觸振動檢測的有效性分析

蔡開明, 關向雨, 林建港, 劉江, 陳志鵬

(福州大學電氣工程與自動化學院, 福建 福州 350108)

0 引言

電力設備在運行時, 會因內部零件松動、 機械磨損、 老化等因素導致其振動特性發生變化. 常見的電力設備在帶電運行過程中所產生的電磁力, 會帶動設備外殼產生基頻的機械振動[1-4]. 低壓開關柜中由于內部斷路器及其操作機構的動作, 也會產生非周期的機械振動信號[5]. 通過對電力設備振動信號的采集與分析, 掌握電力設備當前的運行狀態, 及時發現運行隱患, 可降低電力設備發生機械性故障的風險, 提高電力系統的可靠性.

對電力設備振動信號的采集, 主要是通過安裝在表面的接觸式振動傳感器, 獲取設備運行過程中的振動特征信息[6-7]. 傳統的振動傳感器體積小, 其活動部件易損壞, 且對于高處的電力設備, 需要外接絕緣桿進行采集, 對采集的有效性有所影響[8-10]. 激光多普勒測振儀(laser Doppler vibrometer, LDV)具有非接觸測量的優點, 可用于獲取和分析被測對象的頻率、 加速度和速度等信息. 肖遙等[11]利用商業LDV構建干式空心電抗器振動測試平臺, 實現對電抗器不同測點的非接觸式振動信息測量. 祝令瑜等[12]使用LDV采集不同頻率電流下干式空心電抗器匝間短路故障前后振動信號, 并進行相關研究. 師愉航等[13]利用LDV對單一頻率及多頻率激勵下電容器各表面外殼的振動信息進行采集, 研究其振動特性, 但未考慮LDV的工作距離對測量結果的影響. 商業化的LDV裝置通常采用632 nm中波長激光作為激光源, 但此波段的激光易受外界環境的干擾; 而采用1 550 nm的激光器能夠有效地避免環境光干擾, 且產生的激光光線穩定[14].

基于此, 為了探究LDV在電力設備振動檢測中的有效性, 從電力設備自身材料出發, 針對電力工業特殊的現場環境及目前商業化LDV的不足, 研制1 550 nm的全光纖激光測振系統. 搭建振動測試平臺, 模擬電力設備在典型工況下的振動幅值和振動頻率, 獲取各個電工材料的頻率響應特性及其響應距離. 探究LDV在不同電力設備中運用的可行性, 為今后LDV在電力設備狀態檢測的推廣提供依據.

1 1 550 nm全光纖LDV系統

1.1 激光多普勒測振原理

當激光器輸出一定頻率的光束照射在物體表面時, 由于所測物體在照射過程中發生的相對運動, 使光束在經過被物體反射回來時, 自身頻率發生改變, 并且所改變的頻率會隨著激光器與目標物體之間的運動距離遠近而相應地降低或升高, 這一過程中所產生的頻率變化就是多普勒頻移(fd)[15], 這種現象稱為光學多普勒效應. 即

(1)

式中:fd為激光經過被測物體表面反射回接收器所得到的多普勒頻移;v為被測物體表面的運動速度;λ為激光波長.

對比其他, 如干涉測振、 激光散斑測振等光學測振技術, 基于多普勒頻移的激光測振技術具有動態精度高、 非接觸測量等優點[16]. 除此之外, 激光多普勒測振技術將激光光束照射在電力設備表面, 通過反射光束與本振光束之間會發生相位差異這一特點, 分析目標振動所產生的多普勒頻率調制信號, 就能從中獲得目標振動的位移、 速度等被測設備表面的振動信息.

1.2 全光纖1 550 nm LDV系統組成

系統搭建自主研發的1 550 nm全光纖激光多普勒測振裝置, 裝置的光路結構如圖1所示.

圖1 激光測振裝置光路結構Fig.1 Optical path structure of laser vibration measuring device

光纖分束器將激光分為2路. 一路作為測量光, 通過光學鏡頭發射到被測物體表面, 反射后被該鏡頭接收至光纖環路器輸出端口; 另一路作為基準光, 通過聲光調制器(acoustic optical modulator, AOM)加入80 MHz的調制頻率. 2路信號經過光纖耦合器耦合, 并送入平衡探測器, 就能夠得到包含振動目標多普勒頻移的混頻信號, 即

Iin(t)=|Kr||Ks|cos(2π(fAOM±fd)t+φ(t))

(2)

式中:Kr、Ks分別為基準光信號與回波信號的光強度;fAOM為聲光調制器的調制頻率;φ(t)為信號的初相位.

從式(2)可見, 平衡探測器輸出的混頻信號是一個調制信號, 可通過對光學多普勒信號的解調提取多普勒頻移fd.

為了接收平衡探測器輸出的混頻信號, 從中提取被測對象的振動信息, 需要在數據采集終端進行對信號的解調處理, 其流程如圖2所示. 主要包括正交模塊、 濾波模塊及信號處理模塊.

圖2 振動信號解調流程圖Fig.2 Flow chart of vibration signal demodulation processing

平衡探測器輸出的信號通過正交模塊后, 得到一對正交化的混頻信號. 為了便于討論振動信號的處理流程, 忽略信號的初相位, 得到I、Q兩路正交信號. 即

I(t)=K[sinφd(t)+sin(4πfAOMt+φd(t))]

(3)

Q(t)=K[cosφd(t)+cos(4πfAOMt+φd(t))]

(4)

式中:K為信號的幅值響應;φd(t)為包含被測目標多普勒頻移的相位信號.

將正交模塊得到的結果經過濾波器模塊去除高頻部分, 產生帶有振動信息的正交基頻信號. 再利用反正切或交叉微分相乘等方式, 提取φd(t)中的多普勒頻移. 根據光學多普勒效應, 就能夠得到被測對象的振動信息[17]. 經檢測, 該系統的頻率響應范圍在0.05～10.00 kHz之間, 振動探測距離為0.8～20.0 m, 滿足后續實驗要求.

2 實驗材料與測試平臺

2.1 電工材料試樣

試驗對象采用電力工業中常見的材料如表1所示, 包括常用于電力設備外殼的金屬材料如鐵、 鋁合金和作為導體的紫銅、 鋁, 以及作為絕緣材料的陶瓷、 硅橡膠, 并利用粗糙度測試儀獲取各個材料表面的粗糙度(LRa). 在試件中心處留有孔徑大小為5 mm的螺孔. 當試件安裝時各個材料通過螺栓與激振臺固定.

表1 試驗所用材料及其應用場景Tab.1 Materials used in the test and its application scenarios

2.2 振動試驗平臺

為了探究LDV對不同電力設備表面的振動測量效果, 搭建電力設備表面材料振動測試平臺, 如圖3所示. 測試平臺主要包括頻率可調的振動試驗臺、 激光多普勒測振裝置和加速度采集裝置3個部分.

圖3 電力設備外殼材料振動測試平臺Fig.3 Vibration test system for electric equipment enclosure

振動試驗平臺采用電動式激振臺, 最大允許激振力200 N, 最大振幅±10 mm, 允許使用頻率為0～2.0 kHz. 激振臺自身具有一定重量, 可抵消大部分由環境振動而產生的影響. 為防止激振臺振動傳遞到底部桌面, 兩者之間采用緩沖墊隔離. 試驗采用加速度傳感器(IEPE 傳感器), 頻率范圍為0.5～3.0 kHz, 電壓靈敏度498.9 mV·g-1, 安裝諧振頻率18 kHz. 傳感器感應到的振動信號通過MPS-140801信號采集卡采集, 采集卡量程±10 V, 采樣率最高可達128 kHz, 將傳感器感應到的振動信號實時傳輸到上位機進行顯示與分析. 加速度傳感器內部留有5 mm螺孔, 能夠與激振臺前端的導桿可靠固定.

3 實驗結果與分析

3.1 LDV對不同電工材料的頻響特性分析

如圖3所示, 在激振臺的振源處安裝加速度傳感器, 采集振動臺在不同頻率、 不同材料的振動波形和振動數據. 測量結果采用多次測量取平均值的方式記錄, 并與LDV采集到的振動波型進行比對, 確保LDV能夠正常工作.

激振臺的驅動信號由信號發生器產生, LDV通過獲取激振臺試件的振動信息, 得到振動加速度(EV), 即

EV=kEV, maxsin(2πft+φ0)

(5)

式中:EV, max為激振臺振動加速度幅值;k為試件振動時在空氣中散射的傳播系數;f為信號發生器所產生的振動頻率.

采用MPS數據采集儀、 加速度傳感器與LDV分別測量激振臺上試件的振動, 試件振動頻率固定為100 Hz, 結果如圖4所示. 其中, 圖4(a)為加速度傳感器在試件上所測得的振動頻譜, 圖4(b)為LDV測量的試件振動頻譜. 由圖中可見, 兩者所采集到的單頻振動結果一致.

圖4 振動傳感器與LDV采集的100 Hz振動波形頻譜Fig.4 Acceleration sensor and LDV collect vibration spectrum of 100 Hz respectively

試驗分別測試了LDV對材料在0.003g、 0.010g、 0.030g振動加速度下的測振性能. 利用信號發生器產生對應的加速度, 驅動激振臺上的試件產生0.05～2.00 kHz的振動. 圖5為LDV所采集到的各種電工材料的振動頻響特性.

圖5 LDV測得的各種材料在不同加速度下的頻響特性曲線Fig.5 Frequency response curves of each material measured by LDV at different accelerations

由圖5可以看出, 6種材料在不同頻率振動下的響應情況基本相同, 它們的振動響應均隨著振動頻率的上升而逐漸下降. 當LDV在測量50～200 Hz之間的頻率響應時, 由于激振臺在低頻振動下振動幅值會增大, 受激振臺自身性能的局限, 各種材料在該頻段內所測得的響應較大.

3.2 LDV對不同電工材料的距離響應分析

為了探究LDV工作距離對電工材料測振性能的影響, 試驗利用LDV, 采集3～10 m距離下各種材料的振動數據. 最后, 得到各種材料在LDV不同工作距離下的響應數據.

從圖6可見, 銅、 硅橡膠、 鐵和陶瓷4種材料在3～4 m的距離內能夠得到相對平穩的響應. 隨著距離的提高, 這些材料的響應特性曲線開始發生波動, 其中, 硅橡膠和鐵的曲線波動較大. 根據材料所測得的表面粗糙度分析, 產生這類現象的原因是, 硅橡膠和鐵的表面粗糙度相對于其他材料較高, 使響應發生變化[18], 加之硅橡膠材質較軟所帶來的振動衰減, 使 LDV對其振動的采集帶來進一步影響. 鋁和鋁合金由于表面光滑, 相較與其它4種材質有著更好的反光能力, 因此, 其距離響應相對穩定.

圖6 LDV所測得各個材料在0.003g下的距離響應曲線Fig.6 Distance response curve of each material measured by LDV at 0.003g

4 結語

以激光多普勒測振技術為基礎, 針對傳統LDV裝置波長較低的不足, 研制基于1 550 nm的全光纖LDV裝置. 搭建電力設備表面材料振動測試平臺, 選擇電力工業中常用的幾種電工材料作為測試對象, 通過對不同材料的振動數據分析, 總結出各種材料對應的頻響范圍和工作距離. 結果表明: 1) LDV對除硅橡膠及鐵外的4種電力設備表面材料均有良好的測振效果; 2) LDV系統能夠在3～6 m的距離內實現對電工材料的振動測量; 3)對于其它電工材料, 可能需要通過在其表面加上反光貼等方式才能得到較好的檢測效果. 通過研究LDV對電力設備常用材料的測振性能, 驗證激光多普勒測振技術在電力設備故障檢測中運用的可行性, 并為今后電力設備非接觸式狀態測量的研究提供參考和依據.