CN103868990B - 一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置及方法，其特征在于，在变压器油箱外部安放一个超声波发换能器，并在超声波发换能器旁边设置一个超声波接换能器，超声波接换能器的输出送入一个预警模块；使用超声波发换能器向变压器内部发出一个特定频率的超声波，所述超声波接换能器接收超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入所述预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。本发明的方法可以检测变压器内部凝冻实际情况，给变电站运维人员对变压器防冻策略以支撑，从而做到正确负荷调度投切来降低凝结灾害的影响。
Description
技术领域
本发明属于输变电设备变压器监测与保护领域，具体地说涉及检测变压器在极寒环境下内部凝冻情况的装置及方法。
背景技术
我国北方冬季比较寒冷，在冬季，我国部分地区的气温可以到达-30℃，某些特殊地区例如高海拔的山区甚至可以到达-50℃甚至更低。在这极端寒冷的情况下，对输变电设备造成了很大的影响，其中有一种情况为变压器内部凝冻，当变压器凝结时，可能使变压器器身变形或内部绝缘损坏等问题。变压器是输变电行业中的关键设备，它能否正常运行，直接影响整个电网的安全稳定，因此至今为止对于变压器已经出现了大量的状态监测与在线监测的手段来反应变压器内部运行情况，从而尽早发现变压器内部隐患，保证变压器的安全稳定运行。但是，现今为止尚未有变压器凝冻状况检测手段。迄今为止，预防变压器内部凝冻的主要方法为使用凝固点更高的变压器绝缘油与增大变压器负荷利用其自身发热防止内部凝冻。但是，现今变压器绝缘油的凝固点最低只能到-45℃，无法满足我国部分特殊地区的要求，并且变压器的负荷由电网实际情况所决定，因此在不知道变压器内部实际凝结情况下，无法做到正确负荷调度投切来降低凝结灾害的影响。
有鉴于此，本发明提供一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置及方法，以满足实际应用需要。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种可以检测变压器内部凝冻实际情况的装置及方法，给变电站运维人员对变压器防冻策略以支撑。
本发明所采用的技术方案是：一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置，其特征在于，包括设置在变压器油箱外部的一个超声波发换能器、一个位于超声波发换能器旁边的超声波接换能器以及预警模块；所述超声波发换能器的发射端及超声波接换能器的接收端均为正对变压器油箱；所述超声波发换能器向变压器油箱内部发出特定频段的超声波，所述超声波接换能器接收所述超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入所述预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置，其特征在于，所述超声波发换能器频段的选择在400K左右。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置，其特征在于，所述超声波发换能器与超声波接换能器之间的距离在5至10厘米。
本发明还提供一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，在变压器油箱外部安放一个超声波发换能器，并在超声波发换能器旁边设置一个超声波接换能器，超声波接换能器的输出送入一个预警模块；使用超声波发换能器向变压器内部发出一个特定频率的超声波，所述超声波接换能器接收超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入所述预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，通过接收到的反射波反射时间来判断变压器凝冻厚度的方法是：通过测定超声波在凝冻层内往返传播的时间t，即可测出凝冻层厚度；其中凝冻层厚度如下公式所示：
（1）
其中L为凝冻层厚度、c为超声波在凝冻住的绝缘油中的传播速率、t为超声波从超声波发换能器发出到超声波接换能器接收到的总时间。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，为简化电路可以采用调整信号周期的方法，使周期数直接等于厚度，将超声波测量的凝结的绝缘油凝冻层厚为1cm所花费的时间t0设置成为超声波的周期，那么该超声波的频率为1/t0，传播时间t内包含的周期个数为N，则有：
t=t0*N（2）
代入（1）式得：
（3）
因为（4）
则可得H=N
这样，可直接将周期的计数结果作为绝缘油厚度的测量显示。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，在利用所述方法进行检测时得到的结论是变压器内部已经完全凝结时，需要在变压器油箱的另一侧增加一个接换能器进行检测，通过发换能器发出的超声波能否被对面的接换能器接收到，及接收到的信号的强弱程度，用以区分变压器绝缘油未发生凝结或已经完全凝固的情况：当对面的接换能器无法收到超声信号或者信号已经衰减到无法识别的程度时可以判断为变压器绝缘油未凝结；当对面的接换能器很容易就能收到超声波信号，并且波形有明显的单纯锐角波时可以判断为变压器绝缘油已经完全凝固。
如上所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，设变压器的变压器器身到油箱箱壁的距离为D，根据变压器绝缘油凝冻程度则有以下预警方案：
当L≤50%D时，说明变压器可以正常运行，凝固的绝缘油并不影响变压器的正常运行；
当50%D≤L≤80%D时，说明凝固的绝缘油已经影响到了变压器的正常运行，但一般情况下不会发生事故，因此在该状态下的变压器需要格外留意观察，并且在条件允许的情况下可以考虑增加该变压器的运行负荷来进行变压器解冻；
当L≥80%D时，说明凝固的绝缘油已经严重影响到了变压器的正常运行，需要停机维护。
本发明的有益效果是：本发明通过在变压器油箱外部安放一个超声波发换能器和一个超声波接换能器，通过测量反射波的波形与反射时间，判定变压器绝缘油凝结厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。本发明的方法可以检测变压器内部凝冻实际情况，给变电站运维人员对变压器防冻策略以支撑，从而做到正确负荷调度投切来降低凝结灾害的影响。
附图说明
图1是本发明的原理图（装置结构示意图）。
图2是当变压器完全凝固后，位于发换能器对面的接换能器所接收超声波信号的波形图。
图3是是当变压器未凝结时，位于发换能器对面的接换能器所接收超声波信号的波形图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
附图中的符号说明：1—油箱箱壁，2—冻结的绝缘油，3—发换能器，4—接换能器（检测探头），5—未冻结的绝缘油，6—变压器器身，D—箱壁与变压器器身之间的距离，L—凝冻层厚度。
本发明的整体思路为，利用超声波的传播特性，准确而有效地确定变压器内部凝冻情况。该发明利用超声波在油箱、冻结的绝缘油、未冻结的绝缘油等不同介质中传播速率不同，并在超声波到达不同介质的交汇处时，会发生反射回波。并且，当变压器在极端低温环境下运行时，由于变压器自身会发出部分热量，因此一般情况下变压器绝缘油是从邮箱部位向内部凝结。因此针对超声波这种特性可以检测变压器内部凝结情况。
图1是本发明原理图，亦为装置结构图。本发明装置包括在变压器油箱外部的一个超声波发换能器3、一个位于发换能器3旁边的超声波接换能器4（检测探头）以及预警模块。发换能器3的发射端及接换能器4的接收端均为正对变压器油箱。发换能器3向变压器油箱内部发出特定频段的超声波，接换能器4接收超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。
由于变压器在运行过程中可以始终自身发热，因此可以认为变压器绝缘油凝结过程是从外向内的，因此只要能准确测量凝结层厚度，再与变压器图纸进行对照就可判断凝冻层距离变压器器身6的距离，从而判断该变压器是否可以继续运行。
其中，发换能器3可以发出特定频段的超声波，其中频段的选择在400K左右。由于油箱箱壁1的宽度要远远小于箱壁与变压器器身之间的距离D，因此超声波在箱壁中的传送时间可以忽略不计。
其中，发换能器与接换能器之间的距离最好在5至10厘米左右，这是由于距离过短可能使得发换能器干扰接换能器正常工作，而如果距离过大，则会导致检测结果误差偏高，从而影响变压器内部冻结情况的判断。
本发明的原理为，因超声波（包括纵波与横波）能够有效的在固体与液体介质中传播，并且在固体介质中的速度要远高于在固体介质中的速率，因此通过计算超声波反射回接换能器4的时间就可准确测量变压器内部冻结的绝缘油2具体厚度。
针对超声波的此种特性，本发明通过测定超声波在凝冻层内往返传播的时间t，即可测出凝冻层厚度。其中凝冻层厚度如下公式所示
（1）
其中L为凝冻层厚度、c为超声波在凝冻住的绝缘油中的传播速率、t为超声波从发换能器3发出到接换能器4的总时间。
若要直接进行计算，那么需要设计的电路会相对复杂，为简化电路可以采用调整信号周期的方法，使周期数直接等于厚度。例如，将超声波测量的凝结的绝缘油凝冻层厚为1cm所花费的时间t0设置成为超声波的周期，那么该超声波的频率为1/t0（频率经计算后约等于400k），传播时间t内包含的周期个数为N，则有：
t=t0*N（2）
代入（1）式得：
（3）
因为（4）
则可得H=N
这样，就可以直接将周期的计数结果作为绝缘油厚度的测量显示，比常规方法更加简单方便。
在测量过程中，如果遇到变压器内部没有发生凝固，由于变压器油箱厚度相对较小，因此超声波到达绝缘油时反射回来的时间较短很容易被忽略，此时超声波继续传播到变压器器身6时反射回接换能器4，此时很容易造成变压器内部已经完全凝固的误判，因此在利用本发明进行检测时得到的结论是变压器内部已经完全凝结时，需要在变压器油箱的另一侧增加一个接换能器4进行检测。由于超声波在固体中衰减较低，经大量试验证明，超声波一般不会穿透未凝结的变压器器身6，所以在变压器未凝结时对面的接换能器4无法收到超声信号或者信号已经衰减到无法识别的程度，如图3所示。而如果变压器内部已经完全凝固，由于固体介质对超声波的衰减极低，因此在变压器完全凝固后，对面的接换能器4可以很容易收到超声波信号，并且可以发现波形有明显的单纯锐角波，如图2所示。因此，利用这种方法可以有效的区分变压器未发生凝结或已经完全凝固的情况。
通过上述方法，可以测量出变压器内部绝缘油凝固厚挂在变压器箱壁上的厚度，由于变压器在生产过程中，同种变压器的变压器器身6到油箱箱壁1的距离是固定的，设其此距离为D，根据变压器绝缘油凝冻程度则有以下几个预警方案：
当L≤50%D时，说明变压器可以正常运行，凝固的绝缘油并不影响变压器的正常运行；
当50%D≤L≤80%D时，说明凝固的绝缘油已经影响到了变压器的正常运行，但一般情况下不会发生事故，因此在该状态下的变压器需要格外留意观察，并且在条件允许的情况下可以考虑增加该变压器的运行负荷来进行变压器解冻；
当L≥80%D时，说明凝固的绝缘油已经严重影响到了变压器的正常运行，需要停机维护。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置，其特征在于，包括设置在变压器油箱外部的一个超声波发换能器、一个位于超声波发换能器旁边的超声波接换能器以及预警模块；所述超声波发换能器的发射端及超声波接换能器的接收端均为正对变压器油箱；所述超声波发换能器向变压器油箱内部发出特定频段的超声波，所述超声波接换能器接收所述超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入所述预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。
2.根据权利要求1所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的装置，其特征在于，所述超声波发换能器与超声波接换能器之间的距离在5至10厘米。
3.一种在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，在变压器油箱外部安放一个超声波发换能器，并在超声波发换能器旁边设置一个超声波接换能器，超声波接换能器的输出送入一个预警模块；使用超声波发换能器向变压器内部发出一个特定频率的超声波，所述超声波接换能器接收超声波经油箱内部发射回来的反射波，将接收到的反射波波形及反射时间送入所述预警模块，由预警模块根据事先设定好的条件判断变压器凝冻厚度，从而判断该变压器是否符合运行条件。
4.根据权利要求3所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，通过接收到的反射波反射时间来判断变压器凝冻厚度的方法是：通过测定超声波在凝冻层内往返传播的时间t，即可测出凝冻层厚度；其中凝冻层厚度如下公式所示：
（1）
其中L为凝冻层厚度、c为超声波在凝冻住的绝缘油中的传播速率、t为超声波从超声波发换能器发出到超声波接换能器接收到的总时间。
5.根据权利要求3所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，为简化电路采用调整信号周期的方法，使周期数直接等于厚度，将超声波测量1cm厚的凝结的绝缘油凝冻层所花费的时间t0设置成为超声波的周期，那么该超声波的频率为1/t0，传播时间t内包含的周期个数为N，则有：
t=t0*N（2）
代入（1）式得：
（3）
因为（4）
则可得H=N
这样，可直接将周期的计数结果作为绝缘油凝冻层厚度的测量显示。
6.根据权利要求3所述的在极寒环境下电力变压器油凝冻预警的方法，其特征在于，在利用所述方法进行检测时得到的结论是变压器内部已经完全凝结时，需要在变压器油箱的另一侧增加一个接换能器进行检测，通过发换能器发出的超声波能否被对面的接换能器接收到，及接收到的信号的强弱程度，区分变压器绝缘油未发生凝结或已经完全凝固的情况：当对面的接换能器无法收到超声信号或者信号已经衰减到无法识别的程度时可以判断为变压器绝缘油未凝结；当对面的接换能器很容易就能收到超声波信号，并且波形有明显的单纯锐角波时可以判断为变压器绝缘油已经完全凝固。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lai Wenqing Inventor after: Song You Inventor after: Jiang Yi Inventor after: Wang Yonghong Inventor after: Nie Dexin Inventor after: Zhang Junshuang Inventor after: Guo Jingang Inventor after: Zhao Yuchao Inventor after: Shi Haipeng Inventor after: Liang Siyuan Inventor after: Du Zhenbo Inventor before: Wang Yonghong Inventor before: Jiang Yi Inventor before: Nie Dexin Inventor before: Zhang Junshuang Inventor before: Guo Jingang Inventor before: Zhao Yuchao Inventor before: Shi Haipeng Inventor before: Liang Siyuan Inventor before: Du Zhenbo Inventor before: Song You |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160602 Address after: Zhao Wuda Lu Hongbo building Jingqiao Development Zone in Saihan District of Hohhot City, the Inner Mongolia Autonomous Region 010020 Applicant after: STATE GRID EAST INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER COMPANY ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Applicant after: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 430074 Hubei Province, Wuhan city Hongshan District Luoyu Road No. 143 Applicant before: Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |