CN105973934A - 一种变压器绕组材质智能诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器绕组材质智能诊断装置，包括PTC加热装置、温度传感器、采集装置和处理器；PTC加热装置通过继电器与采集装置连接；所述PTC加热装置用于对变压器相接头导电杆始端进行加热；温度传感器用于采集变压器相接头导电杆始端的温度；采集装置与处理器连接。本发明提供的诊断装置解决了现有诊断装置及方法诊断速度慢、诊断过程复杂等问题，操作简单，诊断速度快；该装置是基于热电效应的变压器材质鉴别，因此操作简单、不存在安全隐患。在不拆解变压器、不破坏绕组的前提下，可以简单快捷地进行诊断。使用范围广。能对各型变压器绕组进行鉴别。针对不同的变压器相接头设计不同的加热器尺寸，即可通过智能诊断装置对各类变压器绕组进行鉴别。

Description

一种变压器绕组材质智能诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及变压器检测领域，特别是一种变压器绕组材质智能诊断装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，电力需求日益增长，电力变压器的需求越来越大。然而，近年来原材料价格上涨，铜线价格大幅攀升，变压器生产成本越来越高，而受市场约束变压器的销售价格却不能同幅度上涨。因此电力变压器，尤其是10kV级别的配电变压器中，长期存在着使用铝线代替铜线的现象。部分厂家的变压器采用半铝制造，如绕组一次为铝、二次为铜，或绕组一次为铜、二次为铝，甚至个别厂家全部改用铝线制造变压器。由于铜铝材质特性上的差异，铝绕组变压器本身存在着性能上的不足。同时变压器生产企业数量巨大，许多不具备质量控制和试验检测等必要能力的小企业混迹其中，其生产的铝绕组变压器质量更是难以保证。

变压器绕组的质量问题极易引起安全事故，使用铝绕组变压器将极大地增加变压器损坏的风险，在整个电力系统运行中埋下安全隐患。因此必须加强变压器绕组的质量控制，甄别出电力系统中以次充好的铝绕组变压器。

目前，国内外对变压器绕组材质检测已开展了研究，并取得了一定进展。最直接的方法是对绕组进行破坏取样，再进行金属化学成分分析，但这种破坏性检验的人力及时间成本巨大，还给电网运维人员带来了极大不便。部分研究人员利用直流电源对变压器绕组通电，得到绕组的电阻时间曲线，再与其标准曲线对比，但其忽略了温升对绕组电阻的影响，效果不佳。此外还可利用X射线探伤机和工业射线胶片对配电变压器绕组拍照，将被测变压器绕组材料的X射线衰减系数与透照厚度曲线同铜、铝的标准曲线进行比对。由于这种方法会产生辐射，对人体健康威胁很大，且价格昂贵，现场使用不便。

因此，在不拆解变压器、不破坏绕组的前提下，掌握一种能便捷有效地诊断配电变压器绕组材质的技术方法，具有重要的工程实用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种变压器绕组材质智能诊断装置；本装置解决了现有破坏性检验、X射线探伤等方法成本高昂、操作困难、存在安全隐患等问题，采用基于温差电效应的诊断方法，在不拆解变压器、不破坏绕组的前提下，进行变压器材质的诊断。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的变压器绕组材质智能诊断装置，包括PTC加热装置、温度传感器、采集装置和处理器；

所述PTC加热装置通过继电器与采集装置连接；所述PTC加热装置用于对变压器相接头导电杆始端进行加热；所述温度传感器用于采集变压器相接头导电杆始端的温度；所述采集装置与处理器连接。

进一步，所述采集装置包括电源电路、温度传感器电路、继电器控制电路、热电势调理电路和USB采集卡；

所述变压器相接头与导电杆始端通过铜质引线与热电势调理电路连接；所述热电势调理电路输出端连接到USB采集卡模拟采集口；所述USB采集卡通过USB线与处理器建立通讯连接；所述温度传感器通过温度传感器电路与USB采集卡连接用于输入温度传感器采集的温度信号；所述电源电路与USB采集卡连接用于分别为温度传感器电路、继电器控制电路和热电势调理电路提供电能。

进一步，所述处理器包括材质判断模块，所述材质判断模块按照以下方式进行：

S61：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为第一接点的温度；T₂为第二接点的温度；

S62：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质；

S63：如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材；

S64：显示和存储诊断结果。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种变压器绕组材质智能诊断方法，包括以下步骤：

S1：开断继电器初始化放大倍数采集初始热电势输入到处理器；

S2：调节并设置初始热电势范围；

S3：闭合继电器通过加热装置对变压器相接头进行加热；

S4：采集变压器相接头温度信号输入到处理器；

S5：判断变压器相接头处温度是否处于预设温度阈值范围，如果是，则控制放大倍数采集热电势输入到处理器；

S6：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为第一接点的温度；T₂为第二接点的温度；

S7：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质并显示和存储诊断结果。

进一步，所述变压器绕组材质的判断具体如下：

如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的变压器绕组材质智能诊断装置针对现有诊断装置及方法诊断速度慢、诊断过程复杂等问题，通过智能化诊断装置来自动控制数据采集，并结合数据进行变压器绕组材质的分析诊断，操作简单，诊断速度快；该装置是基于热电效应的变压器材质鉴别，因此操作简单、不存在安全隐患。在不拆解变压器、不破坏绕组的前提下，可以简单快捷地进行诊断。使用范围广。能对各型变压器绕组进行鉴别。针对不同的变压器相接头设计不同的加热器尺寸，即可通过智能诊断装置对各类变压器绕组进行鉴别。

本装置以USB采集卡、PC机及基于Labview的检测分析程序为核心，能够自动完成加热温度控制、温度及热电势的自动采集、数据计算分析，最终实现变压器绕组材质智能诊断。降低测量成本。本发明装置结构简单、成本低廉；方法操作简便，方便现场测量，并能节约大量的人力、物力、财力，能显著提高工作效率，降低测量成本，便于推广应用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为变压器绕组材质诊断装置结构示意图；

图2为变压器绕组材质诊断装置变压器安装示意图；

图3为电源电路；

图4为继电器控制电路；

图5为温度传感器电路；

图6为热电势调理电路。

图7为变压器绕组材质智能诊断方法。

图中，1为继电器、2为温度传感器、3为导电杆、4为铜排、5为绕组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种变压器绕组材质智能诊断装置，包括PTC加热装置、温度传感器、采集装置和处理器；

所述PTC加热装置通过继电器与采集装置连接；所述PTC加热装置用于对变压器相接头导电杆始端进行加热；所述温度传感器用于采集变压器相接头导电杆始端的温度；所述采集装置与处理器连接。

本实施例的处理器采用个人电脑(PC)。

本实施例的PTC加热装置的热源为2～4片PTC陶瓷恒温加热片，型号选择220V/260℃/300W，规格为56*56*7毫米。PTC陶瓷恒温加热片的主要优点是非电磁式加热原理，不会对热电势测量造成干扰；表面绝缘，可以与金属直接接触，固体传热，传热效率高；加热功率高且自动恒温无需温控，不易因过热产生危险。PTC加热模块采用工频220V交流电源，最大功率可达1200W，使用时PTC加热片表面温度最高为255℃，加热模块主体温度约为200～250℃，使用继电器开断加热模块电源，可使变压器接头处温度达到160～220℃。

所述采集装置包括电源电路、温度传感器电路、继电器控制电路、热电势调理电路和USB采集卡；

所述变压器相接头与导电杆始端通过铜质引线与热电势调理电路连接；所述热电势调理电路输出端连接到USB采集卡模拟采集口；所述USB采集卡通过USB线与处理器建立通讯连接；所述温度传感器通过温度传感器电路与USB采集卡连接用于输入温度传感器采集的温度信号；所述电源电路与USB采集卡连接用于分别为温度传感器电路、继电器控制电路和热电势调理电路提供电能。

本实施例的温度传感器采用PT100铂电阻温度传感器，温度的采集范围可以在-200℃～+300℃，与变压器一相接头直接接触测量，精度较高。

所述处理器包括材质判断模块，所述材质判断模块按照以下方式进行：

S61：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为接点1的温度；T₂为接点2的温度；

S62：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质；

S63：如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材；

S64：显示和存储诊断结果。

如图3所示，电源采用220V转正负12V开关电源，正5V由LM2596-5.0构成电源电路由正12V转为5V，供给整个采集装置所需的正负12V、正5V电源。

温度传感器电路如图4。三端PT100铂电阻与R1、R3、R5构成电桥，电压差由放大器AD623差分放大51倍(反馈电阻R8决定)，放大器输出端连接到USB采集卡模拟采集口，由电压值可对应铂电阻值，进而对应PT100分度表，得到所测温度。

继电器控制电路如图5。6N137高速光耦隔离，防止干扰，保证控制继电器准确。

热电势调理电路如图6。由高速运算放大器AD817为核心器件，构成信号跟随器、信号放大器，放大1000倍，经RC低通滤波。由PGA204可编程增益放大器构成程控电路，由两路USB采集卡I/O输入进行数字编程选择，增益K为1,10,100,1000倍。

电源电路、温度传感器电路、继电器控制电路、热电势调理电路通过印刷电路连接，同时配套设计了常用的通过印刷电路连接的电源滤波电路及信号低通滤波器，电源滤波电路能提高电源质量，降低干扰，信号低通滤波器有效抑止高频干扰。

USB采集卡采用NI USB 6211采集卡。其通讯连接方式为USB连接，具有16路模拟输入采集，2路模拟输出，4路I/O，16位分辨率，最大采样率250kS/s。可结合Labview软件程序，能够实现信号采集控制及采集数据处理分析。

PC通过USB与USB采集卡建立连接，通过Labview软件及程序，实现温度信号、热电势信号的采集及变压器绕组材质鉴别。

实施例2

本实施例提供的变压器绕组材质智能诊断方法，包括以下步骤：

S1：开断继电器初始化放大倍数采集初始热电势输入到处理器；

S2：调节并设置初始热电势范围；

S3：闭合继电器通过加热装置对变压器相接头进行加热；

S4：采集变压器相接头温度信号输入到处理器；

S5：判断变压器相接头处温度是否处于预设温度阈值范围，如果是，则控制放大倍数采集热电势输入到处理器；

S6：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为接点1的温度；T₂为接点2的温度；

S7：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质并显示和存储诊断结果。

所述变压器绕组材质的判断具体如下：

如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材。

本实施例利用变压器绕组材质智能诊断装置，通过程序进行测量，如图7，其具体方法步骤如下：

(1)准备

如图2所示，设备连接安装方式为：采用PTC加热片的加热器通过螺纹，设置在变压器三相接头其中一个相接头导电杆3始端，加热器电源连接继电器1，继电器连接采集装置继电器控制电路接口，USB采集卡I/O输出口连接到控制电路控制端；pt100温度传感器2分别设置于所述其中一个相接头与0相接头导电杆3始端处，连接到采集装置温度传感器电路接口，温度传感器电路输出连接到USB采集卡模拟采集口；导电杆通过铜排4与绕组5连接；所述其中一个相接头与0相接头导电杆始端由铜质引线与热电势调理电路连接，热电势调理电路输出连接到USB采集卡模拟采集口；USB采集卡通过USB线与PC机建立通讯连接。

(2)初始化

第(1)步完成后，连接采集装置及加热装置电源，通过程序自动进行以下初始设置：

程序控制继电器开断；

程序控制，初始化程控放大倍数为1；

②打开数据采集卡的温度采集通道，采集初始热电势，并调零；

(3)温度控制

第(2)步完成后，通过程序控制，闭合继电器，开始加热，打开数据采集卡温度采集通道，采集当所述其中一个相接头温度信号，传输到PC，由程序计算相应温度，若高于200℃，控制继电器开断，切断加热装置电源，停止加热；当所述其中一个相接头温度低于160℃，程序控制继电器闭合，继续加热，构成闭合反馈，保持相接头温度稳定与160℃～200℃。

(4)数据采集

第(3)步完成后，打开USB数据采集卡热电势采集通道，程序控制采集卡两路I/O输出，自动调整程控放大器的放大倍数，使输入热电势模拟口的信号幅值范围为1V～10V，以提高测量准确度；以一定的时间间隔，采集多组热电势数据及对应温度数据，数据由USB采集卡传输到PC，并生成记录文件，存储于PC；采集完成，程序控制断开继电器，停止加热。

(5)数据计算、分析

第(4)步完成后，PC端程序对采集到的热电势及对应温度一次数据进行处理，计算出相应的真实热电势及对应温度。在仿真分析和实验验证的基础上，考虑一定的裕度，若当温度差相对稳定的情况下，取变压器绕组材质为铜材时热电势应不高于50μV。因此若热电势值在一定时间内，始终保持U≤50μV，则为铜绕组变压器，否则为非铜绕组变压器。

(6)结果显示及存储

第(5)步完成后，由在Labview程序控制面板上直接显示变压器绕组材质诊断结果。并将诊断结果、数据以数据文件形式存储于PC，供以后随时调用及显示。

本实施例是基于赛贝克效应的变压器材质诊断，通过分析变压器热电效应的过程，推导出绕组回路的总热电势和绕组材质的关系式，结合实际情况计算铜变和铝变的热电势差异，再考虑一定的裕度，确定判断阈值Um；基于Labview软件开发程序，结合硬件，实现加热温度控制、温度及热电势的自动采集、数据计算分析，最终实现变压器绕组材质智能诊断，诊断结果显示及存储。

鉴别方法的基本物理原理是塞贝克(Seebeck)效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。对于由两种不同导体串联组成的回路，不考虑塞贝克系数随温度的变化情况下的塞贝克效应热电势计算公式为：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：Sab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T1为接点1的温度；T2为接点2的温度。

理论上同种材质导体之间，即使存在温度差异，也不会产生热电势。但是在工程实际中，虽然都是铜材质，由于纯度不完全相同，所含杂质成分不同，其塞贝克系数也会有略微差异。经过实验室测量，不同的铜材质之间的相对塞贝克系数极小，一般不高于1μV/K。

铜材和铝材为异种金属，在有温度差异的情况下，会发生较明显的热电效应。实验室采用变压器绕组常用的漆包铜线和漆包铝线样品进行测量，测得室温下漆包铜线和漆包铝线的相对塞贝克系数为4.1576μV/K。

变压器热电效应测量回路中的导体有外部引线、导电杆、铜排、绕组四种。外部引线采用铜材质导线，导电杆和铜排已知为铜材质，绕组材质未知。

当变压器绕组材质为铜材时，整个热电效应测量回路均为同种导体材质。因此，基于前述理论分析，变压器绕组回路不会产生明显的热电效应，热电势应该趋近于零。在仿真分析和实验验证的基础上，考虑一定的裕度，取变压器绕组材质为铜材时热电势应不高于50μV。

当变压器绕组材质为铝材时，绕组材质与热电效应测量回路中其他导体材质不同，会产生明显的热电效应。加热后，由于铝材绕组两端温度不同，在绕组两端会产生一定的热电势。取铜铝相对塞贝克系数4.1576μV/K进行计算，当绕组两端温差达到12.5℃时，热电势即会超过50μV。进行仿真分析和实验验证，本发明采用的加热方式完全可以使配电变压器绕组两端温差超过15℃，达到鉴别要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种变压器绕组材质智能诊断装置，其特征在于：包括PTC加热装置、温度传感器、采集装置和处理器；

所述PTC加热装置通过继电器与采集装置连接；所述PTC加热装置用于对变压器相接头导电杆始端进行加热；所述温度传感器用于采集变压器相接头导电杆始端的温度；所述采集装置与处理器连接。

2.如权利要求1所述的变压器绕组材质智能诊断装置，其特征在于：所述采集装置包括电源电路、温度传感器电路、继电器控制电路、热电势调理电路和USB采集卡；

所述变压器相接头与导电杆始端通过铜质引线与热电势调理电路连接；所述热电势调理电路输出端连接到USB采集卡模拟采集口；所述USB采集卡通过USB线与处理器建立通讯连接；所述温度传感器通过温度传感器电路与USB采集卡连接用于输入温度传感器采集的温度信号；所述电源电路与USB采集卡连接用于分别为温度传感器电路、继电器控制电路和热电势调理电路提供电能。

3.如权利要求1所述的变压器绕组材质智能诊断装置，其特征在于：所述处理器包括材质判断模块，所述材质判断模块按照以下方式进行：

S61：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为第一接点的温度；T₂为第二接点的温度；

S62：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质；

S63：如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材；

S64：显示和存储诊断结果。

4.一种变压器绕组材质智能诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：开断继电器初始化放大倍数采集初始热电势输入到处理器；

S2：调节并设置初始热电势范围；

S3：闭合继电器通过加热装置对变压器相接头进行加热；

S4：采集变压器相接头温度信号输入到处理器；

S5：判断变压器相接头处温度是否处于预设温度阈值范围，如果是，则控制放大倍数采集热电势输入到处理器；

S6：通过以下公式计算热电势保持电压：

U＝S_ab(T₁-T₂)；

式中：S_ab为导体a和导体b之间的相对塞贝克系数；T₁为第一接点的温度；T₂为第二接点的温度；

S7：根据热电势保持电压判断变压器绕组材质并显示和存储诊断结果。

5.如权利要求4所述的变压器绕组材质智能诊断方法，其特征在于：所述变压器绕组材质的判断具体如下：

如果热电势应不高于50μV，则变压器绕组材质为铜材。