CN107356845A - 双绕组变压器在线监测系统 - Google Patents

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黄松
王录亮
王思捷
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Abstract

一种双绕组变压器在线监测系统，包括：双绕组变压器、设备采集箱、中控室、第一行波测量模块、高压配电室及低压配电室；双绕组变压器通过变压器出线连接至高压配电室及低压配电室；设备采集箱与高压配电室中的母线PT、低压配电室中的母线PT、双绕组变压器、中控室中的后台服务器及第一行波测量模块连接；设备采集箱采集高压配电室中的母线PT及低压配电室中的母线PT的工频电压信号，第一行波测量模块的中性点接地高频信号及双绕组变压器的铁芯接电线高频信号；变压器一体化在线监测装置包括：在线取能模块、工频电流采集模块、工频电压采集模块、无线数据传输模块及第二行波测量模块。

Description

双绕组变压器在线监测系统
技术领域
本发明涉及变压器监测技术领域，具体涉及一种双绕组变压器在线监测系统。
背景技术
变压器作为电力系统中最为重要的输变电设备之一，其可靠运行对于保障电网安全具有重要意义。变压器发生严重故障可能会导致电力系统瘫痪，引发重大停电事故。
电力变压器故障主要包括两个方面，一是变压器内部微小缺陷引起的异常放电，放电起始阶段一般比较微弱，但随着变压器长时间的运行，微弱放电逐渐增强，最终造成绝缘层损坏或变压器油绝缘失效；二是变压器内部电与磁相互作用而产生作用力，特别是在发生短路或其它原因造成的大电流情况下，会出现较大的电动力，变压器内部元件受到力的作用而发生形变或位移。
对于变压器内部放电，因长时间的微弱放电会使变压器油色谱成分发生改变，目前比较广泛使用的检测方法是利用油色谱法测量油中的化学成分含量从而达到检测的目的，但准确可靠的油色谱法为离线检测，在线的油色谱监测法仍不稳定。还有一种检测手段是局部放电在线监测系统，但由于局部放电信号非常微弱，目前针对变压器的局部放电监测系统还存在大量误报的情况。对于变压器绕组的变形或位移，当前基本采用离线频率响应法来进行检测。因此，上述方法尚不能满足全面、实时、可靠的变压器状态监测要求。
发明内容
本发明实施例提供一种双绕组变压器在线监测系统，以在变电站无需安装任何其他附属设备的情况下，进行在线取能、数据发送及数据采集，在线监测双绕组变压器的隐患。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种双绕组变压器在线监测系统，该双绕组变压器在线监测系统包括：双绕组变压器、设备采集箱、中控室、第一行波测量模块、高压配电室及低压配电室；
所述双绕组变压器通过变压器出线连接至高压配电室及低压配电室；
所述设备采集箱与所述高压配电室中的母线PT、所述低压配电室中的母线PT、所述双绕组变压器、所述中控室中的后台服务器及所述第一行波测量模块连接；所述设备采集箱采集所述高压配电室中的母线PT及所述低压配电室中的母线PT的工频电压信号，所述第一行波测量模块的中性点接地高频信号及所述双绕组变压器的铁芯接电线高频信号，并发送至所述后台服务器；
所述双绕组变压器与所述高压配电室之间的每条变压器出线上均设置有变压器一体化在线监测装置；
所述变压器一体化在线监测装置包括：在线取能模块、工频电流采集模块、工频电压采集模块、无线数据传输模块及所述第二行波测量模块，其中，
所述在线取能模块分别与所述第二行波测量模块、所述工频电流采集模块、所述工频电压采集模块和所述无线数据传输模块电性连接；所述第二行波测量模块、工频电流采集模块、工频电压采集模块及所述无线数据传输模块并联连接。
一实施例中，所述设备采集箱中设置有：
数据采集模块，用于接收所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号；
数据处理模块，用于对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号进行模数转换；
存储器，用于存储对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号。
一实施例中，所述在线取能模块包括铁芯和线圈，通过感应所述变压器出线上的电磁能量产生感应电流。
一实施例中，所述第二行波测量模块包括：罗氏线圈互感器、高通滤波器和高频信号放大器；其中，所述变压器出线穿过所述罗氏线圈互感器，所述罗氏线圈互感器用于测量变压器出线上的电流信号；所述高通滤波器用于滤除所述电流信号对应的电压信号的工频信号，所述高频信号放大器用于放大经所述高通滤波器过滤后的电压信号。
一实施例中，所述工频电流采集模块包括：霍尔传感器，所述霍尔传感器用于根据变压器出线上的工频电流生成电压信号。
一实施例中，所述变压器一体化在线监测装置包括：圆柱状金属外壳、金属电压极板及采样电容，变压器出线沿所述圆柱状金属外壳的轴线穿过，所述金属电压极板通过绝缘胶粘剂固定在所述圆柱状金属外壳外表面并与所述圆柱状金属外壳同轴线，所述采样电容两端分别电性连接所述圆柱状金属外壳和所述金属电压极板，所述工频电压采集模块与所述采样电容并联。
本发明实施例的双绕组变压器在线监测系统，可以在变电站无需安装任何其他附属设备的情况下，进行在线取能、数据发送及数据采集，在线监测双绕组变压器存在的隐患。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的双绕组变压器在线监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的设备采集箱102的结构示意图；
图3为本发明实施例的变压器一体化在线监测装置109的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的短路电抗在线监测原理图；
图5是根据本发明实施例的在线取能模块的可选结构示意图；
图6是根据本发明实施例的行波测量模块的电流传感结构的示意图；
图7是根据本发明实施例的采集工频电压示意图；
图8为圆柱状金属外壳、金属电压极板和采样电容的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的双绕组变压器在线监测系统的结构示意图，如图1所示，该双绕组变压器在线监测系统包括：双绕组变压器101、设备采集箱102、中控室103、第一行波测量模块104、高压配电室105及低压配电室106。
双绕组变压器101通过高压出线107连接至高压配电室105，通过低压出线108连接至低压配电室106。高压出线107及低压出线108为变压器出线。高压配电室105可以为110KV配电室，低压配电室106可以为10KV配电室。
设备采集箱102与高压配电室105中的母线PT、低压配电室106中的母线PT、双绕组变压器101、中控室中103的后台服务器及第一行波测量模块104连接。设备采集箱102与双绕组变压器101通过铁芯接地线高频信号110连接，双绕组变压器101通过中性点引出线111连接至第一行波测量模块104。
设备采集箱102可以采集高压配电室105中的母线PT的工频电压信号及低压配电室106中的母线PT的工频电压信号(或电流信号)，可以采集第一行波测量模块104的中性点接地高频信号，还可以采集双绕组变压器101的铁芯接电线高频信号，并将采集的工频电压信号、中性点接地高频信号及铁芯接电线高频信号发送至后台服务器。
如图2所示，设备采集箱102中设置有：
数据采集模块201，用于接收所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号；
数据处理模块202，用于对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号进行模数转换；
存储器203，用于存储对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号。
双绕组变压器101与高压配电室105及低压配电室106之间的每条高压出线107及低压出线108上均设置有一个变压器一体化在线监测装置109。
如图3所示，变压器一体化在线监测装置109包括：在线取能模块1、工频电流采集模块3、工频电压采集模块4、无线数据传输模块5及所述第二行波测量模块2。
在线取能模块1分别与第二行波测量模块2、工频电流采集模块3、工频电压采集模块4和无线数据传输模块5电性连接。第二行波测量模块2、工频电流采集模块3、工频电压采集模块4及无线数据传输模块5并联连接。
上述的在线取能模块1通过从变压器出线上感应电磁能量生成感应电流或者感应电压，进而分别为第二行波测量模块2、工频电流采集模块3、工频电压采集模块4和无线数据传输模块5供电。
上述的第二行波测量模块2、工频电流采集模块3和工频电压采集模块4分别从变压器出线上测量双绕组变压器隐患放电及绕组变形监测所需的参数，并将测量得到的参数发送给无线数据传输模块5，进而通过无线数据传输模块5发送给远端的处理中心进行相应处理。
通过上述的变压器一体化在线监测装置109，由第二行波测量模块2测量高频行波信号，而高频行波信号能够反映变压器内部的异常放电，因而可以实现变压器隐患放电的监测。变压器内部绕组变形或者出现位移缺陷时，变压器的短路电抗将会发生变化，因此，上述变压器一体化在线监测装置109可以通过对变压器短路电抗的监测来监测变压器内部绕组变形或者位移缺陷。为了测量变压器短路电抗，上述变压器一体化在线监测装置109需要采集工频电流和工频电压，进而计算变压器的短路电抗值。
图4是根据本发明实施例的短路电抗在线监测原理图，参考图4，变压器的短路电抗值通过下列公式计算：
其中，Xsh为短路电抗值，X1为一次侧电抗值，X2为二次侧电抗值折算到一次侧的值，U1为一次侧端电压，U12为二次侧端电压折算到一次侧的值，U1和U12的上标A、B表示进行两次测量，一次测量称为A，另外一次称为B。
可选地，在线取能模块1包括铁芯和线圈，通过感应变压器的出线上的电磁能量产生感应电流。图5是根据本发明实施例的在线取能模块的可选结构示意图，如图5所示，铁芯18用于以双铁芯串联的形式从一次侧感应出交流电压，并通过前端冲击保护电路19、整流滤波电路20、DC/DC变换电路21、稳压电路22输出直流电压源，进行供电。需要说明的是，在线取能模块1并不限于图5所示的结构，还可以是现有技术中任一能够从工频交流输电线上获取电能的结构。
双绕组变压器中微弱放电是许多严重事故的根源，微弱放电必定伴随着电流的产生，这种电流一般幅值较小、频率较高，电流沿着变压器绕组传播。
第二行波测量模块2可以实时监测高频行波电流，利用宽频互感器技术和对工频信号的高抑制、对高频信号的高放大技术，监测变压器的异常放电情况。可选地，第一行波测量模块及第二行波测量模块2包括：罗氏线圈互感器、高通滤波器和高频信号放大器，其中，变压器的出线穿过罗氏线圈互感器，罗氏线圈互感器用于测量出线上的电流信号；高通滤波器用于滤除电流信号对应的电压信号的工频信号，高频信号放大器用于放大经高通滤波器过滤后的电压信号。
图6是根据本发明实施例的行波测量模块(第一行波测量模块及第二行波测量模块)的电流传感结构的示意图，如图6所示，变双绕组压器的出线穿过罗氏线圈互感器，实现出线上电流的测量。由罗氏线圈互感器原始采集的电流信号，经过前置高通滤波器过滤，再送入多级50Hz工频陷波器与高通放大环节，去除工频信号并放大高频信号，最后经由大比例系数放大器，得到纯净的高频信号。
其中，工频信号是指频率为50Hz的电压信号；高频信号是指频率为1kHz～5MHz的电压信号。
变压器在外界大电流的冲击下，内部元件几何形状、空间位置发生改变，本装置的工频电流采集模块3和工频电压采集模块4在在线监测行波电流的同时，测量工频物理量，用以实时计算短路电抗值，从而通过短路电抗反映外界冲击是否对变压器产生了影响。
可选地，工频电流采集模块3包括霍尔传感器，用于根据变压器的出线上的工频电流生成电压信号。
图7是根据本发明实施例的采集工频电压示意图，如图7所示，可选地，所述变压器一体化在线监测装置包括圆柱状金属外壳、金属电压极板和采样电容，被测变压器的出线沿所述圆柱状金属外壳的轴线穿过，所述金属电压极板通过绝缘胶粘剂固定在所述圆柱状金属外壳外表面并与所述圆柱状金属外壳同轴线。图8为圆柱状金属外壳、金属电压极板和采样电容的结构示意图，如图7及图8所示，所述采样电容两端分别电性连接所述圆柱状金属外壳801和所述金属电压极板802，工频电压采集模块4与采样电容CM并联。这样金属电压极板802分别与金属外壳801和大地形成2个电容Cl和C2，从而构成了电容分压器，在Cl两端并联采样电容CM，通过测量CM的电压即可获取线路电压。
可选地，无线数据传输模块5可以采用现有技术中任一可以实现远程数据传输的模块或者单元，例如：WIFI模块、移动通信模块、蓝牙模块等。在本实施例中，无线数据传输模块5选用西门子的无线模块MC35，该模块具有232接口。数据收集和发送控制均由微处理器MSP430通过232接口利用AT命令集进行。MC35无线模块部分的工作方式、工作状态、工作内容以及开关机等均由微处理器MSP430控制。微处理器MSP430由一个IO引脚监视无线模块MC35的DSR0引脚，从而监视无线模块MC35是否处于开机状态(引脚为高电平时为关机、低电平是为开机)。微处理器MSP430与无线模块MC35的数据传输均通过异步串行通讯接口实现。
上述的变压器一体化在线监测装置中，工频电流模块采用霍尔传感器，将工频电流转换成电压信号，并用模数转换(analog-to-digital converter，简称为ADC)进行采集。工频电压信号是利用电容分压原理测量变压器出线上的工频电压得到的。第二行波测量模块以罗氏线圈作为互感器，采集高频行波电流信号。整个装置的能源通过在线取能模块获得，利用铁芯感应导线上的电磁能量，能够实现在线取能。变压器隐患放电及绕组变形监测装置采集的变压器放电高频行波电流、工频电流、工频电压通过无线数据传输单元(DTU)以无线的方式实时上传至后台的数据处理服务器中。整套装置无需在变电站安装任何其他附属设备，取能、数据发送、数据采集均为在线系统。
通过本发明提供的变压器隐患放电及绕组变形监测装置，利用短路电抗法对变压器内部形变或位移缺陷进行监测，利用高频行波测量来反映变压器内部出现的各种异常放电，从而实现对变压器隐患故障的全面、实时在线监测，能够及时地准确预警变压器的各种隐患。变压器隐患放电及绕组变形监测装置封装程度高，集成工频电压、工频电流及行波电流测量于一体，使用简单方便，解决了传统装置的测量量单一、需要停电检测、测量布线繁琐等缺点，能够在不停电的情况下对变压器异常放电、绕组变形情况进行实时监测，具有全面、稳定、可靠监测的优点，监测结果能够对变压器多种隐患故障进行预警，保证电网的安全运行。
本发明实施例的双绕组变压器在线监测系统，可以在变电站无需安装任何其他附属设备的情况下，进行在线取能、数据发送及数据采集，在线监测双绕组变压器存在的隐患。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，包括：双绕组变压器、设备采集箱、中控室、第一行波测量模块、高压配电室及低压配电室；
所述双绕组变压器通过变压器出线连接至高压配电室及低压配电室；
所述设备采集箱与所述高压配电室中的母线PT、所述低压配电室中的母线PT、所述双绕组变压器、所述中控室中的后台服务器及所述第一行波测量模块连接；所述设备采集箱采集所述高压配电室中的母线PT及所述低压配电室中的母线PT的工频电压信号，所述第一行波测量模块的中性点接地高频信号及所述双绕组变压器的铁芯接电线高频信号，并发送至所述后台服务器；
所述双绕组变压器与所述高压配电室及低压配电室之间的每条变压器出线上均设置有变压器一体化在线监测装置；
所述变压器一体化在线监测装置包括：在线取能模块、工频电流采集模块、工频电压采集模块、无线数据传输模块及第二行波测量模块，其中，
所述在线取能模块分别与所述第二行波测量模块、所述工频电流采集模块、所述工频电压采集模块和所述无线数据传输模块电性连接；所述第二行波测量模块、工频电流采集模块、工频电压采集模块及所述无线数据传输模块并联连接。
2.根据权利要求1所述的双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，所述设备采集箱中设置有：
数据采集模块，用于接收所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号；
数据处理模块，用于对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号进行模数转换；
存储器，用于存储对所述工频电压信号、所述中性点接地高频信号及所述铁芯接电线高频信号。
3.根据权利要求1所述的双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，所述在线取能模块包括铁芯和线圈，通过感应所述变压器出线上的电磁能量产生感应电流。
4.根据权利要求1所述的双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，所述第二行波测量模块包括：罗氏线圈互感器、高通滤波器和高频信号放大器；其中，所述变压器出线穿过所述罗氏线圈互感器，所述罗氏线圈互感器用于测量变压器出线上的电流信号；所述高通滤波器用于滤除所述电流信号对应的电压信号的工频信号，所述高频信号放大器用于放大经所述高通滤波器过滤后的电压信号。
5.根据权利要求1所述的双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，所述工频电流采集模块包括：霍尔传感器，所述霍尔传感器用于根据变压器出线上的工频电流生成电压信号。
6.根据权利要求1所述的双绕组变压器在线监测系统，其特征在于，所述变压器一体化在线监测装置包括：圆柱状金属外壳、金属电压极板及采样电容，变压器出线沿所述圆柱状金属外壳的轴线穿过，所述金属电压极板通过绝缘胶粘剂固定在所述圆柱状金属外壳外表面并与所述圆柱状金属外壳同轴线，所述采样电容两端分别电性连接所述圆柱状金属外壳和所述金属电压极板，所述工频电压采集模块与所述采样电容并联。
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