CN109782112A - 一种变压器多参量故障监测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器多参量故障监测系统及检测方法，通过分别采集局部放电信号与振动信号，然后将局部放电信号与振动信号融合得到一组组合信号，然后对组合信号进行限幅、滤波、放大后，再进行过电压、过电流保护后得到模拟信号输出结果，利用一组模拟信号输出结果，能够同时检测两种故障信号，利用信号组合技术将局部放电信号与振动信号融合为一组信号的形式，可以通过观察一组信号来同时了解变压器局部放电故障和绕组内部振动故障，无论那组信号出现问题，都会导致最终模拟信号输出变化，从而得到变压器故障结果，提高检测效率，稳步提升了检测的精确度，为工作人员提供了多项参考，极大缓解了变压器故障检测与检修压力。

Description

一种变压器多参量故障监测系统及检测方法

技术领域

本发明一种变压器多参量故障监测系统及检测方法，属电力系统故障检测领域。

背景技术

电力变压器是电力系统中最重要最昂贵的设备之一，它的主要功能是改变电压等级，分配和传输电能，是输电线路中必不可少的枢纽环节，它的正常运行关系到整个电力系统的安全稳定。但是，变压器是一个内部结构相对比较复杂的电力设备，能够反应它的内部运行情况的状态量还是很多的，但这些状态量本身具有不确定性，它们之间的关系也很模糊，想要正确地诊断出变压器的真实故障情况还是一项极具挑战的工作，还需要解决其中遇到的很多难题。但是，电力变压器如果发生了故障，往小的方面讲会使发电量减少，许多家用电器不能正常工作，给人们的生活带来很多不便。严重的方面则会对生命及财产安全构成危害，影响经济的快速发展。从上面的所诉情况来看，我们需要提高对变压器诸多故障进行诊断的效率，快速地找出故障类型，是保证其正常运行的首要工作之一。一般来讲，大型的电力变压器在生产时都会安装相应的保护设施，如防雷击、差动、接地等多重保护，这些设施基本上是固定的元件，因此还是比较安全可靠的。然而它在最初的设计和制造中不可避免地存在工艺上的缺陷，以及在它的搬运、安装等过程中也可能造成某些部件的损坏，还有很多外在因素的影响，使得它在使用过程中会不定时发生故障，事故率还相当高。所以，确保变压器安全运行的问题广泛地受到了世界各国的关注。通过定期对电力变压器进行预防性的维护检测，以及实时检测高压设备的运行情况，可检测并诊断出其潜伏性故障或缺陷，大大提高整体故障诊断水平，且有针对性的做必备的检修维护，对实现早期预报故障，尽量避免恶性事故的发生，有着极为重要的实际意义。目前，尽管已有大量的现代故障诊断技术应用于电力变压器故障诊断中，但进一步的理论研究和实际应用表明，这些方法仍存在许多不足之处，有待进一步的研究和改进：

(1)信息融合能力不足：变压器规格的不同体现在其内部构造、绝缘要求、故障程度也会有所不同，以上情况都要求所运用的故障诊断方法具有很强的信息融合能力，但是现在的研究还达不到这方面的要求；

(2)故障诊断结果不准确：目前，大多数变压器故障诊断技术都只能依据表面现象来判断其内部的故障情况，当原始故障样本量发生变化时，很难获得准确的故障诊断结果；

(3)理论体系不完善：众所周知，现有的电力变压器故障诊断技术，虽然已经发展了多种有效的故障诊断方法，但这些方法大多是某种程度上的算法堆积，自身没有完整的理论基础和系统化的概念体系；

(4)准确率和快速性有待提高：故障诊断技术尤其是在变压器故障诊断领域更需要有深入的研究，以便能及时地诊断出其故障类型，最大程度地提高诊断技术的准确率和快速性，保障整个电力系统的安全可靠运行。

目前对变压器故障检测技术主要停留在单一的故障检测，通过装置采集单一电气量判断变压器故障的方法，有一定的效果，但也存在明显的缺点：故障发生可能不存在某种信号，使工作人员对比变压器状态产生误判，进而影响电力系统安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器多参量故障监测系统及检测方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变压器多参量故障监测系统，包括信号处理模块以及与信号处理模块连接的局部放电超声波探头和振动检测探头；信号处理模块包括依次连接的信号组合单元、信号限幅单元、信号滤波单元、信号放大单元、信号保护单元和匹配单元；信号放大单元通过信号稳压单元提供稳定电压；

局部放电超声波探头用于采集变压器局部放超声波电信号；振动检测探头用于检测变压器绕组内部振动信号；

信号组合单元用于将局部放超声波电信号与振动信号进行组合得到组合信号；

信号限幅单元用于将组合信号进行限幅；

信号滤波单元用于将限幅后的组合信号进行滤波处理；

信号放大单元用于将滤波后的组合信号信号放大；信号稳压单元用于对输入电源进行稳压输入；

信号保护单元和匹配单元用于对放大后的组合信号进行过电压、过电流保护后进行模拟信号输出。

进一步的，信号组合单元采用avrmega16单片机，信号滤波单元采用L-CPowerFilter-2A滤波器。

进一步的，信号放大器采用低噪声可级联硅MMIC放大器INA-03184或者采用LM358信号放大模块。

进一步的，信号稳压单元采用XH-M161稳压模块。

进一步的，信号保护单元和匹配单元采用G9SA-301安全模块。

进一步的，输入电源采用外置直流电源输入，稳压后电压为2.4V。

进一步的，局部放电超声波探头采用压电超声探头，压电超声探头包括晶片、阻尼块和保护膜。

一种变压器多参量故障检测方法，包括以下步骤：

步骤1)、分别采集变压器局部放超声波电信号和变压器绕组内部振动信号；

步骤2)、将采集到的局部放电超声波信号和振动信号进行组合得到组合信号s(n)；

设局部放电超声波信号为f(n)，变压器绕组内部振动信号为e(n)，

由以下公式1得到组合信号s(n)：

s(n)＝f(n)+σe(n) (1)

σ为变化系数，σ取值为1.6；C_j,k是局部放电信号具有能量的量纲，C_i,k振动信号中有能量的量纲；

步骤3)、对组合信号s(n)依次进行信号限幅、信号滤波、信号放大后，对放大后的组合信号进行过电压和过电流保护后得到模拟信号输出结果，将模拟信号输出信号传输给监测主机，如果监测主机监测到输出模拟信号峰值超过-5v～+5v范围，则说明存在故障，需要进行检修。

进一步的，信号限幅将组合信号电压限制在-5V～+5V之间，信号滤波将限幅后的组合信号滤除大于300kHz的信号。

进一步的，模拟信号输出结果阻抗匹为50欧姆，输出模拟信号为-5v～+5v范围内的输出模拟信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种变压器多参量故障监测系统，包括信号处理模块以及与信号处理模块连接的局部放电超声波探头和振动检测探头；采用局部放电超声波探头和振动检测探头分别获取局部放电信号与振动信号，通过信号处理模块融合为一组信号的形式，可以通过观察一组信号来同时了解变压器局部放电故障和绕组内部振动故障，本系统结构简单，可以以一组信号的形式同时检测多个参量的强大功能极大增强了设备利用率，提高了检测效率，稳步提升了检测的精确度，为工作人员提供了多项参考，极大缓解了变压器故障检测与检修压力。

一种变压器多参量故障检测方法，通过分别采集局部放电信号与振动信号，然后将局部放电信号与振动信号融合得到一组组合信号，然后对组合信号进行限幅、滤波、放大后，再进行过电压、过电流保护后得到模拟信号输出结果，利用一组模拟信号输出结果，能够同时检测两种故障信号，由于变压器局部放电超声波信号频段在30kHz～300kHz，振动信号在0到5kHz之间，利用信号组合技术将局部放电信号与振动信号融合为一组信号的形式，可以通过观察一组信号来同时了解变压器局部放电故障和绕组内部振动故障，无论那组信号出现问题，都会导致最终模拟信号输出变化，从而得到变压器故障结果，提高检测效率，稳步提升了检测的精确度，为工作人员提供了多项参考，极大缓解了变压器故障检测与检修压力。

将阻抗匹配成50欧姆的输出，使输出结果稳定。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为信号处理单元工作原理图。

图3为本发明装置结构示意图。

其中，1为局部放电探头；2为振动探头；3为信号输出接口；4为信号处理模块；5为装置外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种变压器多参量故障检测方法，包括以下步骤：

分别采集变压器局部放超声波电信号和变压器绕组内部振动信号；将采集到的局部放电超声波信号和振动信号进行组合得到组合信号s(n)；

设局部放电超声波信号为f(n)，变压器绕组内部振动信号为e(n)，

由以下公式1得到组合信号s(n)：

s(n)＝f(n)+σe(n) (1)

σ为变化系数，σ取值为1.6；C_j,k是局部放电信号具有能量的量纲，C_i,k振动信号中有能量的量纲；根据能量叠加的原理将局部放电超声波信号和变压器绕组内部振动信号组合成一组组合信号s(n)；

对组合信号s(n)依次进行信号限幅、信号稳压、信号滤波、信号放大后，对信号进行过电压和过电流保护，最后将阻抗匹配成50欧姆的输出模拟信号；输出模拟信号为-5v～+5v范围内的输出模拟信号，将信号传输给监测主机，如果监测主机监测到输出模拟信号峰值超过-5v～+5v范围，则说明存在故障，需要进行检修；

一种变压器多参量故障监测系统，包括信号处理模块以及与信号处理模块连接的局部放电超声波探头和振动检测探头；局部放电超声波探头用于采集变压器局部放超声波电信号；振动检测探头用于检测变压器绕组内部振动信号；

信号处理模块包括依次连接的信号组合单元、信号限幅单元、信号滤波单元、信号放大单元、信号保护单元和匹配单元；信号放大单元通过信号稳压单元提供稳定电压；

信号组合单元采用avrmega16单片机，用于将局部放超声波电信号与振动信号进行组合；

信号限幅单元用于将组合好的信号进行限幅，信号电压限制在-5V～+5V之间；

信号滤波单元用于将限幅后的组合信号进行滤除大于300kHz的信号，增强抗电磁干扰能力；信号滤波单元采用L-C Power Filter-2A滤波器；

信号放大单元用于将滤波后的组合信号信号放大；信号放大器采用低噪声可级联硅MMIC放大器INA-03184或者采用LM358信号放大模块；由于局部放电探头与振动探头采集的信号较为微弱，因此需要进行信号放大；信号稳压单元用于对输入电源进行稳压输入，电压为24V；输入电源采用外置直流电源输入；信号稳压单元采用XH-M161稳压模块；

信号经过组合单元、信号限幅、信号滤波、信号放大后，利用信号保护单元和匹配单元对信号进行过电压、过电流保护，最后将阻抗匹配成50欧姆的输出，输出类型为-5v～+5v范围内的输出模拟信号，将信号传输给监测主机；信号保护单元和匹配单元采用G9SA-301安全模块；

局部放电超声波探头用于采集变压器局部放超声波电信号；局部放电超声波探头采用压电超声探头，压电超声探头包括晶片、阻尼块和保护膜；采用压电超声探头对表面光洁度不高或有一定曲率的表面检测时，可改善声耦合，提高声能传递效率，且探伤结果的重复性较好，磨损后易于更换，对声能的损耗达6～7dB；

振动检测探头用于检测变压器绕组内部振动信号，利用电涡流探头的线圈和被测金属体之间距离的变化，可以变换为线圈的等效电感、等效阻抗和品质因素三个电参数的变化，再配以相应的前置放大器，可进一步把这三个电参数变换成电压信号，即可实现对振动的测量。

如图3所示，为本发明变压器多参量故障检测系统的具体实施例示意图，其中1为局部放电探头、2为振动探头、3为信号输出接口、4为信号处理模块、5为装置外壳；装置外壳为封闭式全铝制金属外壳，大小为长为150mm、宽为90mm、高为40mm；全铝制金属外壳可以增强信号的抗干扰能力。

Claims (10)

1.一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，包括信号处理模块以及与信号处理模块连接的局部放电超声波探头和振动检测探头；信号处理模块包括依次连接的信号组合单元、信号限幅单元、信号滤波单元、信号放大单元、信号保护单元和匹配单元；信号放大单元通过信号稳压单元提供稳定电压；

局部放电超声波探头用于采集变压器局部放超声波电信号；振动检测探头用于检测变压器绕组内部振动信号；

信号组合单元用于将局部放超声波电信号与振动信号进行组合得到组合信号；

信号限幅单元用于将组合信号进行限幅；

信号滤波单元用于将限幅后的组合信号进行滤波处理；

信号放大单元用于将滤波后的组合信号信号放大；信号稳压单元用于对输入电源进行稳压输入；

信号保护单元和匹配单元用于对放大后的组合信号进行过电压、过电流保护后进行模拟信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，信号组合单元采用avrmega16单片机，信号滤波单元采用L-C Power Filter-2A滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，信号放大器采用低噪声可级联硅MMIC放大器INA-03184或者采用LM358信号放大模块。

4.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，信号稳压单元采用XH-M161稳压模块。

5.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，信号保护单元和匹配单元采用G9SA-301安全模块。

6.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，输入电源采用外置直流电源输入，稳压后电压为2.4V。

7.根据权利要求1所述的一种变压器多参量故障监测系统，其特征在于，局部放电超声波探头采用压电超声探头，压电超声探头包括晶片、阻尼块和保护膜。

8.一种基于权利要求1所述监测系统的变压器多参量故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、分别采集变压器局部放超声波电信号和变压器绕组内部振动信号；

步骤2)、将采集到的局部放电超声波信号和振动信号进行组合得到组合信号s(n)；

设局部放电超声波信号为f(n)，变压器绕组内部振动信号为e(n)，

由以下公式1得到组合信号s(n)：

s(n)＝f(n)+σe(n) (1)

σ为变化系数，σ取值为1.6；C_j,k是局部放电信号具有能量的量纲，C_i,k振动信号中有能量的量纲；

步骤3)、对组合信号s(n)依次进行信号限幅、信号滤波、信号放大后，对放大后的组合信号进行过电压和过电流保护后得到模拟信号输出结果，将模拟信号输出信号传输给监测主机，如果监测主机监测到输出模拟信号峰值超过-5v～+5v范围，则说明存在故障，需要进行检修。

9.根据权利要求8所述的变压器多参量故障检测方法，其特征在于，信号限幅将组合信号电压限制在-5V～+5V之间，信号滤波将限幅后的组合信号滤除大于300kHz的信号。

10.根据权利要求8所述的变压器多参量故障检测方法，其特征在于，模拟信号输出结果阻抗匹为50欧姆，输出模拟信号为-5v～+5v范围内的输出模拟信号。