CN110441632B - 便携式高压并联电抗器故障检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式高压并联电抗器故障检测装置及方法，包括主控模块以及分别与主控模块电连接的热成像模块、振动采集模块、显示模块、存储模块和电源模块；所述热成像模块用于采集电抗器表面温度信息发送至主控模块；所述振动采集模块用于采集电抗器的振动信号并发送至主控模块进行处理；所述主控模块对温度信息及振动信号进行处理并判断电抗器有无异常。本发明轻便易携，可实现对高压并联电抗器振动异常、绕组及铁心松动、局部过热等问题的检测；诊断方法采用200Hz和100Hz的频率分量幅值之比作为主成分系数，计入振动特征值的测量因素，提高了振动测试的准确度，本方法针对不同类型的电抗器皆可适用，准确率较高且硬件要求低，实用性好。

Description

便携式高压并联电抗器故障检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测高压电气设备故障的装置，尤其涉及一种便携式的高压并联电抗器故障检测装置及检测方法。

背景技术

随着经济发展以及国民生活水平日益提高，电网规模不断扩大，电网负荷不断增长，为增强电力系统中的无功补偿与无功平衡，抑制系统过电压，提高电能质量和供电可靠性，高压并联电抗器得到了广泛的使用。在已投运的特高压及超高压输变电工程中已经发生过多起电抗器故障，因此有必要引起足够重视。由于结构原因，现有高压并联电抗器在运行过程中不可避免的会产生振动，长期运行容易导致线圈、铁心、螺栓紧固件等元器件松动，严重时还可能引起设备内部过热、放电等缺陷。但此类故障往往外在特征不明显，现阶段采用的电气量、油色谱、温度监测等方法均难以发现此类潜伏性故障。现有技术中缺少通过振动信号对高压并联电抗器的潜伏性机械故障进行诊断的方法，市面上也尚未出现包含振动监测功能的便携式故障检测装置；而且目前针对各类测试量各有各的设备，有些设备较为笨重，导致检测效率低下。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种实用性强、轻便易携的高压并联电抗器检测装置及检测方法，能够快速有效地检测出电抗器内部元器件的松动变形以及温度过热的问题。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种便携式高压并联电抗器故障检测装置，包括主控模块以及分别与主控模块电连接的热成像模块、振动采集模块、显示模块、存储模块和电源模块；所述热成像模块用于采集电抗器表面温度信息发送至主控模块；所述振动采集模块用于采集电抗器的振动信号并发送至主控模块；所述主控模块对温度信息及振动信号进行处理并判断待测电抗器有无异常，所述显示模块用于显示由主控模块处理得到的测量信息。

进一步的，所述振动采集模块包括振动传感器，所述振动采集模块包括振动传感器，所述振动传感器设置在待测电抗器的表面，采用惯性式机械接收原理采集待测电抗器振动产生的机械信号并转换成电信号，所述电信号通过信号线传输至位于地面的主控模块。

优选的，所述热成像模块采用热成像摄像头。

在另一种方案中，所述振动采集模块还包括用于调整振动信号采集的采样率和采样点数的采样控制模块。

可选的，该装置还包括用于提醒操作人员所测高压并联电抗器存在故障的报警模块，所述报警模块与主控模块电连接，接收主控模块发送的报警信号。

本发明还提出一种高压并联电抗器的故障检测方法，包括以下过程：

(1)采集电抗器的振动信息，计算电抗器振动特征值L，包括以下过程：

计算获得振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度、主成分系数，计算公式如下：

均方差σ反应了信号的离散程度，公式如下，其中x(k)为采集的离散振动信号，μ为该信号的均值，N为采样点数，E(x)为期望。

偏态S是对数据分布对称性的测度，公式如下：

峰度K描述了数据分布的平坦度，反映了峰部的尖度，公式如下：

K＝E(x-μ)⁴/σ⁴ (3)

主成分系数Mhc为200Hz与100Hz频率分量幅值之比，表达式为：

Mhc＝f₂₀₀/f₁₀₀ (4)

电抗器振动特征值L为上述参数的欧氏距离，表达式为：

上式中V表示振动信号幅值，V₀、σ₀、S₀、K₀、mhc₀分别表示正常状态下振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度以及主成分系数，将L与阈值进行比较便可判断当前电抗器振动有无异常。

(2)将计算所得电抗器振动特征值L与所设定阈值进行比较来判断当前电抗器振动有无异常；采集电抗器表面温度信息，遍历温度值获得温度最高点，并与设定的温度阈值比较，判断温度有无异常，同时将当前状态的热像与电抗器在正常状态下的热像进行差分运算后搜寻获取电抗器温度升高的最高点，并与存储模块中所设定的温升阈值比较，判断温升有无异常。

有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：(1)将振动检测与温度检测结合，可诊断出大部分电抗器故障，有效弥补了现有技术中忽视电抗器内部零件松动而造成的问题；(2)本发明所述的故障检测装置具有便携性，将振动采集模块独立于其他单元模块，直接吸附在待测电抗器上进行振动信号采集，使所采集到的振动信号更准确，同时无需对电抗器进行拆装便可在运行期间有效的检测出电抗器存在的松动故障与局部过热故障，节省人力物力，提高了检修人员的安全保障，且体积小，重量轻，方便携带，易于操作；(3)本发明所述的故障检测装置诊断方法简单有效，采用200Hz和100Hz的频率分量幅值之比作为主成分系数，计入振动特征值的测量因素，提高了振动测试的准确度，本方法针对不同类型的电抗器皆可适用，准确率较高且硬件要求低，实用性好。

附图说明

图1是本发明的模块图；

图2是本发明的装置本体结构图；

图3是本发明所述的主控芯片电路图；

图4是本发明所述的报警模块电路图；

图5是本发明所述的振动传感器及控制旋钮电路图；

图6是本发明所述的显示屏模块引脚连接图；

图7是本发明所述的热成像摄像头电路图；

图8是本发明所述的存储芯片电路图；

图9是本发明所述的检测程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置的模块图如图1所示，包含主控模块以及和主控模块相连的热成像模块、振动采集模块、电源模块、显示模块、报警模块和存储模块。该装置可以手持实现对高压并联电抗器振动异常、绕组及铁心松动、局部过热等问题的检测。

所述主控模块包括主控芯片及其外围晶振、供电、复位电路，芯片电路图如图3所示。主控芯片采用STM32RBT6，该芯片为Cortex-M3内核的嵌入式芯片，具有3个us级12位ADC，72MHz主频，集成128KB Flash存储器，多达11个定时器，具有低功耗性能好等特点。

振动采集模块包括振动传感器，振动传感器为CTC AC102-1A压电式加速度传感器，惯性式机械接收原理，测量精度为100mv/g，经信号屏蔽线连接至装置侧面的BNC接口，经信号调理电路后连接至STM32ADC口。振动采集模块还包括采样控制模块，用于调整振动采集的采样率和采样点数。本例中采样控制模块采用旋钮型10k电位器，控制旋钮电路如图5，旋钮型10k电位器接至两个ADC端口。通过旋钮改变电位器阻值，主控模块通过读取电压获得当前采样点数与采样频率的挡位，进而设置定时器参数，改变采样点数与采样频率。为了方便测试，振动传感器上还带有用于吸附在电抗器表面的磁铁。测试时，操作人员手持该故障检测装置本体，将振动传感器吸附在待测电抗器的特定位置上，振动传感器与位于地面的装置本体通过信号线电连接，将振动信号发送至位于装置本体中的主控模块进行处理。这里的装置本体是除开振动传感器以外的其他结构单元，包括主控模块、热成像模块、显示模块、存储模块和电源模块，将振动传感器独立于装置本体进行测量，使所采集到的振动信号更准确，同时使本装置更具有便携性。

热成像模块采用热成像摄像头，热成像摄像头包含有红外(IR)传感器。热成像摄像头通过接受物体发出的红外线来显示，采集由设备发热而产生的红外辐射场。本例中采用MLX90640红外传感器模块，该模块为5V供电，与主控芯片之间采用I2C通信传输温度图像信息。

本装置的显示模块用于展示振动信号时域波形，频域波形，特征参数，热像图，温度等信息。如图6所示为3.5寸TFTLCD液晶屏控制芯片的引脚接线图。可采用触摸显示屏，通过触摸选择显示界面或设置参数，方便操作人员通过触摸显示屏设置参数，增强人机交互体验。所述显示模块用于显示由主控模块处理的电抗器表面温度信息所得到的热像图，和/或用于显示由主控模块处理电抗器的振动信号所得到的振动信号波形，和/或由主控模块处理所得到的其他信息，包括振动信号幅值、功率、最高温度值、当前状态、温度和振动信号的报警阈值等。

本装置的配置参数可存储在24C02存储芯片中，与主控之间采用I2C通信。本装置的电源由锂电池提供，通过稳压芯片产生3.3V，5V电压供各模块使用。稳压芯片可采用LM1117。

报警模块用于提醒操作人员所检测的电抗器存在故障，其接收到主控模块发送的控制信号后进行报警提醒。一种常用的报警模块包括蜂鸣器和一个LED灯，蜂鸣器通过三极管驱动，LED阳极接VCC，阴极接电阻连接至主控芯片，电路连接图如图4所示。在另一个实施例中，本发明所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置中去掉了上述报警模块，由显示模块显示是否故障即可。

本装置可预留传感器接口，用于外接声音、电气量等传感器，可拓展性好。

如图2所示为本装置的本体结构示意图，包含正面、背面和侧面。正面设有显示屏1及其下方的开关按钮2、LED灯3、蜂鸣器4以及采样频率和采样点数的设置旋钮5；背面为热成像摄像头6，侧面为振动传感器接口7。振动传感器接口7通过信号线连接至外部的振动传感器。显示屏1可以切换四个界面，界面一为振动信号时域波形，可切换至频谱图；显示界面二为热成像图；显示界面三为电抗器的各种状态参数，包括振动信号幅值，功率，最高温度值，当前状态等，显示界面四为设置界面，用于对温度和振动信号的报警阈值进行设置并保存。通过电抗器当前振动信号的功率与当前电抗器历史值的比较来判断是否发生松动故障，通过捕捉热像图温度最高点作为电抗器局部过热的判断依据。二者的阈值通过触摸屏设置并保存在存储芯片中。

本发明还提出了一种高压并联电抗器的故障检测方法，通过采集高压并联电抗器的振动信息来诊断其内部是否松动，通过采集高压并联电抗器的表面温度信息来诊断其过热故障，具体包括以下步骤：

(1)所述振动采集模块通过吸附于电抗器表面的振动传感器获取电抗器特定位置的振动信息，并通过信号屏蔽线传输至信号调理电路，然后输入到主控模块。所述主控模块将模拟信号转换为数字信号，通过计算获得振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度和主成分系数，继而得到电抗器的振动特征值，其过程具体为：

(11)计算均方差。均方差σ反应了信号的离散程度，公式如下，其中x(k)为采集的离散振动信号，μ为该信号的均值，N为采样点数，E(x)为期望。

(12)计算振动信号的偏态和峰度。

偏态S是对数据分布对称性的测度，公式如下：

峰度K描述了数据分布的平坦度，反映了峰部的尖度，公式如下：

K＝E(x-μ)⁴/σ⁴ (3)

(13)计算主成分系数。主成分系数Mhc为200Hz与100Hz频率分量幅值之比，采用该处频率分量之比作为主成分系数，并作为特征值的测量因素，提高了测量准确度。主成分系数的表达式为：

Mhc＝f₂₀₀/f₁₀₀ (4)

(14)计算电抗器振动特征值。采用振动特征值表征电抗器的振动情况，在保证测量准确性的同时提高了计算效率。电抗器振动特征值L定义为上述参数的欧氏距离，表达式为：

上式中V表示振动信号幅值，V₀、σ₀、S₀、K₀、mhc₀分别表示正常状态下振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度以及主成分系数。

(2)将计算所得L与设定的振动阈值进行比较，判断当前电抗器振动有无异常。

热成像模块采用红外热成像摄像头采集电抗器表面温度信息，然后传输至主控模块，主控模块采用遍历的方式搜寻温度最高点，并与存储模块中所设定的温度阈值比较；同时将当前状态的热像与电抗器在正常状态下的热像进行差分运算后搜寻获取电抗器温度变化(升高)的最高点，并与存储模块中所设定的温升阈值比较，判断有无异常，并将结果传输至报警模块，一般设置三个阈值以反映设备过热的严重程度。

本装置的内置检测程序可基于C语言开发，具体的测试流程图如图9所示。首先对STM32的系统时钟、ADC、定时器、外部中断、I2C、GPIO以及LCD等进行初始化。显示开机界面，然后读取电位器电压值，据此设置定时器采样时间与点数，在完成一次采集后将图形通过画图程序显示，或根据操作显示频谱变换或热像图。根据采集得到的数据更新状态参数界面的各项数据，并由式公式(5)判断电抗器振动是否异常。温度异常的检测通过遍历温度图像寻找当前温度最高点及温升最高点与设定阈值比较来判断。

Claims (6)

1.一种便携式高压并联电抗器故障检测装置，其特征在于：包括主控模块以及分别与主控模块电连接的热成像模块、振动采集模块、显示模块、存储模块和电源模块；所述热成像模块用于采集电抗器表面温度信息发送至主控模块；所述振动采集模块用于采集电抗器的振动信号并发送至主控模块；所述主控模块对温度信息及振动信号进行处理并判断待测电抗器有无异常，所述显示模块用于显示由主控模块处理得到的测量信息；所述的主控模块对温度信息及振动信号进行处理并判断待测电抗器有无异常，包括以下步骤：

(1)采集电抗器的振动信息，计算电抗器振动特征值L，包括以下过程：

计算获得振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度、主成分系数：

均方差σ公式如下，

偏态S是公式如下：

峰度K公式如下：

K＝E(x-μ)⁴/σ⁴ (3)

其中x(k)为采集的离散振动信号，μ为该信号的均值，N为采样点数，E(x)为期望；

主成分系数Mhc的表达式为：

Mhc＝f₂₀₀/f₁₀₀ (4)

其中f₂₀₀为200Hz频率分量幅值，f₁₀₀为100Hz频率分量幅值；

计算电抗器振动特征值L，表达式为：

上式中V表示振动信号幅值，V₀、σ₀、S₀、K₀、Mhc₀分别表示正常状态下振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度以及主成分系数；

(2)将计算所得电抗器振动特征值L与所设定阈值进行比较来判断当前电抗器振动有无异常；采集电抗器表面温度信息，遍历温度值获得温度最高点，并与设定的温度阈值比较，判断温度有无异常，同时将当前状态的热像与电抗器在正常状态下的热像进行差分运算后搜寻获取电抗器温度升高的最高点，并与存储模块中所设定的温升阈值比较，判断温升有无异常。

2.根据权利要求1所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置，其特征在于：所述振动采集模块包括振动传感器，所述振动传感器设置在待测电抗器的表面，采用惯性式机械接收原理采集待测电抗器振动产生的机械信号并转换成电信号，所述电信号通过信号线传输至位于地面的主控模块。

3.根据权利要求1所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置，其特征在于：所述振动采集模块还包括用于调整振动信号采集的采样率和采样点数的采样控制模块。

4.根据权利要求1所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置，其特征在于：所述热成像模块采用热成像摄像头。

5.根据权利要求1所述的便携式高压并联电抗器故障检测装置，其特征在于：该装置还包括用于提醒操作人员所测高压并联电抗器存在故障的报警模块，所述报警模块与主控模块电连接，接收主控模块发送的报警信号。

6.一种高压并联电抗器的故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集电抗器的振动信息，计算电抗器振动特征值L，包括以下过程：

计算获得振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度、主成分系数：

均方差σ公式如下，

偏态S是公式如下：

峰度K公式如下：

K＝E(x-μ)⁴/σ⁴ (3)

其中x(k)为采集的离散振动信号，μ为该信号的均值，N为采样点数，E(x)为期望；

主成分系数Mhc的表达式为：

Mhc＝f_200/f₁₀₀ (4)

其中f₂₀₀为200Hz频率分量幅值，f₁₀₀为100Hz频率分量幅值；

计算电抗器振动特征值L，表达式为：

上式中V表示振动信号幅值，V₀、σ₀、S₀、K₀、Mhc₀分别表示正常状态下振动信号的幅值、均方差、偏态、峰度以及主成分系数；

(2)将计算所得电抗器振动特征值L与所设定阈值进行比较来判断当前电抗器振动有无异常；采集电抗器表面温度信息，遍历温度值获得温度最高点，并与设定的温度阈值比较，判断温度有无异常，同时将当前状态的热像与电抗器在正常状态下的热像进行差分运算后搜寻获取电抗器温度升高的最高点，并与存储模块中所设定的温升阈值比较，判断温升有无异常。

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