CN111220104A - 基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法，涉及变压器绕组检测领域。在变压器箱壁表面选取合适的换能器阵列放置区域，放置好换能器后，通过上位机来控制超声波发射换能器阵列发射多路超声波，直至纵向这一列所有可测点都被测量完毕，从而得到变压器绕组的第一列数据，将发射换能器阵列水平方向移动一次位置，用类似的方法获得另外多列数据，直至换能器将整个放置区域对应的所有绕组测点检测完毕。本发明依据超声波传播特点，在多路阵列超声技术中，采用分时复用技术，提高了超声检测效率，避免了多个超声探头之间的串扰，是变压器超声检测领域的创新点。

Description

基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法

技术领域

本发明涉及变压器绕组检测领域，尤其涉及基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法。

背景技术

电力变压器是电力系统运行调度的重要电力设备，电力变压器的运行状态将直接影响电力系统的安全和稳定。绕组线圈是变压器事故中主要易损部件之一。根据统计数据，由变压器绕组在电动力作用下发生物理变形而引发的故障占变压器故障总数的50％以上。

变压器绕组变形(Winding Deformation)是指变压器绕组线圈因电动内力或机械外力作用而发生形状或者尺寸上的不可逆转改变的现象。变压器绕组变形既包含线圈在辐向或轴向的器身移位、尺寸变化，也包含线圈的鼓包变形、扭曲变形及匝间短路等。

绕组上出现的不同程度变形损坏都将对变压器的安全运行造成威胁。国家电网公司的统计数据显示，某市供电公司近年来发生的110kV及以上变压器故障共计92起，其中包括37起线圈短路损坏故障，占总数的40.22％；11起主绝缘故障，占总数的11.96％；9起线圈纵绝缘故障，占总数的9.78％；9起高压引线故障，占总数的9.78％。

电力变压器的绕组变形将给其运行带来很大的安全隐患。当变压器绕组出现局部的鼓包或曲翘后，程度严重的变形会立即引发安全事故。而更多情况下，绕组将以带“病”状态继续运行，带“病”状态运行的变压器发生更严重故障和损坏的概率显著增加，其运行时间由绕组变形的类型和严重程度决定。

根据第12届CIGRE委员会的相关统计，大部分的变压器绕组绝缘故障都是由绝缘的初始机械损伤引发的。当短路故障电流对变压器进行强烈冲击时，变压器绕组线圈将会发生一定程度的变形。如果变形情况不是非常严重，故障不会立即显现，但这将会对变压器之后的安全运行造成严重安全隐患，例如：

(1)绕组匝间绝缘的距离发生变化，绝缘性能受损，并发生局部放电现象。当变压器再次遭遇雷击过电压时，绕组饼间线圈很可能被击穿，从而引发严重的绝缘事故。即使变压器在额定电压下运行，绕组也可能会在长期局放的作用下，发生绝缘击穿。

(2)垫块、撑条等部件的物理性能下降，线圈的抗短路能力降低。当再次发生短路故障，并产生电动冲击力时，变形的程度将会被放大，甚至会引发严重的变压器损毁事故。

因此，在进行变压器绕组变形故障检测时，一方面，要对变压器绕组变形的产生原因进行深入研究，改进绕组变形检测的现有技术；另一方面，要按计划对在线变压器进行预防性实验检测，对发生故障的变压器及时处理。实践表明，常规预防性实验可以检测到变压器的重大缺陷，然而，对于许多事故初期的轻微缺陷，仅仅通过预防性实验无法发现。因此，迫切需要提出一种能够在变压器带电运行情况下，进行变压器绕组变形带电检测并能准确判断变压器绕组机械状态的检测方法。

早在20世纪60年代，美国、德国等发达国家就开始涉足变压器绕组变形检测研究，已经建立了比较成熟的事故检测单位，并每年定期举行国际会议对理论研究进展进行讨论和交流。20世纪70年代以来，日本、前苏联等国家的检测技术研究以及设备开发广泛开展，并迅速普及。通过多年的发展，国外变压器绕组检测技术形成了以低压脉冲法、短路阻抗法以及频率响应法为主的综合检测体系。但应用以上方法进行变压器绕组变形检测时，为了保证检测方法的可重复性，注入变压器绕组的低电压小电流信号必须与变压器正常运行时绕组中通过高电压大电流信号相分离，这就要求待测变压器处于离线状态。

上世纪90年代中后期，美国、俄罗斯和加拿大等几个国家通过对变压器的振动信号进行分析，提出了振动检测法，其中俄罗斯已经在60余台大型油浸式电力变压器上进行了现场试用。该方法通过在线监测变压器油箱表面振动信号来对变压器绕组状态进行分析，从变压器机械特性的角度实现了绕组变形的在线检测。Islam.S和K.Feser提出了工频信号分析法，该方法通过工频下测量变压器绕组的输入电流、输入电压和输出电压实现变压器绕组的运行情况的实时监测。P.M.Joshi和S.V.Kulkarni提出了电流偏差法，通过对变压器绕组首端的激励电流值和绕组末端的响应电流值进行测量，并计算电流偏移量及电流偏差系数，从而确定绕组变形的程度、类型和位置。另外，J.Ebrahimi提出的超宽带脉冲法以及A.Singh等人提出的传输线模型诊断法同样基于变压器的电气特性对变压器绕组变形的在线检测做出了探索。

我国在变压器绕组变形检测技术方面的研究起步较晚，自1990年以来，国内科研机构对低压脉冲法、短路阻抗法以及频率响应法等成熟方法进行了深入研究，取得了一定的成效。北京电力科学研究院、西安交通大学以及武汉高压研究所均对频率响应法进行了深入研究。武高所、华北电科院和电力科学研究院均自行研制了变压器绕组变形检测设备，并在电力系统中得到广泛应用，取得了很好的效果。同时，国内学者在对传统方法的创新改进方面也提出了许多独到的见解。上海交通大学金之俭团队将传统频率响应法与变压器振动特性相结合，提出了振动频响法。该方法将绕组视作机械元件二端口网络，绕组各单元阻尼、质量、刚度的改变都可以通过振动频响函数得到反映。同时，由于激振电流频率较低，也避免了电气接线的干扰，与传统频响法相比灵敏度取得了较大的提高。西安交通大学汲胜昌团队针对振动分析法，深入研究了空载电压与铁芯振动、负载电流与绕组振动之间的关系,并引入小波包进行变压器箱壁振动信号特征信息的提取。

目前，变压器绕组变形检测领域中较成熟的离线检测方法还缺少统一的检测标准，各种方法间缺乏联系和融合；在线监测方面，新的检测方法层出不穷，但检测精度和可重复性都差强人意。综上所述，在线化、定量化和可视化将会是变压器绕组变形检测技术研究未来的发展方向。

目前变压器绕组检测领域，低压脉冲法、短路阻抗法和频响法是应用得较多的三种停电检测方法。其中频响法由于其较好的灵敏度以及重复性，在电力系统中应用得较为广泛。而为了结合短路阻抗法和频响法的长处，扫频阻抗法被提出并进行了大量研究。目前的绕组扫频阻抗检测方法具有比单一检测方法更好的稳定性以及更大的适用范围。但是，这几种方法都是绕组停电检测方法。检测时必须使电力变压器停止工作，不能随时对绕组状态进行检测，这是所有停电方法都难以克服的缺陷。

振动法的优势是可以做到带电检测，这是频响法、扫频阻抗法等停电方法所不能实现的。带电检测可以及时了解绕组健康状况，从而尽可能地消除绕组故障带来的隐患。但是，振动法只能通过对振动信号的分析来间接地推断绕组变形情况，难以分辨出绕组变形的性质、位置以及程度，即无法实现直观量化检测。

超声波检测法基于超声波测距原理，产生的高强度超声波能够直接穿透变压器油箱外壳，从而对内部绕组进行探测。相比于其它绕组检测方法需要借助阻抗特性、频响特性等参量来间接推断绕组变形，超声波法能够直接检测绕组表面结构，可实现对变压器绕组变形的直观、量化的带电检测，因此极具发展前景。超声波检测方法尚处于起步阶段，在检测效率、精确度、检测量程以及适用范围等方面还可以继续提高和改善。目前，超声波检测法仅利用单路超声波对绕组变形进行检测，检测效率偏低且检测范围受限。因此，寻找一种检测效率更高、适用范围更广的超声波检测方法具有重要价值。

《基于超声波阵列的变压器绕组变形三维成像检测系统》上海交通大学硕士学位论文，作者涂正宏，提出了绕组超声波阵列检测方法，并研发出基于超声波阵列的变压器绕组变形三维成像检测系统。该系统能够实现对绕组变形的高效、直观、量化的三维成像带电检测。

发明内容

本发明提供一种基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法，以解决传统变压器绕组变形检测方法不能在线检测、振动法无法量化变形位置的问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)首先，在变压器箱壁表面选取合适的换能器阵列放置区域，需要避开加强筋等不适宜于安放换能器的区域。

(2)选择好换能器放置区域后，需在所有换能器表面均匀涂上耦合剂，有时还需在变压器箱壁涂上耦合剂，尽可能地减少超声波衰减。

(3)在换能器放置区域，以左上角作为放置起点，将发射换能器阵列平稳放置上去，发射换能器阵列中的各个换能器要保持在同一竖直方向的直线上，而且要确保各个换能器与箱壁良好耦合。同时，在与发射换能器阵列水平的方向放置接收换能器阵列。接收换能器阵列的位置是根据发射换能器阵列的位置和绕组表面的状况来决定的，需要根据情况在水平方向移动。

(4)放置好换能器后，通过上位机来控制超声波发射换能器阵列发射多路超声波。当一号发射探头成功发射出超声波，一号接收探头成功接收到产生信号时，系统显示稳定的传播时间数据，若系统不显示传播时间数据，则水平移动相应的接收换能器直到系统得到稳定的数据为止。当一号探头成功显示距离后，调整二号发射探头和二号接收探头的相对位置，当二号接收探头成功接收到超声信号时，系统显示超声传播时间数据。三号探头和四号探头以此类推。

(5)按照(4)中的测试方法，将发射换能器阵列纵向移动，接着接收换能器的位置也相应地调整，同理得到另外四个绕组测点的数据。按照这样的方法，每一次移动发射换能器阵列进行检测，就能得到四个点的数据。这样操作，直至纵向这一列所有可测点都被测量完毕，从而得到变压器绕组的第一列数据。

(6)第一列数据测量完毕，将发射换能器阵列水平方向移动一次位置，用类似的方法获得另外多列数据，直至换能器将整个放置区域对应的所有绕组测点检测完毕。

本发明所述当多路超声波换能器一起工作时，会产生不同探头之间的相互串扰，也就是一号探头的发射波有可能被二号探头接收，造成渡越时间的计算误差，所以采用分时复用的计算，将1s时间平均分为四等分，在0s-1/4s，是一号发射探头和一号接收探头的工作时间；在1/4s-2/4s，是二号发射探头和二号接收探头的工作时间；在2/4s-3/4s，是三号发射探头和三号接收探头的工作时间；在3/4s-4/4s，是四号发射探头和四号接收探头的工作时间。

本发明依据超声波传播特点，将多个超声换能器安置在变压器外壳本体表面，通过分时复用的技术，同时测量多个被检测点的三维位置坐标，实现了形变量的量化、变形位置的定位和在线检测的优点，并且本系统与变压器本体无电气连接，对电力系统运行不产生任何影响。在多路阵列超声技术中，采用分时复用技术，提高了超声检测效率，避免了多个超声探头之间的串扰，是变压器超声检测领域的创新点。

具体实施方式

包括下列步骤：

(1)首先，在变压器箱壁表面选取合适的换能器阵列放置区域，需要避开加强筋等不适宜于安放换能器的区域；

(2)选择好换能器放置区域后，需在所有换能器表面均匀涂上耦合剂，有时还需在变压器箱壁涂上耦合剂，尽可能地减少超声波衰减；

(3)在换能器放置区域，以左上角作为放置起点，将发射换能器阵列平稳放置上去，发射换能器阵列中的各个换能器要保持在同一竖直方向的直线上，而且要确保各个换能器与箱壁良好耦合；同时，在与发射换能器阵列水平的方向放置接收换能器阵列，接收换能器阵列的位置是根据发射换能器阵列的位置和绕组表面的状况来决定的，需要根据情况在水平方向移动；

(4)放置好换能器后，通过上位机来控制超声波发射换能器阵列发射多路超声波，当一号发射探头成功发射出超声波，一号接收探头成功接收到产生信号时，系统显示稳定的传播时间数据，若系统不显示传播时间数据，则水平移动相应的接收换能器直到系统得到稳定的数据为止，当一号探头成功显示距离后，调整二号发射探头和二号接收探头的相对位置，当二号接收探头成功接收到超声信号时，系统显示超声传播时间数据，三号探头和四号探头以此类推；

(5)按照(4)中的测试方法，将发射换能器阵列纵向移动，接着接收换能器的位置也相应地调整，同理得到另外四个绕组测点的数据，按照这样的方法，每一次移动发射换能器阵列进行检测，就能得到四个点的数据，这样操作，直至纵向这一列所有可测点都被测量完毕，从而得到变压器绕组的第一列数据；

(6)第一列数据测量完毕，将发射换能器阵列水平方向移动一次位置，用类似的方法获得另外多列数据，直至换能器将整个放置区域对应的所有绕组测点检测完毕。

当多路超声波换能器一起工作时，会产生不同探头之间的相互串扰，也就是一号探头的发射波有可能被二号探头接收，造成渡越时间的计算误差，所以采用分时复用的计算，将1s时间平均分为四等分，在0s-1/4s，是一号发射探头和一号接收探头的工作时间；在1/4s-2/4s，是二号发射探头和二号接收探头的工作时间；在2/4s-3/4s，是三号发射探头和三号接收探头的工作时间；在3/4s-4/4s，是四号发射探头和四号接收探头的工作时间；这样保证在在使用同一主控芯片的情况下，多个探头之间的无串扰工作，极大的提高了工作效率。

Claims (2)

1.一种基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)首先，在变压器箱壁表面选取合适的换能器阵列放置区域，需要避开加强筋等不适宜于安放换能器的区域；

(2)选择好换能器放置区域后，需在所有换能器表面均匀涂上耦合剂，有时还需在变压器箱壁涂上耦合剂，尽可能地减少超声波衰减；

(3)在换能器放置区域，以左上角作为放置起点，将发射换能器阵列平稳放置上去，发射换能器阵列中的各个换能器要保持在同一竖直方向的直线上，而且要确保各个换能器与箱壁良好耦合；同时，在与发射换能器阵列水平的方向放置接收换能器阵列，接收换能器阵列的位置是根据发射换能器阵列的位置和绕组表面的状况来决定的，需要根据情况在水平方向移动；

(4)放置好换能器后，通过上位机来控制超声波发射换能器阵列发射多路超声波。当一号发射探头成功发射出超声波，一号接收探头成功接收到产生信号时，系统显示稳定的传播时间数据，若系统不显示传播时间数据，则水平移动相应的接收换能器直到系统得到稳定的数据为止；当一号探头成功显示距离后，调整二号发射探头和二号接收探头的相对位置，当二号接收探头成功接收到超声信号时，系统显示超声传播时间数据。三号探头和四号探头以此类推；

(5)按照(4)中的测试方法，将发射换能器阵列纵向移动，接着接收换能器的位置也相应地调整，同理得到另外四个绕组测点的数据，按照这样的方法，每一次移动发射换能器阵列进行检测，就能得到四个点的数据，这样操作，直至纵向这一列所有可测点都被测量完毕，从而得到变压器绕组的第一列数据；

(6)第一列数据测量完毕，将发射换能器阵列水平方向移动一次位置，用类似的方法获得另外多列数据，直至换能器将整个放置区域对应的所有绕组测点检测完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于分时复用的多路超声波阵列变压器绕组变形检测方法，其特征在于，当多路超声波换能器一起工作时，会产生不同探头之间的相互串扰，也就是一号探头的发射波有可能被二号探头接收，造成渡越时间的计算误差，所以采用分时复用的计算，将1s时间平均分为四等分，在0s-1/4s，是一号发射探头和一号接收探头的工作时间；在1/4s-2/4s，是二号发射探头和二号接收探头的工作时间；在2/4s-3/4s，是三号发射探头和三号接收探头的工作时间；在3/4s-4/4s，是四号发射探头和四号接收探头的工作时间。