CN111751764B - 一种便携式变压器绕组故障在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式变压器绕组故障在线检测装置及方法，所述检测装置包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、高精度采集系统和信号处理单元；所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；所述高精度采集系统分别采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号，并发送至信号处理单元；所述信号处理单元根据信号，判断绕组变形和绕组正常。

Description

一种便携式变压器绕组故障在线检测装置及方法

技术领域

本发明属于变压器故障检测技术领域，具体涉及一种便携式变压器绕组故障在线检测装置及方法。

背景技术

变压器是电力系统中最为核心的输变电设备，特别是大型电力变压器，其在电能输送过程中起着重要的作用。国家电网公司对大量电力变压器事故的统计数据表明，35kV及以上等级的变压器因短路故障而损坏的比例高达50％。根据反馈，短路事故通常造成了大部分绕组发生不同程度的变形和绝缘破坏。而根据国际大电网工作组统计，造成变压器事故的各种故障因素中，绕组变形接近三分之一。变压器运输过程中的碰撞、摩擦、油中溶解气体的爆炸、变压器绝缘纸的裂化、腐蚀以及地震等因素均可能造成绕组不同程度的变形，特别是变压器发生出口短路后形成的短路电流与变压器内部磁场交互作用在绕组上产生巨大的电动力，电动力多次作用使得绕组变形具有一定的累积效应，造成绕组轻微变形和抗短路能力的降低。随着变压器出口短路以及绕组匝间故障的发生，绕组变形可能发展为灾难性故障，将会导致设备的停运和电网的停电事故，带来不可预料的经济损失。在绕组发生轻微变形时，故障对变压器的正常运行产生的影响很小；另一方面，由于变压器作为核心设备，需处于长时运行状态，因此对变压器绕组轻微变形的检测很容易被忽略。随着电网容量和系统短路容量日益扩大，因绕组变形造成的变压器损坏台次也随之增加。因此，绕组变形故障已经发展成为电力变压器的主要故障因素之一，如何在变压器运行过程中检测其绕组轻微变形，诊断绕组机械状态，在其出现灾难性故障之前做出预警措施，使它们能更好地抵御短路电流的冲击作用，是绕组故障检测中亟需解决的关键科学技术问题。目前应用于变压器绕组变形检测的方法，如离线频率响应法，需要在变压器吊罩以后开展，且检测周期较长，每次测试接线和测试人员的不同对检测结果也会产生误差。又如振动分析法、超声波法在线运行中检测精度不高，且易受传播介质干扰导致响应信号提取的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式变压器绕组故障在线检测装置及方法，以解决现有技术中，变压器绕组检测周期长、不精确的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式变压器绕组故障在线检测装置，包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、高精度采集系统和信号处理单元；

所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器连接变压器绕组的一端，用于向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；所述高精度采集系统同时分别连接变压器绕组的另一端、所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器及信号处理单元，用于采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元；

所述信号处理单元包括数据预处理单元、数据运算单元和数据后处理单元；所述数据预处理单元用于对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，并将滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号发送至数据运算单元；所述数据运算单元连接所述数据预处理单元，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，并根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；所述数据后处理单元连接所述数据运算单元，用于接收和处理增益频响图谱，判断绕组变形或绕组正常。

进一步的，还包括与所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器相连接的上位机；所述上位机用于向全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送脉冲参数指令，控制激励脉冲信号的幅值。

进一步的，所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器包括，高压直流电源、主电路、开关电源、电平转换芯片和FPGA；

所述开关电源用于为FPGA和电平转换芯片供电；所述高压直流电源为主电路供电，使主电路产生激励脉冲信号；所述FPGA用于接收上位机发送的脉冲参数指令并产生TTL信号I；所述电平转换芯片与所述FPGA连接，接收TTL信号I后进行电平转换，产生TTL信号II，并发送至主电路，所述TTL信号II控制主电路的开关管导通；FPGA接收到上位机发送的脉冲参数指令后，产生驱动信号，并发送至高压直流电源，所述驱动信号控制高压直流电源的输出幅值。

进一步的，所述驱动信号的频率范围为10Hz～1KHz，高压直流电源的输出幅值范围为0V～800V，TTL信号I的幅值为3.3V，TTL信号II的幅值为5V。

进一步的，所述激励脉冲信号的幅值范围为0V～2Kv，脉冲宽度范围为150ns～2000ns，脉冲频率范围为1Hz～1000Hz，上升沿持续时间范围为30ns～40ns，下降沿持续时间为40ns。

进一步的，还包括抽拉式的机箱；所述机箱内部集成全固态高压纳秒方波脉冲发生器和高精度采集系统；所述机箱的侧壁装有散热风扇；所述机箱的侧壁设有散热孔、通信接口、响应信号接收孔、高压地线孔、电流显示屏、电压显示屏、电源启停键、电源指示灯和电源滤波器；FPGA和高压直流电源通过所述通信接口与上位机进行通信。

进一步的，所述通信接口为USB接口。

进一步的，所述高精度采集系统为虚拟示波器。

进一步的，所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器通过电阻连接待检测变压器绕组的一端。

本发明的另一个技术方案是，一种变压器绕组故障在线检测方法，具体如下：

1)所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；

2)所述高精度采集系统采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元，

3)所述信号处理单元对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，并根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；

4)根据处理后的增益频响图谱，判断变压器绕组变形或正常。

本发明的有益效果如下：

本发明检测装置的主体是基于FPGA控制的脉冲发生器，通过上位机(PC端)控制输入检测所需脉冲参数(电压幅值、频率、脉冲个数)等，脉冲发生器产生高频纳秒方波激励信号注入至绕组端，同时，响应信号通过本装置所搭载的虚拟示波器进行采集，采集精度高，基本还原了原始响应信号。提取得到激励信号和响应信号在上位机后台进行数据处理和并采用算法对其优化，最终绘制而出频率响应曲线，该曲线可与同时期不同相绕组对比判定绕组变形程度，也可将数据储存上传云端与不同时期同相绕组进行比较。本发明还为检测人员提供了丰富的电力设备故障数据用于研究。在变压器不停运的情况下，通过非接触、非侵入式的方式，快速准确地完成绕组状态实时评价。

本发明检测装置体积小，质量轻，便于携带，且不改变电力系统原有的接线，安全系数高。

本发明检测方法采用高压纳秒脉冲信号激励绕组，由于频带较高，避开了工频和部分干扰信号，提高了抗电磁干扰的能力。采用高压纳秒脉冲信号，包含了丰富的频谱分量，能够在仅输入几个脉冲的情况下，实现快速检测，提高检测的速度和效率。

本发明检测方法的采样率高，分辨率高。能够准确的识别响应信号并且能完整的还原采样的原始信号，避免了高频段信息的缺失。在保证了检测效果的同时缩短了检测周期，方便现场人员及时监测绕组工作状态，起到了故障预警的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明便携式变压器绕组故障在线检测装置的机箱结构图；

图2为本发明便携式变压器绕组故障在线检测装置的左视图；

图3为驱动信号控制回路示意图，上位机发送的十六进制数至FPGA，产生不同脉宽的驱动信号控制脉冲发生电路开关导通；

图4为本发明便携式变压器绕组故障在线检测装置的结构示意图；

图中：1散热风扇、2散热孔、3通信接口、4脉冲输出孔、5响应信号接收孔、6高压地线孔、71电流显示屏、72电压显示屏、81电源启停键、82电源指示灯、9电源滤波器。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1：

如图3和4所示，一种便携式变压器绕组故障在线检测装置，包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、高精度采集系统、信号处理单元、上位机；所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器连接变压器绕组的一端，用于向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；所述高精度采集系统分别连接变压器绕组的另一端、所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器及信号处理单元，用于采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元，所述信号处理单元判断变压器绕组是否正常。所述上位机与所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器相连接，上位机用于向全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送脉冲参数指令，控制激励脉冲信号的幅值。

所述信号处理单元包括数据预处理单元、数据运算单元和数据后处理单元；所述数据预处理单元用于对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，并将滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号发送至数据运算单元，数据预处理主要是滤除测试过程的随机干扰，采取在同一种状态下多次测量求平均值的方式实现随机噪声的滤除；所述数据运算单元连接所述数据预处理单元，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；所述数据后处理单元连接所述数据运算单元，用于接收和处理增益频响图谱，判断绕组变形或绕组正常。

所述高精度采集系统为虚拟示波器。虚拟示波器采集脉冲输出的幅值以及采集到的绕组末端响应幅值，通过串口与上位机进行通讯，将采集到的数据上传至上位机进行绕组状态的快速评估。采集系统通道数为4个，最大采样率可达到1GSa/S，带宽为250MHz，灵敏度为10mv。高精度的采样可最大程度还原原始波形，避免了高频段信息的丢失，为傅里叶分析提供了丰富的信息，拓宽了检测频段范围。

所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器包括，高压直流电源、主电路、开关电源、电平转换芯片和FPGA；所述开关电源用于为FPGA和电平转换芯片供电；所述高压直流电源为主电路供电，使主电路产生激励脉冲信号；所述FPGA用于接收上位机发送的脉冲参数指令并产生TTL信号I；所述电平转换芯片与所述FPGA连接，接收TTL信号I后进行电平转换，产生TTL信号II，并发送至主电路，所述TTL信号II控制主电路的开关管导通；FPGA接收到上位机发送的脉冲参数指令后，产生驱动信号，并发送至高压直流电源，所述驱动信号控制高压直流电源的输出幅值。所述驱动信号的频率范围为10Hz～1KHz，高压直流电源的输出幅值范围为0V～800V，TTL信号I的幅值为3.3V，TTL信号II的幅值为5V。所述激励脉冲信号的幅值范围为0V～2Kv，脉冲宽度范围为150ns～2000ns，脉冲频率范围为1Hz～1000Hz，上升沿持续时间范围为30ns～40ns，下降沿持续时间为40ns。

所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器通过电阻连接待检测变压器绕组的一端。

本发明的另一个技术方案是：

一种变压器绕组故障在线检测方法，利用所述的便携式变压器绕组故障在线检测装置，包括：所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；所述高精度采集系统采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元，所述信号处理单元对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，并根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；根据处理后的增益频响图谱，判断变压器绕组变形或正常。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，增加了抽拉式的机箱；

如图1和2所示，所述机箱内部集成全固态高压纳秒方波脉冲发生器和高精度采集系统；所述机箱的侧壁装有散热风扇1；所述机箱的侧壁设有散热孔2、通信接口3响应信号接收孔4、高压地线孔5、电流显示屏71、电压显示屏72、电源启停键81、电源指示灯82和电源滤波器9；FPGA和高压直流电源通过所述通信接口与上位机进行通信。所述通信接口3为USB接口。机箱上下左右前后六面采用铝合金制成，箱体采用抽拉式结构安装，箱体大小为430*400*180mm，箱体厚度为正面3mm，其余面2mm。

安装时，开关电源、高压直流电源、主电路以及高精度采集系统均通过M3螺丝固定于机箱的底板上，如图2所示，在图示中电源滤波器开槽处安装电源滤波器9，将市电从此处接入装置，对散热风扇1、开关电源进行供电。电源滤波器9用直径为M3的螺丝固定。

如图1所示，背面板开槽装入USB2.0接口，USB接口用于FPGA、高压直流电源和上位机进行通讯，同时为FPGA和高精度采集系统供电。同时高压地线接口6确保装置可靠接地。在现场测试时保证了测试设备和测试人员的安全性。正面板上装有电流显示屏71和电压显示屏72，尺寸为76*40mm，用于实时观测高压直流电源的工作状态，同时配有电源启停键81Φ16mm，可在紧急情况下切断电源确保安全。同时，电源指示灯82Φ12mm用于表示装置上电后内部各组件是否正常工作。若灯亮，表示装置供电正常；若灯灭，则表示供电出现故障，此时不宜进行其余操作，应及时检查装置内部。正面板上的脉冲信号输出孔4和响应信号接收孔5，均为M10过孔，用于安装BNC接头实现装置输出脉冲激励信号和响应信号的接入。

由于整套装置在检测需要连续工作，故FPGA和高精度采集系统将产生明显的发热情况，为不影响设备的正常工作，需加装散热设备加强装置内的空气对流散热，及时带走热量，使装置在正常工作温度下稳定工作。如图2所示，安装散热风扇1的孔开槽大小为M20，四个角通过M4过孔将其固定于左面板上，整套装置装有2部功率20W的散热风扇1，装置一旦上电，风扇将开始工作。此外，在装置的右面板和背面板开有散热孔阵列，便于热空气的逸出。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种便携式变压器绕组故障在线检测装置，其特征在于，包括全固态高压纳秒方波脉冲发生器、高精度采集系统和信号处理单元；

所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器连接变压器绕组的一端，用于向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；所述高精度采集系统同时分别连接变压器绕组的另一端、所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器及信号处理单元，用于采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元；

所述信号处理单元包括数据预处理单元、数据运算单元和数据后处理单元；所述数据预处理单元用于对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，并将滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号发送至数据运算单元；所述数据运算单元连接所述数据预处理单元，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，并根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；所述数据后处理单元连接所述数据运算单元，用于接收和处理增益频响图谱，判断绕组变形或绕组正常；

还包括与所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器相连接的上位机；所述上位机用于向全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送脉冲参数指令，控制激励脉冲信号的幅值；

所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器包括，高压直流电源、主电路、开关电源、电平转换芯片和FPGA；所述开关电源用于为FPGA和电平转换芯片供电；所述高压直流电源为主电路供电，使主电路产生激励脉冲信号；所述FPGA用于接收上位机发送的脉冲参数指令并产生TTL信号I；所述电平转换芯片与所述FPGA连接，接收TTL信号I后进行电平转换，产生TTL信号II，并发送至主电路，所述TTL信号II控制主电路的开关管导通；FPGA接收到上位机发送的脉冲参数指令后，产生驱动信号，并发送至高压直流电源，所述驱动信号控制高压直流电源的输出幅值；

还包括抽拉式的机箱；所述机箱内部集成全固态高压纳秒方波脉冲发生器和高精度采集系统；所述机箱的侧壁装有散热风扇；所述机箱的侧壁设有散热孔、通信接口、响应信号接收孔、高压地线孔、电流显示屏、电压显示屏、电源启停键、电源指示灯和电源滤波器；FPGA和高压直流电源通过所述通信接口与上位机进行通信；

所述驱动信号的频率范围为10Hz～1KHz，高压直流电源的输出幅值范围为0V～800V，TTL信号I的幅值为3.3V，TTL信号II的幅值为5V；

所述激励脉冲信号的幅值范围为0V～2Kv，脉冲宽度范围为150ns～2000ns，脉冲频率范围为1Hz～1000Hz，上升沿持续时间范围为30ns～40ns，下降沿持续时间为40ns。

2.根据权利要求1所述的便携式变压器绕组故障在线检测装置，其特征在于，所述通信接口为USB接口。

3.根据权利要求1所述的便携式变压器绕组故障在线检测装置，其特征在于，所述高精度采集系统为虚拟示波器。

4.根据权利要求1所述的便携式变压器绕组故障在线检测装置，其特征在于，所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器通过电阻连接待检测变压器绕组的一端。

5.一种基于权利要求1所述的便携式变压器绕组故障在线检测装置的变压器绕组故障在线检测方法，其特征在于，具体如下：

1)所述全固态高压纳秒方波脉冲发生器向待检测变压器绕组发送激励脉冲信号；

2)所述高精度采集系统采集全固态高压纳秒方波脉冲发生器发送的激励脉冲信号和待检测变压器绕组另一端的响应信号并发送至信号处理单元，

3)所述信号处理单元对激励脉冲信号和响应信号进行滤波处理，根据滤波处理后的激励脉冲信号和响应信号绘制频响图谱，再分别对预处理后的激励脉冲信号和响应信号进行快速傅里叶变换，并根据傅里叶变换结果绘制增益频响图谱；

4)根据处理后的增益频响图谱，判断变压器绕组变形或正常。