CN112304369A - 换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

公开了换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法，系统中，超声波局部放电传感器安装在绕组同一水平面处，超声波局部放电传感器采集换流变压器局部放电产生的超声波信号并用输出至前置放大器；振动传感器安装在排油阀上方，振动传感器采集换流变压器局部放电产生的加速度信号和振幅信号；铁芯接地电流传感器采集换流变压器发生接地故障时所产生的电流信号，接地装置穿过铁芯接地电流传感器并接地；监测单元基于超声波信号、加速度信号、振幅信号以及电流信号生成监测数据。

Description

换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及换流变压器设备状态监测技术领域，特别是一种换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法。

背景技术

随着社会、国民经济的持续稳定发展，电力需求迅速增长，电力行业发展迅速，输电电压等级逐步提高，电网的规模也不断扩大，采用升压变压器将电压升级进行远距离传输大功率电能，以减少线路损耗，因此，变压器的正常稳定运行对于保持整个系统的稳定和安全有着极其重要的作用。

随着电力系统的快速发展，高压直流输电因其具有更高的输电能力和输电效率，能够实现安全可靠、经济适用的大容量、远距离送电等独特优势而得到越来越多的运用，而换流变压器作为其核心设备也越来越多的投入使用。换流变压器对于直流输电系统的安全、可靠、稳定运行起到至关重要的作用，一旦换流变发生故障，将直接迫使直流输电系统停止运行，并对交流电网产生极大的冲击。与普通电力变压器相比，换流变压器的工作条件更为恶劣，对绝缘性能的要求更高。

为了使换流变压器能够保持安全稳定的运行，需要对其实时运作状态进行监测，确保不存在安全风险因素，才能保证换流变压器能够持续稳定的运行，而发现具体的风险因素后需要及时对其派出，以确保电力生产的安全系数。换流变在运行时，可能存在多种故障，总的来说可以大致分为过热性故障、放电性故障和机械性故障，机械性故障也可能伴随着过热或放电的表现形式。因此，设计一种换流变压器多状态参量在线监测系统具有重要的工程意义。现阶段换流变压器在线监测朝着智能化方向发展，开发更先进和智能化的在线监测系统能显著提高变压器在线监测的可靠性和准确性，具有很好的研究前景和重要的应用价值。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法，成本低、精度高、易操作。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种换流变压器多状态参量在线监测系统包括，

换流变压器，其包括原边套管、副边套管、绕组、排油阀和接地装置；

超声波局部放电传感器，其安装在所述绕组同一水平面处，所述超声波局部放电传感器采集换流变压器局部放电产生的超声波信号并用输出至前置放大器；

前置放大器，其连接所述超声波局部放电传感器，所述前置放大器检波放大所述超声波信号；

振动传感器，其安装在所述排油阀上方，所述振动传感器采集所述换流变压器局部放电产生的加速度信号和振幅信号；

铁芯接地电流传感器，其采集所述换流变压器发生接地故障时所产生的电流信号，所述接地装置穿过铁芯接地电流传感器并接地；

监测单元，其分别连接所述前置放大器、振动传感器以及铁芯接地电流传感器以接收所述超声波局部放电信号、加速度信号、振幅信号，并基于所述超声波信号、加速度信号、振幅信号以及所述电流信号生成监测数据。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，还包括服务器，其有线或无线连接所述监测单元，所述服务器基于所述监测数据故障诊断。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述服务器为云服务器，所述云处理服务器包括处理器、存储器和SCADA系统。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述超声波局部放电传感器磁吸于所述换流变压器外壁且与所述绕组同一水平面，所述超声波局部放电传感器采集超声波信号并输出模拟信号。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述前置放大器检波放大所述模拟信号并输出单次局部放电特征信息。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，振动传感器磁吸于所述换流变压器外壁且位于所述排油阀上方。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述铁芯接地电流传感器耦合所述接地装置的电流信号，并转化为4-20mA的电流信号。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述监测单元包括电压电流信号处理器、加速度信号处理器、位移信号处理器和A/D转换器。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统中，所述监测单元包括排列的超声波局部放电监测单元、铁芯接地电流监测单元以及变压器振动监测单元。

根据本发明另一方面，一种所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的监测方法包括以下步骤，

超声波局部放电传感器采集局部放电故障引起的超声波信号并发送监测单元，

振动传感器采集变压器故障引起的振动信号并发送监测单元，

铁芯电流传感器采集铁芯接地所引起的故障电流的电流信号，

监测单元接收所述超声波信号以提取超声波特征、接收所述振动信号以提取振动特征、接收所述电流信号以提取电流特征，以及生成局部放电相位分布谱图，监测单元基于模式识别算法生成监测数据，

服务器与所述监测单元数据交换，形成历史数据库，并通过BP网络监测和预警换流变压器故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种换流变压器多状态参量在线监测系统，为换流变压器过热性故障、放电性故障和机械性故障三种故障类型提供了在线状态监测系统，提供了对这些故障的特征量进行提取分析处理平台；

2)本发明采用超声波局部放电传感器、铁芯接地电流传感器以及变压器振动传感器，对换流变压器发生故障时的特征进行提取收集，传感器易于实施安装，并且所采用传感器收集到的数据信息具有更高的准确性和可靠性；使用智能终端对所提取的特征量进行分析，能够很好的对这些特征量处理分析，提高对故障信息特征的认知能力；并且可以实时在线对换流变压器进行状态监测，可以及时发现故障并采取一定的措施。

3)该换流变压器多状态参量在线监测系统具有成本低、操作简便、准确度高、稳定性优良等优点，适合对各种换流变压器进行多状态参量在线监测和分析。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本公开一个实施例提供的一种换流变压器多状态参量在线监测系统结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的一种换流变压器多状态参量在线监测系统的监测单元的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种换流变压器多状态参量在线监测系统，其包括，

换流变压器3，其包括原边套管1、副边套管2、绕组、排油阀和接地装置；

超声波局部放电传感器5，其安装在所述绕组同一水平面处，所述超声波局部放电传感器5采集换流变压器3局部放电产生的超声波信号并用输出至前置放大器；

前置放大器，其连接所述超声波局部放电传感器5，所述前置放大器检波放大所述超声波信号；

振动传感器4，其安装在所述排油阀上方，所述振动传感器4采集所述换流变压器3局部放电产生的加速度信号和振幅信号；

铁芯接地电流传感器6，其采集所述换流变压器3发生接地故障时所产生的电流信号，所述接地装置穿过铁芯接地电流传感器6并接地；

监测单元7，其分别连接所述前置放大器、振动传感器4以及铁芯接地电流传感器6以接收所述超声波局部放电信号、加速度信号、振幅信号，并基于所述超声波信号、加速度信号、振幅信号以及所述电流信号生成监测数据。

本发明针对换流变压器3过热性故障、放电性故障以及机械性故障进行监测。通过在换流变压器3上安装超声波局部放电传感器5、变压器振动传感器4以及铁芯接地电流传感器6，将三者的输出端连接到所设计的智能终端进行分析处理。对超声波传感器所监测到的局部放电特征量幅值以及相位进行分析，绘制响应的局部放电相位(PRPD)谱图；对铁芯接地电流传感器6和变压器振动传感器4所监测到的电流信号以及振动信号进行A/D转换，进行量化分析；并且对上述所处理的数据上传到云端，形成一个换流变压器3的状态监测数据库，利用数据融合技术对设备进行分析，为制定检修计划和检修步骤提供参考。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，还包括服务器8，其有线或无线连接所述监测单元7，所述服务器8基于所述监测数据故障诊断。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述服务器8为云服务器8，所述云处理服务器8包括处理器、存储器和SCADA系统。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述超声波局部放电传感器5磁吸于所述换流变压器3外壁且与所述绕组同一水平面，所述超声波局部放电传感器5采集超声波信号并输出模拟信号。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述前置放大器检波放大所述模拟信号并输出单次局部放电特征信息。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，振动传感器4磁吸于所述换流变压器3外壁且位于所述排油阀上方。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述铁芯接地电流传感器6耦合所述接地装置的电流信号，并转化为4-20mA的电流信号。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述监测单元7包括电压电流信号处理器、加速度信号处理器、位移信号处理器和A/D转换器。

所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述监测单元7包括排列的超声波局部放电监测单元7、铁芯接地电流监测单元7以及变压器振动监测单元7。

在一个实施例中，换流变压器多状态参量在线监测系统包括，

超声波局部放电传感器5，其一端采用磁铁吸附安装与在变压器绕组同一水平面处，另一端使用电缆接到前置放大器，所述超声波局部放电传感器5将局部放电产生的超声波电信号收集并用电缆以模拟信号输出至前置放大器；

前置放大器，其一端连接所述超声波局部放电传感器5，另一端连接在智能终端，所述前置放大器将所处理的超声波电信号检波放大后输入到智能终端；

变压器振动传感器4，其一端可采用磁吸座或螺纹的方式安装在变压器排油阀上方，另一端通过航空插头接至智能终端，所述变压器振动传感器4将局部放电所产生的加速度信号和振幅信号收集并通过电缆输入到智能终端；

铁芯接地电流传感器6，其一端让所述变压器接地装置穿过传感器放置在变压器底端接地处，另一端通过电缆连接至智能终端，所述铁芯接地电流传感器6将变压器发生接地故障时所产生的的电流信号收集并通过电缆以模拟信号方式输入到智能终端；

如智能终端的监测单元7，其三端分别连接超声波局部放电传感器5的前置放大器、变压器振动传感器4以及铁芯接地电流传感器6，另一端利用互联网连接云处理服务器8，所述智能终端将三种传感器所收集到的超声波局部放电信号、加速度信号、振幅信号以及铁芯接地电流信号进行处理分析，并将所处理的数据输入到云处理服务器8；

云处理服务器8，其一端利用互联网连接智能终端，所述云处理服务器8将智能终端所输入的数据进行储存并进行故障详细算法诊断，实现通信网络化和数据共享。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述超声波局部放电传感器5可耦合到来自变压器内局部放电引起的超声波信号，并输出检测到的模拟信号至其专用的前置放大器。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述前置放大器可将超声传感器输入的高频局部放电信号进行检波放大，并输出单次局部放电信号的幅值和相位信息至智能终端。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述变压器振动传感器4利用磁铁实现与变压器紧密的机械连接，实现变压器故障时微小振动检测，收集振动时的加速度信号和振幅信号并输出至智能终端。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述铁芯接地电流传感器6耦合换流变压器3接地体的电流信号，并转化为4～20mA的标准电流信号输出至智能终端。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述超声波局部放电传感器5通过电缆连接到前置放大器再经电缆连接至智能终端。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统的优选实施例中，所述智能终端包括电压电流信号处理器、加速度信号处理器、位移信号处理器、A/D转换器、存储器、显示屏。

所述换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述云处理服务器8包括处理器、存储器、SCADA系统等。

在一个实施例中，变压器3由原边套管1和副边套管2组成，在变压器3左侧下方位置采用磁铁吸附方式安装超声波局部放电传感器，在变压器3右侧下方位置采用磁吸座或螺纹的方式安装变压器振动传感器4，在变压器3的接地处安装铁芯接地电流传感器6；将变压器振动传感器4、超声波局部放电传感器5以及铁芯接地电流传感器6使用引线将其输出端连接至智能终端7上所对应的模块输入端处；将智能终端7与云服务处理器8使用无线网络方式进行连接。

在一个实施例中，如图2，智能终端面板由超声波局部放电监测单元9、铁芯接地电流监测单元10以及变压器振动监测单元11构成；每个监测单元由显示屏、传感器端口、网线、光纤以及壳体接地螺丝孔组成；其中，超声波局部放电传感器采用BNC端口，铁芯接地电流传感器和变压器振动传感器采用航空端口；面板底端安装USB接口12以及电源接口13。

一种所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的监测方法包括以下步骤，

超声波局部放电传感器5采集局部放电故障引起的超声波信号并发送监测单元7，

振动传感器4采集变压器故障引起的振动信号并发送监测单元7，

铁芯电流传感器6采集铁芯接地所引起的故障电流的电流信号，

监测单元7接收所述超声波信号以提取超声波特征、接收所述振动信号以提取振动特征、接收所述电流信号以提取电流特征，以及生成局部放电相位分布谱图，监测单元7基于模式识别算法生成监测数据，

服务器8与所述监测单元7数据交换，形成历史数据库，并通过BP网络监测和预警换流变压器3故障。

在一个优选实施方式中，方法包括以下步骤，

变压器发生各种故障时所产生的电压信号、电流信号、局部放电引起的超声波信号以及振动信号，

超声波信号以球面波的形式向四面传播至外壳，通过紧贴在外壳上的超声波局部放电传感器5收集超声波电信号并对信号进行分析，

当波传播到外壳时会引起变压器外壳产生微小的振动，通过紧贴在外壳上的变压器振动传感器4收集振动时的加速度信号以及位移信号并对信号进行处理，

铁芯接地所引起的故障电流通过安装在底部的铁芯电流传感器6收集故障电流并对其信号进行处理，

通过信号线将上述几种所采集的特征信号传输到智能终端，利用智能终端系统对所收集的信号进行存储以及处理分析，

对超声局部放电传感器5所收集的局部放电的电压相位信息与电压的幅值信息进行处理，利用智能终端记录所测变压器局部放电的特征，通过分析处理得到局部放电相位分布(PRPD)谱图，

对铁芯接地电流传感器6所收集的电流信号进行处理，利用智能终端记录所测变压器的铁芯接地电流的特征，使用A/D转换器将输入的电流模拟信号转换为数字信号，提取所得数字信号模最大的数据进行存储分析，

对变压器振动传感器4所收集的速度、加速度以及位移信号进行处理，利用智能终端记录变压器机械振动的特征，使用A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，提取所得加速度信号以及位移信号两者数字信号模最大的数据进行存储分析，

智能终端记录局部放电响应电压信号的幅值和相位信息，生成局部放电相位分布(PRPD)谱图，利用模式识别算法，可对变压器局部放电信号进行就地化诊断和处理；对传感器所输入的模拟信号，其中包括铁芯接地电流信号、振动加速度和幅值信号，采用A/D转换器进行数字化处理，计算比较得到模值最大的数据，对其进行存储分析，

将智能终端所处理的数据传输到云服务处理器，将换流变压器3状态参量进行存储，形成历史数据库，通过BP网络或专家系统等融合技术进行分析。

在一个优选实施方式中，方法包括如下步骤：

步骤1：利用搭建的在线监测系统，收集记录待评估换流变压器3在每个时段的运行数据情况；

步骤2：根据通过各个传感器所收集到的各个信号，其中包括电压、电流、超声波、速度、加速度以及位移信号，设置智能终端系统正常情况下的参数以及报警时参数的阈值，将实时所收集到的数据进行比对；

步骤3：将换流变压器3发生故障时的数据分类记录并进行分析处理，对局部放电的相位和幅值信号进行分析得到局部放电相位分布(PRPD)谱图；将所发生机械故障时的加速度和位移信号记录并进行分析处理，使用A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，提取所得加速度信号以及位移信号两者数字信号模最大的数据进行分析；将发生铁芯接地故障时的电流信号记录并进行分析处理，用A/D转换器将输入的电流模拟信号转换为数字信号，提取所得数字信号模最大的数据进行分析。将所处理的数据与所述的阈值进行比较，发出相应的信号，智能终端或者操作人员对换流变压器3运行参数的改变做出响应；

步骤4：将智能终端所处理的数据传输到云服务处理器，将换流变压器3状态参量进行存储，形成历史数据库，通过BP网络或专家系统等融合技术进行分析。

上述步骤为换流变压器多状态参量在线监测系统的分析方式。在实际操作过程中，使用换流变压器多状态参量在线监测系统时可以分为以下三个阶段：

在系统运行的准备阶段，工作人员需预先检查换流变压器3监测系统各组件是否存在故障，以确保系统运行正常。

在系统实际运行阶段，工作人员需通过显示电路中的数据显示屏观察传感器监测单元7的数据读数是否正常。

在数据分析阶段，工作人员需采集微芯片分析的数据结果结合变压器的历史运行数据记录进行分析，以进一步确定变压器的运行状态。

将人工分析的变压器运行状态数据与数据分析系统得出的运行状态数据进行对比分析。将两类数据分析结果相结合，最终确定换流变压器3的整体运行状态，实现对换流变压器3的运行状态监测。

工业实用性

本发明所述的换流变压器多状态参量在线监测系统及监测方法可以变压器监测技术领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种换流变压器多状态参量在线监测系统，其包括，

换流变压器，其包括原边套管、副边套管、绕组、排油阀和接地装置；

超声波局部放电传感器，其安装在所述绕组同一水平面处，所述超声波局部放电传感器采集换流变压器局部放电产生的超声波信号并用输出至前置放大器；

前置放大器，其连接所述超声波局部放电传感器，所述前置放大器检波放大所述超声波信号；

振动传感器，其安装在所述排油阀上方，所述振动传感器采集所述换流变压器局部放电产生的加速度信号和振幅信号；

铁芯接地电流传感器，其采集所述换流变压器发生接地故障时所产生的电流信号，所述接地装置穿过铁芯接地电流传感器并接地；

监测单元，其分别连接所述前置放大器、振动传感器以及铁芯接地电流传感器以接收所述超声波局部放电信号、加速度信号、振幅信号，并基于所述超声波信号、加速度信号、振幅信号以及所述电流信号生成监测数据。

2.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，优选的，还包括服务器，其有线或无线连接所述监测单元，所述服务器基于所述监测数据故障诊断。

3.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述服务器为云服务器，所述云处理服务器包括处理器、存储器和SCADA系统。

4.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述超声波局部放电传感器磁吸于所述换流变压器外壁且与所述绕组同一水平面，所述超声波局部放电传感器采集超声波信号并输出模拟信号。

5.如权利要求4所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述前置放大器检波放大所述模拟信号并输出单次局部放电特征信息。

6.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，振动传感器磁吸于所述换流变压器外壁且位于所述排油阀上方。

7.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述铁芯接地电流传感器耦合所述接地装置的电流信号，并转化为4-20mA的电流信号。

8.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述监测单元包括电压电流信号处理器、加速度信号处理器、位移信号处理器和A/D转换器。

9.如权利要求1所述的换流变压器多状态参量在线监测系统，其中，所述监测单元包括排列的超声波局部放电监测单元、铁芯接地电流监测单元以及变压器振动监测单元。

10.一种权利要求1-9中任一项所述的换流变压器多状态参量在线监测系统的监测方法，其包括以下步骤，

超声波局部放电传感器采集局部放电故障引起的超声波信号并发送监测单元，

振动传感器采集变压器故障引起的振动信号并发送监测单元，

铁芯电流传感器采集铁芯接地所引起的故障电流的电流信号，

监测单元接收所述超声波信号以提取超声波特征、接收所述振动信号以提取振动特征、接收所述电流信号以提取电流特征，以及生成局部放电相位分布谱图，监测单元基于模式识别算法生成监测数据，

服务器与所述监测单元数据交换，形成历史数据库，并通过BP网络监测和预警换流变压器故障。

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