CN112345855B - 一种并联电抗器运行状态检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联电抗器运行状态检测系统及方法，属于电抗器技术领域。系统包括依次设置在A相电抗器正前方的A相参考传声器和A相叠加传声器，设置在B相电抗器正前方的B相参考传声器，以及依次设置在C相电抗器正前方的C相参考传声器和C相叠加传声器；各传声器通讯连接至信号处理器和单片机，将信号依次传至所述信号处理器和单片机；单片机与现场显示器和监控中心连接，实现信号传输。能够在不接触设备的条件下自动检测并联电抗器异常状态，提高并联电抗器的安全性和经济性。

Description

一种并联电抗器运行状态检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电抗器技术领域，具体地说，涉及一种并联电抗器运行状态检测系统及方法。

背景技术

在已运行变电站中，通过测量特定的参数或使用条件来对变压器及其相关组件的故障情况进行在线监测，对提高运行安全性、增强电网稳定性、延长设备使用寿命等具有积极意义。以往的研究发现，变压器状态异常会导致其辐射的可听声异常。因此，通过检测变压器声音来及时发现故障是常用的技术手段。

并联电抗器属于一类特殊的变压器，是高电压远距离输电系统的重要设备，通常安装在高电压等级的变电站和开关站里。并联电抗器的形式基本都采用单相户外油浸式，即每组并联电抗器都存在A、B、C三相。与普通变压器相比，并联电抗器辐射的可听声具有两个明显的特点：其一，并联电抗器可听声在100Hz上存在一个明显的音调；其二，在电压不变的情况下，并联电抗器负荷的变化对其可听声的影响很小。

根据波的干涉理论，产生干涉需要三个必要条件：其一是两列波的频率相同，即波长相同；其二是两列波具有固定的相位差；其三是两列波的振幅不得相差悬殊，否则干涉现象不明显。一组并联电抗器存在A、B、C三相，从产生干涉的三个必要条件来看：首先，并联电抗器声波在100Hz上存在明显的音调，所以满足第一个条件；第二，同组并联电抗器的A、B、C三相辐射的声波依次存在固定的120°相位差，所以满足第二个条件；第三，相邻两相并联电抗器几何中心之间距离一般在15m以内，所以相邻两相辐射的声波振幅在近场区不会相差悬殊。并且，相邻两相并联电抗器之间存在防火墙，所以其辐射的声波在平行于防火墙的方向上具有较好的方向性。因此，相邻两相并联电抗器辐射的可听声具备产生声波干涉的必要条件，在实际运行中可产生声波干涉现象，参见图1。

与普通变压器一样，通过检测并联电抗器声音来及时发现故障也是常用的技术手段。公布号为CN110534118A的专利申请文献公开了一种基于声纹识别和神经网络的变压器/电抗器故障诊断方法，首先采集设备运行时产生的语音信号，然后将语音信号分为若干个语音片段后直接转换为语谱图，接着采用CNN网络和LSTM网络串联构成的神经网络对语谱图进行处理，最终基于神经网络的处理结果对设备进行故障诊断。但是，该方法存在以下缺点：1)现场采集输入的声信号容易受到偶发声的影响，干扰故障诊断结果；2)为了避免其他设备的影响，传声器必须安装目标设备近处，存在安全隐患；3)并联电抗器在可听声在100Hz上存在明显的音调，其他频段上的特征频率则不明显，使得声纹识别效果受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联电抗器运行状态检测系统及方法，能够在不接触设备的条件下自动检测并联电抗器异常状态，提高并联电抗器的安全性和经济性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的并联电抗器运行状态检测系统包括依次设置在A相电抗器正前方的A相参考传声器和A相叠加传声器，设置在B相电抗器正前方的B相参考传声器，以及依次设置在C相电抗器正前方的C相参考传声器和C相叠加传声器；

各传声器通讯连接至信号处理器和单片机，将信号依次传至所述信号处理器和单片机；所述单片机与现场显示器和监控中心连接，实现信号传输。

上述技术方案中，在系统运行的情况下5个传声器同步采集声时域信号，对声时域信号进行FFT分析获取100Hz声压级并等效计权，将A相电抗器和C相电抗器实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级之差与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，初步判断各相电抗器状态，将A相参考传声器、B相参考传声器、C相参考传声器实时采集的100Hz声压级与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，进一步判断各相电抗器状态是否异常，同时将警报信息分别传输至现场显示器和监控中心。能够在不接触设备的条件下自动检测并联电抗器异常状态，提高并联电抗器的安全性和经济性。

可选地，在一个实施例中，所述的A相参考传声器、B相参考传声器、C相参考传声器分别布设在A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器正前方0.5m处。

可选地，在一个实施例中，各传声器应采用防水式，并经接地线连接至接地极，高度为并联电抗器本体总高的1/2。

可选地，在一个实施例中，并联电抗器运行之前，通过如下步骤设置传声器和建立基础数据库：

1)收集设备尺寸和布置方式相关资料；

2)在A相电抗器和C相电抗器正前方各设置一条虚拟线；

3)计算两条虚拟线上的声波叠加的点位，得到理论声波叠加点；

4)采用声级计实测复核和微调理论声波叠加点，得到实际声波叠加点；

5)分别在A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器正前方0.5m处设声波参考点；

6)在实际声波叠加点和声波参考点处设置传声器；

7)采集各实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级建立基础数据库。

步骤3)中，对于A相电抗器通过下式获得理论声波叠加点：

其中，L_ab表示A相电抗器与B相电抗器中点之间的距离，λ表示声波波长，n＝1或2或3或4；

对于C相电抗器通过下式获得理论声波叠加点：

其中，L_bc表示B相电抗器与C相电抗器中点之间的距离，n＝1或2或3或4。

步骤7)中，采用±0.5dB作为实际运行中电抗器实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级之差ΔL_{叠加/参考}的误差可接受范围，即认为ΔL_{叠加/参考}的可接受区间为[ΔL_min,ΔL_max]，其中，ΔL_min＝ΔL_{叠加/参考-基}-0.5dB，ΔL_max＝ΔL_{叠加/参考-基}+0.5dB；对于A相电抗器和C相电抗器，分别有[ΔL_min,A,ΔL_max,A]和[ΔL_min,C,ΔL_max,C]；

采用±0.5dB作为实际运行中各相电抗器声波参考点处100Hz声压级L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C的误差可接受范围；对于A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器，分别有[L_min,A,L_max,A]、[L_min,B,L_max,B]、[L_min,C,L_max,C]。

第二方面，本发明提供的并联电抗器运行状态检测方法，基于上述系统实现，包括以下步骤：

1)在设备运行的情况下，5个传声器同步采集声时域信号；

2)对声时域信号进行FFT分析获取100Hz声压级，并等效计权；

3)基于实时分析得到L_叠加,A、L_叠加,C、L_参考,A、L_参考,C，将ΔL_{叠加/参考,A}和ΔL_{叠加/参考,C}与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，初步判断各相电抗器状态；

4)将L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，进一步判断各相电抗器状态是否异常；

5)将警报信息分别传输至现场显示器和监控中心。

其中，100Hz声压级采用中心频率为100Hz的1/3倍频带声压级替代。

附图说明

图1为本发明背景技术中相邻两相电抗器声波干涉现象的效果示意图；

图2为本发明实施例中并联电抗器运行状态检测系统的构架图；

图3为本发明实施例中传声器安装位置示意图；

图4为本发明实施例中设置传声器和建立基础数据库的流程图；

图5为本发明实施例中A相电抗器和C相电抗器的实测结果图；

图6为本发明实施例中并联电抗器运行状态监测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图2，本实施例的并联电抗器运行状态检测系统包括：A相叠加传声器11、C相叠加传声器12、A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15、信号处理器20、单片机30、现场显示器41、监控中心42。

如图3所示，A相叠加传声器11布设在A相电抗器1正前方相应位置处，C相叠加传声器12布设在C相电抗器3正前方相应位置处，A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15分别布设在A相电抗器1、B相电抗器2、C相电抗器3正前方0.5m处。所述传声器应采用防水式，并经接地线连接至接地极，高度为并联电抗器本体总高的1/2。

A相叠加传声器11、C相叠加传声器12、A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15将信号依次传至信号处理器20、单片机30处理。信号通过电缆传输，并应做好各配件的接地处理。

单片机30与现场显示器41和监控中心42连接，以实现信号传输。可选地，信号可通过电缆、光缆等有线形式传输，也可通过无线形式传输。

系统在并联电抗器正式运行之前，应先对A相叠加传声器11、C相叠加传声器12、A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15进行合理设置，并建立基础数据库。

为了进一步说明设置各传声器和建立基础数据库的要求，如图3和图4所示，具体步骤如下：

步骤S101：针对需要设置并联电抗器运行状态检测系统的工程项目，收集准确的设备尺寸和布置方式相关资料。

步骤S102：根据设备尺寸和布置方式相关资料，在A相电抗器1和C相电抗器3正前方各设置一条虚拟线，方向为平行于防火墙4的方向。

步骤S103：理论计算两条虚拟线上的声波叠加的点位，得到理论声波叠加点。

对于A相电抗器1：由于相邻的A相电抗器1和B相电抗器2可听声声波存在固定的120°相位差，根据声波干涉原理，当符合如下条件时，m点处可产生声波叠加现象。

式中，L表示距离(具体点位见图3)；λ表示声波波长。

同时，a点、b点、m点依据勾股定理还存在如下关系：

对上述两个关系式进行整理，得到如下方程，以此计算得到m点，即A相电抗器1的理论声波叠加点：

同理，对于C相电抗器3：由于相邻的B相电抗器2和C相电抗器3可听声声波存在固定的120°相位差，根据声波干涉原理，当符合如下条件时，n点处可产生声波叠加现象。

同时，b点、c点、n点依据勾股定理还存在如下关系：

对上述两个关系式进行整理，得到如下方程，以此计算得到n点，即C相电抗器3的理论声波叠加点：

在并联电抗器相间距(即L_ab和L_bc)不同的情况下，n的取值可能不同，但一般都在1，2，3，4四个值中取合适的一个。对于A相电抗器1，n值的选取原则为：1)L_am＞1m；2)m点距离A相电抗器1尽量近。对于C相电抗器3，n值的选取原则为：1)L_cn＞1m；2)n点距离C相电抗器3尽量近。

步骤S104：采用声级计实测复核和微调由步骤S103得到的理论声波叠加点，得到实际声波叠加点。

具体的，在设备正常运行的情况下，以并联电抗器本体总高的1/2为测量高度，沿两条虚拟线从近到远测量100Hz声压级。测量距离范围为距并联电抗器1m～10m。在理论声波叠加点±1m范围内测量间隔不大于0.1m，其他位置测量间隔不大于0.5m。根据测量结果，在理论声波叠加点附近内找到100Hz声压级峰值，以此确定为实际声波叠加点。

为了帮助理解，图5给出了本实施例中A相电抗器1和C相电抗器3实测结果。通过前期收资，本实施例中L_ab＝L_bc＝13m，声波波长λ取3.4m

(由声速340m/s，频率100Hz推出)，通过方程计算并按照最终选取原则分析得到，A相电抗器1与其理论声波叠加点的距离为4.8m，C相电抗器3与其理论声波叠加点的距离为1.8m。由图5可看出，A相电抗器1与其实际声波叠加点的距离为4.6m，C相电抗器3与其实际声波叠加点的距离为1.8m。

步骤S105：分别在A相电抗器1、B相电抗器2、C相电抗器3正前方0.5m处(即e点、f点、g点)设声波参考点。

步骤S106：在实际声波叠加点和声波参考点处设置传声器。

具体的，在A相电抗器1的实际声波叠加点处设置A相叠加传声器11(对应L_叠加,A)，在C相电抗器3的实际声波叠加点处设置C相叠加传声器12(对应L_叠加,C)，并在A相电抗器1、B相电抗器2、C相电抗器3的声波参考点处依次设置A相参考传声器13(对应L_参考,A)、B相参考传声器14(对应L_参考,B)、C相参考传声器15(对应L_参考,C)。各传声器高度均取并联电抗器本体总高的1/2。

步骤S107：采集各实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级建立基础数据库。

具体的，基础数据库包括A相电抗器1和C相电抗器3实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级之差的可接受区间，以及A相电抗器1、B相电抗器2、C相电抗器3声波参考点处的100Hz声压级的可接受区间。优选的，建立基础数据库的过程可在工程调试阶段完成。

在设备正常运行的情况下，A相叠加传声器11和C相叠加传声器12采集100Hz声压级作为基础数据L_叠加,A-基和L_叠加,C-基，A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15采集100Hz声压级作为基础数据L_参考,A-基、L_参考,B-基、L_参考,C-基。可选地，100Hz声压级采用中心频率为100Hz的1/3倍频带声压级替代。

根据采集的基础数据，计算A相电抗器1和C相电抗器3实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级之差ΔL_{叠加/参考}，即有ΔL_{叠加/参考,A-基}＝L_叠加,A-基-L_参考,A-基和ΔL_{叠加/参考,C-基}＝L_叠加,C-基-L_参考,C-基。

考虑到实际环境的复杂性，采用±0.5dB作为实际运行中ΔL_{叠加/参考}的误差可接受范围，即认为ΔL_{叠加/参考}的可接受区间为[ΔL_min,ΔL_max]，其中，ΔL_min＝ΔL_{叠加/参考-基}-0.5dB，ΔL_max＝ΔL_{叠加/参考-基}+0.5dB。对于A相电抗器1和C相电抗器3，分别有[ΔL_min,A,ΔL_max,A]和[ΔL_min,C,ΔL_max,C]。

同理，采用±0.5dB作为实际运行中L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C的误差可接受范围。对于A相电抗器1、B相电抗器2、C相电抗器3，分别有[L_min,A,L_max,A]、[L_min,B,L_max,B]、[L_min,C,L_max,C]。

如图6所示，基于声波干涉原理的并联电抗器运行状态检测方法步骤如下：

步骤S201：在设备运行的情况下，A相叠加传声器11、C相叠加传声器12、A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15同步采集声时域信号。优选的，采样频率不低于48kHz。

步骤S202：对声时域信号进行FFT分析，获取100Hz声压级，并将随时间变化的信号进行计权(等效时间为1s)，计算得到5个传声器对应的100Hz声压级(L_叠加,A、L_叠加,C、L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C)。可选地，100Hz声压级采用中心频率为100Hz的1/3倍频带声压级替代。

步骤S203：基于实时分析得到L_叠加,A、L_叠加,C、L_参考,A、L_参考,C，将ΔL_{叠加/参考,A}和ΔL_{叠加/参考,C}与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，初步判断各相电抗器状态。

具体的，判定结果I：当ΔL_{叠加/参考,A}和ΔL_{叠加/参考,C}满足ΔL_{叠加/参考,A}∈[ΔL_min,A,ΔL_max,A]且ΔL_{叠加/参考,C}∈[ΔL_min,C,ΔL_max,C]条件时，判定各相电抗器状态正常。

判定结果II：当ΔL_{叠加/参考,A}和ΔL_{叠加/参考,C}不满足ΔL_{叠加/参考,A}∈[ΔL_min,A,ΔL_max,A]且ΔL_{叠加/参考,C}∈[ΔL_min,C,ΔL_max,C]条件时，则初步判定某相电抗器可能存在异常状态。

需要说明的是，本实施例是实时在线检测方法，在步骤S203进行过程中，步骤S201和步骤S202仍同时进行。如果步骤S203得到判定结果I，则无需进入下一步骤，如果步骤S203得到判定结果II，则进入下一步骤。

步骤S204：根据步骤S203的判定结果，将实时分析得到的L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，进一步判断各相电抗器状态是否异常。

具体的，如果连续5个信号(为排除偶发声的影响)满足L_参考,A

[L_min,A,L_max,A]与ΔL_{叠加/参考,A}

[ΔL_min,A,ΔL_max,A]同步发生的条件，则判定A相电抗器1存在异常状态，并发出警报信息；

如果连续5个信号满足L_参考,C

[L_min,C,L_max,C]与ΔL_{叠加/参考,C}

[ΔL_min,C,ΔL_max,C]同步发生的条件，则判定C相电抗器3存在状态异常，并发出警报信息；

如果连续5个信号满足L_参考,B

[L_min,B,L_max,B]与ΔL_{叠加/参考,A}

[ΔL_min,A,ΔL_max,A]且ΔL_{叠加/参考,C}

[ΔL_min,C,ΔL_max,C]同步发生的条件，则判定B相电抗器2存在状态异常，并发出警报信息。

步骤S205：将警报信息分别传输至现场显示器41和监控中心42，前者的目的是警示现场巡检人员，后者的目的是供管理人员监控和存档。

步骤S201由A相叠加传声器11、C相叠加传声器12、A相参考传声器13、B相参考传声器14、C相参考传声器15完成。步骤S202由信号处理器30完成。步骤S203和步骤S204由单片机40完成。

本实施例的方法可以应用到变电站、开关站等多个具有并联电抗器的场合。

Claims (6)

1.一种并联电抗器运行状态检测系统，其特征在于，包括依次设置在A相电抗器正前方的A相参考传声器和A相叠加传声器，设置在B相电抗器正前方的B相参考传声器，以及依次设置在C相电抗器正前方的C相参考传声器和C相叠加传声器；

各传声器通讯连接至信号处理器和单片机，将信号依次传至所述信号处理器和单片机；所述单片机与现场显示器和监控中心连接，实现信号传输；

并联电抗器运行之前，通过如下步骤设置传声器和建立基础数据库：

1)收集设备尺寸和布置方式相关资料；

2)在A相电抗器和C相电抗器正前方各设置一条虚拟线；

3)计算两条虚拟线上的声波叠加的点位，得到理论声波叠加点；

4)采用声级计实测复核和微调理论声波叠加点，得到实际声波叠加点；

5)分别在A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器正前方0.5m处设声波参考点；

6)在实际声波叠加点和声波参考点处设置传声器；

7)采集各实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级建立基础数据库；

步骤7)中，采用±0.5dB作为实际运行中电抗器实际声波叠加点和声波参考点处的100Hz声压级之差ΔL_{叠加/参考}的误差可接受范围，即认为ΔL_{叠加/参考}的可接受区间为[ΔL_min,ΔL_max]，其中，ΔL_min＝ΔL_{叠加/参考-基}-0.5dB，ΔL_max＝ΔL_{叠加/参考-基}+0.5dB；对于A相电抗器和C相电抗器，分别有[ΔL_min,A,ΔL_max,A]和[ΔL_min,C,ΔL_max,C]；

采用±0.5dB作为实际运行中各相电抗器声波参考点处100Hz声压级L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C的误差可接受范围；对于A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器，分别有[L_min,A,L_max,A]、[L_min,B,L_max,B]、[L_min,C,L_max,C]。

2.根据权利要求1所述的并联电抗器运行状态检测系统，其特征在于，所述的A相参考传声器、B相参考传声器、C相参考传声器分别布设在A相电抗器、B相电抗器、C相电抗器正前方0.5m处。

3.根据权利要求1所述的并联电抗器运行状态检测系统，其特征在于，各传声器应采用防水式，并经接地线连接至接地极，高度为并联电抗器本体总高的1/2。

4.根据权利要求1所述的并联电抗器运行状态检测系统，其特征在于，步骤3)中，对于A相电抗器通过下式获得理论声波叠加点：

其中，L_ab表示A相电抗器与B相电抗器中点之间的距离，λ表示声波波长，n＝1或2或3或4；

对于C相电抗器通过下式获得理论声波叠加点：

其中，L_bc表示B相电抗器与C相电抗器中点之间的距离，n＝1或2或3或4。

5.一种并联电抗器运行状态检测方法，基于权利要求1～4任一权利要求所述的并联电抗器运行状态检测系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

1)在设备运行的情况下，5个传声器同步采集声时域信号；

2)对声时域信号进行FFT分析获取100Hz声压级，并等效计权；

3)基于实时分析得到L_叠加,A、L_叠加,C、L_参考,A、L_参考,C，将ΔL_{叠加/参考,A}和ΔL_{叠加/参考,C}与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，初步判断各相电抗器状态；

4)将L_参考,A、L_参考,B、L_参考,C与基础数据库中所对应的可接受区间进行比较，进一步判断各相电抗器状态是否异常；

5)将警报信息分别传输至现场显示器和监控中心。

6.根据权利要求5所述的并联电抗器运行状态检测方法，其特征在于，100Hz声压级采用中心频率为100Hz的1/3倍频带声压级替代。

Images