CN113945867A - 变压器故障检测装置及变压器系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于变压器检测技术领域，提供了一种变压器故障检测装置及变压器系统，变压器故障检测装置包括数据采集单元、振动信号提取单元、超声信号提取单元和故障分析单元；数据采集单元用于采集目标变压器的振动超声复合信号和电压信号；振动信号提取单元用于从振动超声复合信号中提取振动信号；超声信号提取单元用于从振动超声复合信号中提取超声波信号；故障分析单元用于获取振动信号、超声波信号以及电压信号，并根据振动信号、超声波信号以及电压信号对目标变压器进行故障检测。本发明的变压器故障检测装置具有体积小、成本低、安装简单的优点。

Description

变压器故障检测装置及变压器系统

技术领域

本发明属于变压器检测技术领域，尤其涉及一种变压器故障检测装置及变压器系统。

背景技术

变压器是电网中最核心的装备，其安全运行对于电网稳定性至关重要，因此需要对变压器进行状态检测，以及时发现变压器的故障，进一步停电检修，保障变压器安全稳定运行。现有技术中，对于变压器的故障检测，通常需要设置两套检测设备，一套检测设备通过检测变压器的振动信号判断变压器中铁芯和绕组的健康状态，另外一套设备通过检测变压器超声波信号判断变压器内部是否产生局部放电现象，导致整个变压器故障检测系统体积大、安装复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种变压器故障检测装置及变压器系统，以解决现有技术中的变压器故障检测系统体积大、安装复杂的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种变压器故障检测装置，包括：

数据采集单元、振动信号提取单元、超声信号提取单元和故障分析单元；

数据采集单元用于采集目标变压器的振动超声复合信号以及目标变压器的电压信号；

振动信号提取单元用于从振动超声复合信号中提取振动信号；

超声信号提取单元用于从振动超声复合信号中提取超声波信号；

故障分析单元用于获取振动信号、超声波信号以及电压信号，并根据振动信号、超声波信号以及电压信号对目标变压器进行故障检测。

可选的，在一种可能的实现方式中，数据采集单元包括振动超声复合传感器以及粘贴在振动超声传感器上的金属片；

振动超声复合传感器用于采集目标变压器的振动超声复合信号；

振动超声复合传感器固定于目标变压器的箱壁上，金属片与振动超声复合传感器的金属外壳之间绝缘并构成等效电容，等效电容用于感应目标变压器的电压信号。

可选的，在一种可能的实现方式中，变压器故障检测装置还包括：

包络检波单元；

包络检波单元用于对超声信号提取单元提取到的超声波信号进行包络检波处理，以提取超声波信号的上包络线；

相应的，故障分析单元用于获取振动信号、超声波信号的上包络线以及电压信号，并根据振动信号、超声波信号的上包络线以及电压信号对目标变压器进行故障检测。

可选的，在一种可能的实现方式中，故障分析单元包括：

采集卡、第一故障分析子单元和第二故障子分析单元；

采集卡用于以预设的采样率获取振动信号、超声波信号和电压信号，并将振动信号发送至第一故障分析子单元，以及将超声波信号和电压信号发送至第二故障分析子单元；

第一故障分析子单元用于根据振动信号生成振动频谱，并根据振动频谱检测目标变压器的铁芯和绕组是否故障；

第二故障分析子单元用于根据超声波信号和电压信号生成PRPD图谱，并根据PRPD图谱检测目标变压器是否存在局部放电故障。

可选的，在一种可能的实现方式中，采集卡为无线数据采集卡。

可选的，在一种可能的实现方式中，变压器故障检测装置还包括：

恒流电源；

恒流电源用于为振动超声复合传感器供电。

可选的，在一种可能的实现方式中，振动信号提取单元为低通滤波器。

可选的，在一种可能的实现方式中，超声信号提取单元为带通滤波器。

可选的，在一种可能的实现方式中，变压器故障检测装置还包括：

无线通信单元和多个手持移动终端；

无线通信单元用于将目标变压器的故障检测结果发送至各个手持移动终端；

各个手持移动终端用于接收并显示目标变压器的故障检测结果。

本发明实施例的第二方面提供了一种变压器系统，该系统包括变压器以及如上述的变压器故障检测装置。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明实施例通过一个数据采集单元同时采集目标变压器的振动超声复合信号以及电压信号，通过后续对振动超声复合信号的处理，能够获取目标变压器的振动信号和超声波信号，进而能够根据振动信号、超声波信号以及电压信号对目标变压器进行故障检测。本发明实施例仅用一套设备即可实现振动信号、超声波信号的采集和分析，具有体积小、成本低、安装简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的变压器故障检测装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的变压器故障检测装置的详细结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

电力变压器是电网中最核心的装备，其安全运行对于电网稳定性至关重要，因此需要对变压器进行状态检测，以及时发现变压器的故障，进一步停电检修，保障变压器安全稳定运行。

变压器故障检测通常包括对变压器内部的铁芯和绕组进行故障检测以及对变压器的局部放电现象进行检测。

在正常工作状态下，由于磁致伸缩和电磁力的作用，变压器内部的铁芯和绕组会发生振动，而当铁芯和绕组出现故障时，振动信号的特征会发生明显变化，根据振动信号即可对变压器的健康状态进行诊断。

变压器等电力设备内部发生局部放电时会产生电荷中和的过程，产生较快的电流脉冲，使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨胀，类似于爆炸，放电结束后，原来受热膨胀的区域恢复至原有体积，引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波，从局部放电点以球面波的方式向四周传播。因此可在变压器的箱壁上安装超声传感器，根据超声信号进行局部放电的识别，诊断变压器内部是否存在产生局部放电的绝缘缺陷，避免其发生更严重的绝缘故障。

以上两种方法分别需要多个振动传感器和超声传感器，需要两套监测和诊断系统，体积大、成本高，且安装复杂。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种变压器故障检测装置，该装置包括：

数据采集单元10、振动信号提取单元11、超声信号提取单元12和故障分析单元13。

数据采集单元10用于采集目标变压器的振动超声复合信号以及目标变压器的电压信号。

振动信号提取单元11用于从振动超声复合信号中提取振动信号。

超声信号提取单元12用于从振动超声复合信号中提取超声波信号。

故障分析单元13用于获取振动信号、超声波信号以及电压信号，并根据振动信号、超声波信号以及电压信号对目标变压器进行故障检测。

在本发明实施例中，数据采集单元10可以同时采集到目标变压器的振动超声复合信号和电压信号，相对于现有技术中需要设置振动传感器、超声波传感器、电压采集器等多个采集设备来说，降低了成本且节约了安装空间。

进一步的，振动信号提取单元11能从振动超声复合信号中提取振动信号，超声信号提取单元12能够从振动超声复合信号中提取超声波信号，故障分析单元13通过获取振动信号、超声波信号以及电压信号，根据振动信号能够分析目标变压器内部的铁芯和绕组健康状况，根据超声波信号和电压信号能够分析目标变压器内部是否存在局部放电现象，实现对变压器故障的综合检测。

现有技术中大多使用两套独立的系统来进行故障检测，一套系统检测分析振动特征，另一套系统检测分析超声波特征。本实施例通过一套设备就能够同时检测分析振动特征和超声波特征，体积更小、便于安装。

可见，本发明实施例通过一个数据采集单元同时采集目标变压器的振动超声复合信号以及电压信号，通过后续对振动超声复合信号的处理，能够获取目标变压器的振动信号和超声波信号，进而能够根据振动信号、超声波信号以及电压信号对目标变压器的故障检测。本发明实施例仅用一套设备即可实现振动信号、超声波信号的采集和分析，具有体积小、成本低、安装简单的优点。

可选的，在一种可能的实现方式中，参见图2所示，数据采集单元10包括振动超声复合传感器101以及粘贴在振动超声传感器上的金属片102。

振动超声复合传感器101用于采集目标变压器的振动超声复合信号。

振动超声复合传感器101固定于目标变压器的箱壁上，金属片与振动超声复合传感器101的金属外壳之间绝缘并构成等效电容，等效电容用于感应目标变压器的电压信号。

在本发明实施例中，数据采集单元10的主体为超声复合传感器101，超声复合传感器101可以固定于变压器的箱壁(油箱表面)上，测量传递至变压器箱壁的振动超声复合信号。对于超声复合传感器101，其振动信号的测量需要至少包括10-1000Hz的频率范围，灵敏度尽可能大于50mV/g；超声波信号的测量需要至少包括100k-200kHz的频率范围(油中局部放电所产生的超声波信号的主要频带)，灵敏度尽可能大于80dB。通过使用振动超声复合传感器101，大大减少了采集设备的体积和安装复杂度。

在对变压器进行局部放电分析时，还需要采集变压器的电压。为了进一步降低采集设备的体积和安装复杂度，本实施例在超声复合传感器101的金属外壳上粘贴一金属片102，金属片102与超声复合传感器101的金属外壳、变压器的箱壁之间均绝缘隔开。当超声复合传感器101固定于变压器箱壁时，金属片102和超声复合传感器101的金属外壳之间构成电容，在变压器高压端的影响下，根据分压器原理，金属片102和传感器外壳之间会感应一定的电压，该电压与变压器实际电压的相位同步，由于局部放电分析只需要知道变压器的电压相位信息，因此该电压可直接用于进行变压器的故障分析。

在本发明实施例中，仅使用一个传感器，就实现了振动信号、超声波信号、电压相位信息的采集，减少了采集设备的体积、成本和安装复杂度。

可选的，在一种可能的实现方式中，参见图2所示，变压器故障检测装置还包括：

包络检波单元14。

包络检波单元14用于对超声信号提取单元提取到的超声波信号进行包络检波处理，以提取超声波信号的上包络线。

相应的，故障分析单元13用于获取振动信号、超声波信号的上包络线以及电压信号，并根据振动信号、超声波信号的上包络线以及电压信号对目标变压器进行故障检测。

超声信号提取单元12提取到的超声波信号虽然包含的信息较多，但后续的局部放电分析中只需得到该局部放电产生的超声波信号的幅值和时刻。因此，故障分析单元13不需要获取完整的超声波信号，只需要获取超声波信号的幅值和时刻就可以实现局部放电分析。

有基于此，在本发明实施例中，可以在超声信号提取单元12后面添加一包络检波单元14，以对超声波信号进行简化，提取超声波信号的上包络线，上包络线中包含了超声波信号的幅值和时刻信息，再结合电压相位信息，即可绘制PRPD图谱，实现局部放电的诊断。包络检波电路的使用可以大大降低变压器故障检测装置中采集卡对于采样率的要求，只需达到10kHz左右即可，从而降低整个检测装置的功耗和内存需求。

具体的，包络检波单元14为包络检波电路。将一段时间长度的高频信号的峰值点连线，就可以得到上包络线和下包络线。包络线就是反映高频信号幅度变化的曲线。对于等幅高频信号，这两条包络线就是平行线。从调幅信号中将低频信号解调出来的过程，就叫做包络检波，通过对超声波信号进行包络检波，提取超声波信号的上包络线，能够简化超声波信号。

可选的，在一种可能的实现方式中，参见图2所示，故障分析单元13包括：

采集卡131、第一故障分析子单元132和第二故障子分析单元133。

采集卡131用于以预设的采样率获取振动信号、超声波信号和电压信号，并将振动信号发送至第一故障分析子单元132，以及将超声波信号和电压信号发送至第二故障分析子单元133。

第一故障分析子单元132用于根据振动信号生成振动频谱，并根据振动频谱检测目标变压器的铁芯和绕组是否故障。

第二故障分析子单元133用于根据超声波信号和电压信号生成PRPD图谱，并根据PRPD图谱检测目标变压器是否存在局部放电故障。

在本发明实施例中，第一故障分析子单元132能够对振动信号进行频谱分析，生成振动频谱。变压器正常振动通常为50Hz和100Hz的倍频和分频，当某一分量的变化较大时，通常说明变压器铁芯和绕组发生了故障，第一故障分析子单元132即可检测到该故障信息。

第二故障分析子单元133能够根据超声波信号和电压信号生成局部放电PRPD(PhaseResolvedPartial Discharge，相位分辩的局部放电)图谱，根据PRPD图谱特征即可判断变压器内部是否存在局部放电，以及分析得到变压器局部放电的类型，如：悬浮电位放电、针板放电、沿面放电等。在一种可能的实现方式中，第二故障分析子单元133只需获取超声波信号的上包络线，根据上包络线得到超声波信号的幅值和时刻信息，再结合电压的相位信息，即可绘制PRPD图谱，实现局部放电故障的检测和分析。

可选的，在一种可能的实现方式中，采集卡131为无线数据采集卡。

采集卡分为有线数据采集卡和无线数据采集卡。对于超声波信息的采集，通常对采样率有着较高的要求，由于无线数据采集卡采样率低，不满足采样率要求，因此一般使用有线数据采集卡。而在本发明实施例中，由于包络检波单元14的引入，降低了采集卡131对于采样率的要求，只需达到10kHz左右即可，在特殊情况下，例如需要远程无线采集时，可以使用无线数据采集卡。

可选的，在一种可能的实现方式中，变压器故障检测装置还包括：

恒流电源。

恒流电源用于为振动超声复合传感器供电。

在本发明实施例中，若其使用IEPE式的振动传感器，则还需接入恒流电源为其供电。

可选的，在一种可能的实现方式中，振动信号提取单元12为低通滤波器。

在本发明实施例中，考虑到振动信号主要分布在低频段，因此通过低通滤波器来提取振动信号。低通滤波器的截止频率应为5kHz左右，包括了变压器振动信号的主要频段。

可选的，在一种可能的实现方式中，超声信号提取单元为带通滤波器。

在本发明实施例中，通过低通滤波器来提取超声波信号，带通滤波器的截止频率应为20k-200kHz，包括了油中局部放电所产生超声波信号的主要频段。

可选的，在一种可能的实现方式中，变压器故障检测装置还包括：

无线通信单元和多个手持移动终端。

无线通信单元用于将目标变压器的故障检测结果发送至各个手持移动终端。

各个手持移动终端用于接收并显示目标变压器的故障检测结果。

在本发明实施例中，为了工作人员及时发现故障情况进行抢修，保障变压器稳定运行，可以在变压器故障检测装置中设置无线通信单元以及为每个工作人员配备一个手持移动终端，无线通信单元可以将目标变压器的故障检测结果发送至各个手持移动终端，工作人员通过手持移动终端及时查看故障信息。手持移动终端可以为手机、pad等具有显示功能的移动终端，本发明实施例对此不进行限定。

本发明实施例还提供了一种变压器系统，该系统包括变压器以及如上述的变压器故障检测装置。

本发明实施例使用振动超声传感器，用一个传感器同时测量振动和超声波信号，经过后续电路的处理，分别获得变压器振动频谱和局部放电的PRPD图谱进行后续的故障分析，具有结体积小、安装简单、可实现无线功能的特点。

本发明实施例具有以下优点：

1.使用振动超声复合传感器，并在传感器上安装一金属片，可根据电容分压器原理采集得到变压器电压相位信息。结构紧凑，可使用一个传感器同时得到振动信号、超声波信号和电压信号；

2.使用一套设备即可完成振动信号和超声波信号的采集和诊断，降低了成本，节约了安装空间；

3.使用低通滤波器和带通滤波器将振动超声复合信号分离开来，得到振动信号和超声波信号，并使用包络检波电路将超声波信号的上包络线取出，结合电压相位信息即可绘制PRPD图谱，实现局部放电的诊断，包络检波电路的使用可以大大降低对于采样率的需求，减小了整个检测装置的功耗，检测装置的采集卡甚至可以使用无线采集卡。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器故障检测装置，其特征在于，包括：

数据采集单元、振动信号提取单元、超声信号提取单元和故障分析单元；

所述数据采集单元用于采集目标变压器的振动超声复合信号以及目标变压器的电压信号；

所述振动信号提取单元用于从所述振动超声复合信号中提取振动信号；

所述超声信号提取单元用于从所述振动超声复合信号中提取超声波信号；

所述故障分析单元用于获取所述振动信号、所述超声波信号以及所述电压信号，并根据所述振动信号、所述超声波信号以及所述电压信号对所述目标变压器进行故障检测。

2.如权利要求1所述的变压器故障检测装置，其特征在于，所述数据采集单元包括振动超声复合传感器以及粘贴在所述振动超声传感器上的金属片；

所述振动超声复合传感器用于采集目标变压器的振动超声复合信号；

所述振动超声复合传感器固定于目标变压器的箱壁上，所述金属片与所述振动超声复合传感器的金属外壳之间绝缘并构成等效电容，所述等效电容用于感应目标变压器的电压信号。

3.如权利要求1所述的变压器故障检测装置，其特征在于，还包括：

包络检波单元；

所述包络检波单元用于对所述超声信号提取单元提取到的超声波信号进行包络检波处理，以提取所述超声波信号的上包络线；

相应的，所述故障分析单元用于获取所述振动信号、所述超声波信号的上包络线以及所述电压信号，并根据所述振动信号、所述超声波信号的上包络线以及所述电压信号对目标变压器进行故障检测。

4.如权利要求1所述的变压器故障检测装置，其特征在于，所述故障分析单元包括：

采集卡、第一故障分析子单元和第二故障子分析单元；

所述采集卡用于以预设的采样率获取所述振动信号、所述超声波信号和所述电压信号，并将所述振动信号发送至所述第一故障分析子单元，以及将所述超声波信号和所述电压信号发送至所述第二故障分析子单元；

所述第一故障分析子单元用于根据所述振动信号生成振动频谱，并根据所述振动频谱检测目标变压器的铁芯和绕组是否故障；

所述第二故障分析子单元用于根据所述超声波信号和所述电压信号生成PRPD图谱，并根据PRPD图谱检测目标变压器是否存在局部放电故障。

5.如权利要求4所述的变压器故障检测装置，其特征在于，所述采集卡为无线数据采集卡。

6.如权利要求2所述的变压器故障检测装置，其特征在于，还包括：

恒流电源；

所述恒流电源用于为所述振动超声复合传感器供电。

7.如权利要求1-6任一项所述的变压器故障检测装置，其特征在于，所述振动信号提取单元为低通滤波器。

8.如权利要求1-6任一项所述的变压器故障检测装置，其特征在于，所述超声信号提取单元为带通滤波器。

9.如权利要求1-6任一项所述的变压器故障检测装置，其特征在于，还包括：

无线通信单元和多个手持移动终端；

所述无线通信单元用于将目标变压器的故障检测结果发送至各个手持移动终端；

各个手持移动终端用于接收并显示目标变压器的故障检测结果。

10.一种变压器系统，其特征在于，包括变压器以及如权利要求1-9任一项所述的变压器故障检测装置。

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