CN114384272B - 一种变压器油流测速方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种变压器油流测速方法与装置，所述方法包括步骤1：根据多普勒效应，超声波测速模块对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测；步骤2：对超声波在绝缘油中顺流和逆流传播时，传播路径与水平面夹角均不等于超声波的发射角所产生的误差进行校正，得到误差校正后的油流速；步骤3：基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警。本发明可减少检测误差，提高对油流速检测的精确度，实现对连接管内油流速的在线监测及变压器故障预警。
Description
技术领域
本发明属于变压器检测技术领域，涉及一种变压器油流测速方法与装置。
背景技术
变压器是电力系统中至关重要的电气设备，一旦发生故障，将会造成巨大损失。变压器的安全稳定运行对于电力系统的输配电、可靠运行起到了关键的作用。当变压器发生内部故障时，变压器内的绝缘油被分解成气体，体积增大。气体上涌后，会造成油枕和变压器之间连接管内的绝缘油快速流动，因此，监测连接管内的油流速大小，有利于及时发现变压器的内部故障，做到提前预警，避免对变压器造成进一步的损坏。
对于变压器和油枕之间连接管内油流速的监测，目前有时差法、多普勒法等。
利用时差法测速的装置，在实际中由于绝缘油流动，超声波在管道内传播的过程中会改变折射角大小，导致超声波传播轨迹发生偏移。当管道内绝缘油流速超过某个阈值时，时差法测速装置甚至会接收不到回波信号。
利用多普勒法测速的装置，存在同样的问题，超声波在管道内传播的过程中，由于受到绝缘油顺流或逆流的影响，超声波在绝缘油中实际传播的路径与水平面的夹角不等于超声波的发射角，如果仍然按照发射角进行计算，则会造成误差。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种变压器油流测速方法与装置，根据多普勒效应，利用超声波对变压器和油枕之间的连接管内油流速进行检测，考虑到了超声波在绝缘油中顺流和逆流传播时，传播路径与水平面夹角均不等于超声波的发射角，并对由此产生的误差进行了校正。可减少误差，提高对油流速检测的精确度，实现对连接管内油流速的在线监测及变压器故障预警。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种变压器油流测速方法，包括以下步骤：
步骤1：根据多普勒效应，超声波测速模块对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测；
步骤2：对超声波在绝缘油中顺流和逆流传播时，传播路径与水平面夹角均不等于超声波的发射角所产生的误差进行校正，得到误差校正后的油流速；
步骤3：基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述超声波测速模块包括发射器和接受器；
所述超声波测速模块竖向安装在油枕和变压器之间的连接管外。
优选地，发射器发射的超声波与水平面夹角，即发射角为θ，θ的范围在30°到60°之间。
优选地，步骤2中，校正方法为：
将实际传播路径与水平面夹角替换原来的发射角，并重新整理油流速的表达式，再结合递推最小二乘法确定对应的系数大小，最后得到校正后的油流速计算式。
优选地，步骤2中，校正后的油流速计算式为：
其中，v为绝缘油水平方向的流速；
c为超声波在绝缘油中的传播速度；
f0为发射器发出超声波的频率；
f2接收器接受到的频率，即回波信号频率；
k1为cosθ与cosθ1的比例系数；
k2为cosθ与cosθ2的比例系数；
θ1为超声波顺流传播时与水平面夹角；
θ2为逆流传播时与水平面夹角。
优选地，所述k1和k2的数值求取方法如下：
根据式(6)并测定不同流速下的f0k1+f2k2大小，结合递推最小二乘法，求出k1和k2的数值。
优选地，步骤3中，将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当满足voil-vset≥0时，判定变压器发生内部故障，发出报警信号；
其中，voil是连接管内误差校正后的油流速，vset是设定的流速阈值。
本发明还提供一种变压器油流测速装置，包括超声波测速模块、滤波模块、A/D转换模块、微处理器、显示模块和报警模块；
所述超声波测速模块，用于对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测，输出回波信号频率；
所述滤波模块和A/D转换模块，分别用于对超声波测速模块输出的回波信号频率进行滤波和模数转换；
所述微处理器，用于根据接收到的回波信号频率计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，并基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警；
所述报警模块，用于故障报警，提醒工作人员及时排查变压器；
所述显示模块，用于显示微处理器计算得到的连接管内油流速。
优选地，所述超声波测速模块的测速范围是-10m/s～10m/s，误差为0.1m/s，工作温度范围为-40℃～90℃，测量口径范围是DN30mm～DN500mm。
优选地，所述滤波模块采用巴特沃斯带通滤波器，超声波信号中心频率为200kHz，设置通带上下限截止频率分别为170kHz和230kHz,阻带上下限截止频率为150kHz和250kHz，最大通带衰减为1dB，最小阻带衰减为40dB，回波信号采样频率为3MHz；滤波器阶数为4，对应的离散传递函数为：
优选地，所述A/D转换模块芯片使用3PA9280，AD最大转换速率为32MSPS，数据位宽为1路8bit，模块供电电压为+2.7V～+5.5V，模拟电压输入范围为-5V～+5V。
优选地，所述微处理器采用STM32F407芯片，微处理器直接和显示模块、报警模块、A/D转换模块、滤波模块、超声波测速模块相连接；
系统上电后，微处理器对各个模块进行初始化；
超声波测速模块在初始化后对连接管内的油流速进行检测，并输出接收到的回波信号频率，滤波模块通过巴特沃斯带通滤波器对环境中的高频和低频干扰进行滤波，A/D转换模块将经过滤波模块后的回波信号频率模数转换成微处理器可以识别的数字信号，微处理器根据接收到的回波信号频率计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，显示模块使用OLED屏幕，实时显示微处理器计算得到的连接管内油流速；
微处理器将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当油流速超过设定的流速阈值时，判定变压器发生内部故障，发送指令控制报警模块进行预警，提醒工作人员及时排查变压器；所述报警模块为声光报警模块。
本申请所达到的有益效果：
本发明的超声波测速模块竖向安装在油枕和变压器之间的连接管外，安装、拆卸方便，便于维护；
本发明通过多普勒法并考虑到传播路径上角度的变化，修正了误差，可以对连接管内油流进行精确测速，误差小，精度高，测速快，有利于监测变压器的运行状态。
本发明测速装置能满足实际变压器的环境要求，可以对变压器和油枕之间连接管内的油流速进行实时在线监测和预警，为变压器的安全稳定运行提供保障。
附图说明
图1是本变压器油流测速方法流程图；
图2是油流速和超声波矢量图；
图3是变压器油流测速装置结构示意图；
图4是变压器油流测速装置运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种变压器油流测速方法，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据多普勒效应，超声波测速模块对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测；
图2为油流速和超声波矢量图，油流水平传播，速度为v。
当超声波顺流传播时，超声波和油流矢量和为v1，实际传播路径夹角为θ1,逆流传播时，超声波和油流矢量和为v2，实际传播路径夹角为θ2，由此可以看出，若不考虑θ1和θ2的影响，仍安照θ和式(3)进行计算，最后计算得到的油流速会产生误差。
所述超声波测速模块包括发射器和接受器；
所述超声波测速模块竖向安装在油枕和变压器之间的连接管外。
发射器发射的超声波与水平面夹角，即发射角为θ，θ是一个安装时确定的值，范围在30°到60°之间。
步骤2：对超声波在绝缘油中顺流和逆流传播时，传播路径与水平面夹角均不等于超声波的发射角所产生的误差进行校正，得到误差校正后的油流速；
具体实施时，超声波测速模块利用多普勒效应测速的原理和误差校正的方法如下：
发射器发出频率为f0的超声波，流体反射处的频率为
式中c为超声波在绝缘油中的传播速度，v为绝缘油水平方向的流速；
接收器接受到的频率为：
由式(1)和(2)得到连接管内的油流速为：
以上为理论分析的结果，但是在实际中，由于绝缘油流速影响，超声波实际传播时与水平面的夹角θ1不等于发射角θ；超声波顺流传播时与水平面夹角为θ1，逆流传播时与水平面夹角为θ2，则有以下关系：
θ1≤θ≤θ2 (4)
重新考虑θ1和θ2影响后，式(2)中的θ要替换为θ1，式(3)中的θ要替换为θ2，重新整理后得到油流速v为
分别用k1cosθ和k2cosθ替代式(6)中的cosθ1和cosθ2,其中k1和k2为对应的比例系数，则可以得到校正后的油流速计算式为：
其中k1和k2的数值求取方法如下：
根据上式并利用测速装置测定不同流速下的f0k1+f2k2大小，再结合递推最小二乘法，可以求出k1和k2的数值。
步骤3：基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警，具体的：
将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当满足voil-vset≥0时，判定变压器发生内部故障，发出报警信号；
其中，voil是连接管内误差校正后的油流速，vset是设定的流速阈值。
进一步优选地，vset的取值范围为0.8m/s～1m/s。
如图3所示，本发明还提供一种变压器油流测速装置，包括超声波测速模块、滤波模块、A/D转换模块、微处理器、显示模块和报警模块；
所述超声波测速模块，用于对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测，输出回波信号频率；
进一步优选地，所述超声波测速模块的测速范围是-10m/s～10m/s，误差为0.1m/s，工作温度范围为-40℃～90℃，测量口径范围是DN30mm～DN500mm。
所述滤波模块和A/D转换模块，分别用于对超声波测速模块输出的回波信号频率进行滤波和模数转换；
所述滤波模块采用巴特沃斯带通滤波器，超声波信号中心频率为200kHz，设置通带上下限截止频率分别为170kHz和230kHz,阻带上下限截止频率为150kHz和250kHz，最大通带衰减为1dB，最小阻带衰减为40dB，回波信号采样频率为3MHz；滤波器阶数为4，对应的离散传递函数为：
所述A/D转换模块芯片使用3PA9280，AD最大转换速率为32MSPS，数据位宽为1路8bit，模块供电电压为+2.7V～+5.5V，模拟电压输入范围为-5V～+5V。
所述微处理器，用于根据接收到的回波信号频率计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，并基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警；
所述微处理器采用STM32F407芯片，微处理器直接和显示模块、报警模块、A/D转换模块、滤波模块、超声波测速模块相连接。
所述报警模块，用于故障报警，提醒工作人员及时排查变压器；
所述显示模块，用于显示微处理器计算得到的连接管内油流速。
本发明变压器油流测速装置的运行流程如图4所示，系统上电后，微处理器对各个模块进行初始化；
超声波测速模块在初始化后对连接管内的油流速进行检测，并输出接收到的回波信号频率；
滤波模块通过巴特沃斯带通滤波器对环境中的高频和低频干扰进行滤波，A/D转换模块将经过滤波模块后的回波信号频率模数转换成微处理器可以识别的数字信号；
结合式(6)，微处理器根据接收到的回波信号频率f2计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，显示模块使用OLED屏幕，实时显示微处理器计算得到的连接管内油流速；
微处理器将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当油流速超过设定的流速阈值时，判定变压器发生内部故障，发送指令控制报警模块进行预警，提醒工作人员及时排查变压器；所述报警模块为声光报警模块。
本发明的超声波测速模块竖向安装在油枕和变压器之间的连接管外，安装、拆卸方便，便于维护；
本发明通过多普勒法并考虑到传播路径上角度的变化，修正了误差，可以对连接管内油流进行精确测速，误差小，精度高，测速快，有利于监测变压器的运行状态。
本发明测速装置能满足实际变压器的环境要求，可以对变压器和油枕之间连接管内的油流速进行实时在线监测和预警，为变压器的安全稳定运行提供保障。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变压器油流测速方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据多普勒效应，超声波测速模块对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测；
所述超声波测速模块包括发射器和接受器；
发射器发射的超声波与水平面夹角，即发射角为
；
步骤2：对超声波在绝缘油中顺流和逆流传播时，传播路径与水平面夹角均不等于超声波的发射角所产生的误差进行校正，得到误差校正后的油流速；
校正方法为：
将实际传播路径与水平面夹角替换原来的发射角，并重新整理油流速的表达式，再结合递推最小二乘法确定对应的系数大小，最后得到校正后的油流速计算式；
校正后的油流速计算式为：
其中，v为绝缘油水平方向的流速；
c为超声波在绝缘油中的传播速度；
f 0为发射器发出超声波的频率；
f 2 接收器接受到的频率，即回波信号频率；
k1为cos
与cos/>
的比例系数；
k2为cos
与cos/>
的比例系数；
步骤3：基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警。
2.根据权利要求1所述的一种变压器油流测速方法，其特征在于：
所述超声波测速模块竖向安装在油枕和变压器之间的连接管外。
3.根据权利要求2所述的一种变压器油流测速方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种变压器油流测速方法，其特征在于：
所述k1和k2的数值求取方法如下：
根据式（6）并测定不同流速下的
大小，结合递推最小二乘法，求出k1和k2的数值。
5.根据权利要求1所述的一种变压器油流测速方法，其特征在于：
步骤3中，将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当满足
时，判定变压器发生内部故障，发出报警信号；
其中，
是连接管内误差校正后的油流速，/>
是设定的流速阈值。/>
6.一种实现权利要求1-5任意一项所述的变压器油流测速方法的变压器油流测速装置，包括超声波测速模块、滤波模块、A/D转换模块、微处理器、显示模块和报警模块，其特征在于：
所述超声波测速模块，用于对变压器和油枕之间的连接管内的油流速进行检测，输出回波信号频率；
所述滤波模块和A/D转换模块，分别用于对超声波测速模块输出的回波信号频率进行滤波和模数转换；
所述微处理器，用于根据接收到的回波信号频率计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，并基于误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行变压器故障判别与预警；
所述报警模块，用于故障报警，提醒工作人员及时排查变压器；
所述显示模块，用于显示微处理器计算得到的连接管内油流速。
7.根据权利要求6所述的一种变压器油流测速装置，其特征在于：
所述超声波测速模块的测速范围是-10m/s~10m/s，误差为0.1 m/s，工作温度范围为-40℃~90℃，测量口径范围是DN30mm ~DN500mm。
8.根据权利要求6所述的一种变压器油流测速装置，其特征在于：
所述滤波模块采用巴特沃斯带通滤波器，超声波信号中心频率为200kHz，设置通带上下限截止频率分别为170kHz和230kHz,阻带上下限截止频率为150 kHz和250 kHz，最大通带衰减为1dB，最小阻带衰减为40dB，回波信号采样频率为3MHz；滤波器阶数为4，对应的离散传递函数为：
9.根据权利要求6所述的一种变压器油流测速装置，其特征在于：
所述A/D转换模块芯片使用3PA9280，AD最大转换速率为32MSPS，数据位宽为1路8bit，模块供电电压为+2.7V~+5.5V，模拟电压输入范围为-5V~+5V。
10.根据权利要求6所述的一种变压器油流测速装置，其特征在于：
所述微处理器采用STM32F407芯片，微处理器直接和显示模块、报警模块、A/D转换模块、滤波模块、超声波测速模块相连接；
系统上电后，微处理器对各个模块进行初始化；
超声波测速模块在初始化后对连接管内的油流速进行检测，并输出接收到的回波信号频率，滤波模块通过巴特沃斯带通滤波器对环境中的高频和低频干扰进行滤波，A/D转换模块将经过滤波模块后的回波信号频率模数转换成微处理器可以识别的数字信号，微处理器根据接收到的回波信号频率计算误差校正后变压器和油枕之间连接管内的油流速，显示模块使用OLED 屏幕，实时显示微处理器计算得到的连接管内油流速；
微处理器将误差校正后的油流速和设定的流速阈值进行比较，当油流速超过设定的流速阈值时，判定变压器发生内部故障，发送指令控制报警模块进行预警，提醒工作人员及时排查变压器；所述报警模块为声光报警模块。
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