CN114814474A - 一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明变压器局部放电超声波定位领域，具体说是一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法。包括以下步骤：1)建立变压器的三维坐标系，在变压器上布设多个超声波传感器；2)在变压器上任意位置布设HFCT传感器，通过超声波传感器获取数据，选取超声波传感器中最先接收到超声波信号的超声波传感器的传感器数据作为解算数据；3)根据FHCT传感器测得的时间基准，对解算数据进行解算，获得局部放电点的位置。本发明提高超声波传感器在变压器内定位局部放电点位置的定位精度，进一步分析超声波信号在变压器中的传播特性，精确建立数学模型，提高定位精度。

Description

一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法

技术领域

本发明变压器局部放电超声波定位检测领域，具体说是一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法。

背景技术

变压器是国家能源传输系统中最重要的设备之一，变压器的稳定运行影响了整个电网的安全运行，也关系到国家能源战略的安全。任何变压器微小的故障，由于变压器本身的高电压运行环境，如果没有得到及时解决，很容易酿成重大事故。事实上，多年以来由于变压器故障未能及时排除而造成电网停电，人员伤亡等严重后果，从而带来重大经济损失的事故层出不穷。其中，变压器阀侧出线装置局部放电故障就是变压器运行过程中一种比较常见而且危害较大的故障类型。局部放电是指变压器绝缘在内部强电场作用下局部范围内发生了放电，但是仅造成导体间的绝缘局部短路或桥接而没有完全被击穿。局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的重要原因之一，也是绝缘劣化的重要特征。

传统的局部放电位置的定位方法，通过声测法对变压器油箱的放电检测,将声测探头通过信号转换通道板连接于中央控制器等部件，选用以第一个声信号到达时一路声信号触发其余声信号，测量系统开始采样工作,通过测量后序到达的局放声信号不同的传播时间和传感器的几何位置，求得放电源的位置；然而，传统的定位变压器局部放电位置的方法，忽略了超声波在变压器不同介质中传播速度的差异，精度难以达到较高程度，且局部放电点位置在超声波传感器的测量范围外，准确率大大降低；因此，提供一种实现高精度定位方法以及对传感器的部署方式的方法显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，对现有电声定位解算方法进行改进，提高了变压器局部放电定位的准确性，并且根据通常工况计算，准确率可以达到93.2％。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，包括以下步骤：

1)建立变压器的三维坐标系，在变压器上布设多个超声波传感器；

2)在变压器上任意位置布设HFCT传感器，通过超声波传感器获取数据，选取超声波传感器中最先接收到超声波信号的超声波传感器的传感器数据作为解算数据；

3)根据FHCT传感器测得的时间基准，对解算数据进行解算，获得局部放电点的位置。

所述步骤1)，包括以下步骤：

(1)将变压器等效为长方体，获取变压器的长方形截面ABCD，设定截面ABCD内任意一点为局部放电点E，根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器外壁上的投影点F；

(2)根据局部放电点E及投影点F，得到局部放电点到超声波传感器的传播时间最短的传播路径ES，根据传播路径ES获取超声波传感器的布设位置S；

(3)根据布设位置S，基于长方形截面ABCD的中心点，在AB和CD边上上对称布设4个超声波传感器，完成该截面超声波传感器在变压器上的布设。

步骤(1)中所述根据局部放电点E得到部放电点E在变压器外壁上的投影点F，具体为：

根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器侧壁的投影，即局部放电点E在截面ABCD的AB边或CD边的投影F。

所述步骤2)，包括以下步骤：

步骤1：设定变压器侧壁上点S为超声波传感器应布设位置，与投影点F和局部放电点E，得到直角三角形EFS；

步骤2：设定变压器侧壁上线段FS上任一点G为超声波传感器可能布设的位置，得到超声波传感器声波的路径FG距离x；

步骤3：直角三角形EFG的三边长度分别为a，b，c，根据a，b，c与超声波传感器声波的路径FG距离x，并放电声波最小传播时间t，得到并确定超声波传感器应布设位置点S的位置，即超声波传感器的布设位置。

所述步骤3，具体为：

所述局部放电点E的放电声波最小传播时间t：

其中，v_油为声波在油中的传播速度，v_铁＝k·v_油，k＝4，t为传播时间，x为FG的距离；

可知f'(x)＝0时，得到t的最小值；

则

传播时间t为最小值；

当x＝a时，G点与S点重合，则表示超声波完全在油中传播即按照沿路径AB传播时间最短，则有：

布设超声波传感器位置满足

所述步骤1)，具体为：

根据长方体的一角点为原点，以原点所在的三条边依次为x轴，y轴，z轴对长方体建立三维坐标系；xy平面，xz平面及yz平面中每个平面作为超声波传感器在截面ABCD，分别布设4个超声波传感器。

所述步骤3)，包括以下步骤：

A.在x-z平面，y-z平面，x-y平面中，对于每个平面，获取最先接收到超声波信号的超声波传感器作为基准传感器，其收到局部放电点的超声波信号的时间，与变压器上HFCT传感器测得的时间基准比较，得到时间差t’；

B.局部放电位置距离该超声波传感器的距离m，即：

m＝t'·v_油

C.分别选取x-z平面，y-z平面，x-y平面中每个平面时间差最小的超声波传感器作为有效测量值；

对于每个平面，基准传感器所在位置就是局部放电位置在该平面的测量基准点，则局部放电点的位置就在该基准点为球心，m为半径的球面上；

D.确定局部放电位置为距离三个平面上的基准传感器球心，距离为半径的球面上；则三个球面交点即为局部放电所在位置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提高超声波传感器在变压器上定位局部放电点位置的定位精度。

2.本发明进一步分析传感器误差等性能，对传感器部署位置进行优化。

3.本发明进一步分析超声波信号在变压器中的传播特性，精确建立数学模型，提高定位精度。

4.本发明的传感器布设方法以及布设位置经验证局部放电位置的准确率约93.2％，且对变压器内任意位置的局部放电点定位的准确度大大提高。

附图说明

图1为本发明超声波传感器部署位置示意图；

图2为局部放电超声波在变压器内部的传播路线原理图；

图3为本发明的变压器坐标轴建立示意图；

图4为本发明人孔盖板安装示意图

图5为本发明的高压套管升高座手孔盖板安装示意图；

图6为本发明的智能盖板系统结构图；

图7为本发明的解算三维坐标系。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，本发明可以通过对超声波传感器的灵活部署，提高采用传统电声定位方法的精度，布置超声波接收传感器。

采用数学滤波方法，对接收到的超声波信号进行滤波。由于已知局部放电产生的超声波中心频率在70kHz-120kHz，可以采用常用的带通滤波器、小波变换等方法。本文论述的变压器阀侧出线装置局部放电监测定位装置采用带通滤波器对超声波信号进行滤波。带通滤波器可以实现特定频段的信号通过，同时屏蔽其他频段信号，由于由局部放电产生的超声波中心频率已知(70kHz-120kHz)，可以简单地通过设定带通滤波器的上下截止频率，可以实现局部放电超声波信号的频段滤波。但是在通过频段内，仍然存在部分干扰信号，此时需要选取一个阈值，当信号强度没有超过这个阈值时，可以认为是噪声干扰。这个阈值可以根据不同变压器在不同工况下运行时，经过多次试验测量得到。

一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，具体包括以下3步：

1)建立变压器的三维坐标系，在变压器上布设多个超声波传感器；

2)在变压器上任意位置布设HFCT传感器，通过超声波传感器获取数据，选取超声波传感器中最先接收到超声波信号的超声波传感器的传感器数据作为解算数据；

3)根据FHCT传感器测得的时间基准，对解算数据进行解算，获得局部放电点的位置。

变压器发生局部放电，往往还会伴随着电荷迁移、电磁辐射、光辐射、超声波、绝缘介质反应2等物理现象。据研究局部放电过程中产生的超声波频率一般在40kHz-300kHz之间3,通常选择在变压器壁上安装超声波传感器进行监测接收。声音在油(25℃)中传播速度为1324m/s，在铁中约为5200m/s。现有局部放电定位方法忽略了超声波在铁和油中传播速度的差异，对局部放电定位产生巨大误差。

如图2所示，为本发明部署传感器的方法示意图，包括以下步骤：

(1)将变压器等效为长方体，获取变压器的长方形截面ABCD，设定截面ABCD内任意一点为局部放电点E，根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器外壁上的投影点F；根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器侧壁的投影，即局部放电点E在截面ABCD的AB边或CD边的投影F。

根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器侧壁的投影，即局部放电点E在截面ABCD的AB边或CD边的投影F。

(2)根据局部放电点E及投影点F，得到局部放电点到超声波传感器的传播时间最短的传播路径ES，根据传播路径ES获取超声波传感器的布设位置S；

步骤21：设定变压器侧壁上点S为超声波传感器应布设位置，与投影点F和局部放电点E，得到直角三角形EFS；

步骤22：设定变压器侧壁上线段FS上任一点G为超声波传感器可能布设的位置，得到超声波传感器声波的路径FG距离x；

步骤23：直角三角形EFG的三边长度分别为a，b，c，根据a，b，c与超声波传感器声波的路径FG距离x，并放电声波最小传播时间t，得到并确定超声波传感器应布设位置点S的位置，即超声波传感器的布设位置。

(3)根据布设位置S，基于长方形截面ABCD的中心点，在AB和CD边上上对称布设4个超声波传感器，完成该截面超声波传感器在变压器上的布设。

局部放电位置点E，其在变压器壁上的投影点F与传感器位置S构成的直角三角形三边长为a、b、c；路径FS长度为x；v_铁＝k·v_油，根据k取4。

可知f'(x)＝0时，可求得t的最小值，此时

传播时间t为最小值。

当x＝a时，则在图2中G点与S点重合，则表示超声波完全在油中传播即按照沿路径ES传播时间最短，则式(1)：

因此，只有当局部放电故障发生点与传感器相对位置满足式(1)推导关系时，或者在一定范围内，传感器无法区分两种传播路径到达时间差异时，才可以忽略超声波在变压器油和铁中传播速度的巨大差异。将超声波传感器布置在图1中S1、S2、S3、S4位置，其中各传感器在截面内到A、B、C、D顶点的位置距离分别满足：

其中k为超声波在油中速度和铁中速度的比值，k＝4。

实际上在变压器所在的三维空间内，每个传感器测量的精准区域(图1中的绿色扇形区域)实际为一个立体空间。以传感器S1为例，其精准测量区域为扇形S₁,K₁,J₁以线段S₁,S₃为轴旋转而成的三维区域；相应的测量误差可忽略区域则是ΔAK₁S₁以线段AK1为轴旋转而成的锥体。按照图3建立的坐标系，图1只画出了传感器在纵截面(XZ轴所在平面)上的布置情况，在变压器另外两个三维平面(XY轴所在平面和YZ轴所在平面)上，还应按照图1中纵截面的传感器布置方式，布置超声波传感器。在局部放电发生时，只要在三个平面(XZ轴、YZ轴、XY轴所在平面)上各选取一个最先接收到超声波信号的传感器数据作为解算数据，按照传统电声定位解算方法即可获得局部放电的精准定位。一般来说，按照图1所示方法布置十二个超声波传感器(将变压器视作立方体，则在每个面上布置两个)即可满足大部分变压器的局部放电精准定位。

对布设的传感器位置进行验证：

假设变压器可以等效为长宽高为

(其中a为常数，

)的长方体，即使不满足此比例，按照此比例计算误差不会很大。如果局部放电位置发生在如附图1所示此截面的多边形J₁,J₂,J₃,J₄、多边形K₁,K₃,J₃、多边形K₂,K₄,J₄内，则按照传统电声定位计算不够准确。实际上对应的区域体积为4个多边形K₂,K₄,J₄绕顶点J₄，及K₂,K₄中点连线形成的立体图形中。

由于计算曲线旋转体体积比较麻烦，我们可以用ΔJ₄K₂K₄绕顶点J₄，及K₂,K₄中点连线形成的圆锥体体积代替。由附图1可知ΔJ₄K₂S₄相对于多边形K₂,K₄,J₄绕顶点J₄，及K₂,K₄中点连线形成的立体图形体积更大，这增大了优化后的局部放电电声定位法不准确区域的体积。

其中，A,B,C,D：将变压器截面等效看成矩形后，该矩形的四个顶点。

S₁,S₂,S₃,S₄:在此截面中超声波传感器的布置位置。

S₁,K₁,J₃,J₁，S₂,K₂,J₄,J₁，S₃,K₃,J₃,J₂，S₄,K₄,J₄,J₂：在此变压器界面中，四个围成传感器准确测量范围的扇形顶点。

h，d：将变压器截面等效看成矩形后，该矩形的长与宽。

在此情况下，可以计算得出不准确区域的体积为式(2)：

整体变压器体积为式(3)：

则计算准确率为式(4)：

由前文可知，

代入式(4)，可得应用经过优化传感器部署的电声定位方法，计算局部放电位置的准确度约93.2％。

根据前文分析改进的电声定位方法，设计了用于检测变压器内部及变压器阀侧出线装置局部放电，并实现精准定位的装置。

变压器人孔盖板、手孔盖板结构设计：

局放传感器布置应保证对变压器内部(包含阀侧出线装置)任何位置发生的局部放电都能够被有效检测。在此前提下，传感器安装时可以利用变压器人孔盖板和手孔盖板安装局部放电超声波传感器和UHF特高频传感器，避免了在变压器箱体上开孔。

人孔盖板安装后如图4所示，盖板内表面与变压器绝缘油直接接触，因此适合在盖板上安装内置式、外置式传感器和集成可见光内窥功能，对于内置式传感器可以将传感器检测探头伸入变压器油箱内，为保证变压器运行安全，传感器内表面与油箱内壁平齐。

如图5所示，高压套管升高座手孔盖板安装后，盖板通过与其连接的封板与变压器绝缘油接触，因此适合在盖板上安装外置式传感器。

通过上述对变压器类设备油箱人孔(工艺放油孔)和升高座手孔盖板结构特点的分析，在变压器人孔盖板和升高座盖板上可分类集成不同的监测功能，具体如下：

(1)变压器人孔盖板：集成内置式UHF局放传感器、外置超声局放传感器、内置油压传感器、可见光内窥监测功能。

(2)升高座手孔盖板：集成外置超声局放传感器。

如图6所示，为本发明的智能盖板系统结构图，智能盖板的系统结构方案：

智能盖板包括盖板、传感器、监测单元、上位机软件四部分。结构图如图6所示，盖板、传感器、监测单元均安装在变压器本体上，实现变压器的一体化设计安装，不再变电设备现场额外立柜，同时可以实现变电设备在出厂试验时进行状态监测。

(1)盖板：为传感器的安装载体，在其上集成传感器后通过螺栓安装在变压器类设备的预留接口法兰上。具体包括：变压器类设备的人孔盖板和升高座手孔盖板。

(2)传感器：实现变压器类设备状态监测的感知元件和实现监测功能所需的终端元件，其安装在盖板上，且与检测单元连接，具体包括：UHF传感器、超声传感器、压力传感器等，用于将传感器数据发送至监测单元。

(3)监测单元：为传感器数据的采集、转换、本地存储单元，其安装在变压器类设备的本体端子箱内，通过有线通信方式与传感器连接，为传感器提供工作电源和进行传感器信号采集。监测单元的工作电源由端子箱内部供电回路提供，并通过有线或无线通信方式与变电站内监控主机通信。

(4)上位机软件：安装在变电站内的监控主机上，接收监测单元上送的传感器数据，进行实时数据分析、计算、远端存储、展示。通过计算分析出变压器类设备的局部放电类型、局部放电位置、振动信号响应频率和响应幅值，并存入数据库形成图谱、图形或历史曲线，最终显示测试结果。

如图7所示，为本发明建立的解算三维坐标系，根据长方体的一角点为原点，以原点所在的三条边依次为x轴，y轴，z轴对长方体建立三维坐标系；xy平面，xz平面及yz平面中每个平面作为超声波传感器在截面ABCD，分别布设4个超声波传感器。

局部放电位置解算方法，包括以下步骤：

A.在x-z平面，y-z平面，x-y平面中，对于每个平面，获取最先接收到超声波信号的超声波传感器作为基准传感器，其收到局部放电点的超声波信号的时间，与变压器上HFCT传感器测得的时间基准比较，得到时间差t’；

B.局部放电位置距离该超声波传感器的距离m，即：

m＝t'·v_油

C.分别选取x-z平面，y-z平面，x-y平面中每个平面时间差最小的超声波传感器作为有效测量值；

对于每个平面，基准传感器所在位置就是局部放电位置在该平面的测量基准点，则局部放电点的位置就在该基准点为球心，m为半径的球面上；

D.确定局部放电位置为距离三个平面上的基准传感器球心，距离为半径的球面上；则三个球面交点即为局部放电所在位置。

Claims (7)

1.一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立变压器的三维坐标系，在变压器上布设多个超声波传感器；

2)在变压器上任意位置布设HFCT传感器，通过超声波传感器获取数据，选取超声波传感器中最先接收到超声波信号的超声波传感器的传感器数据作为解算数据；

3)根据FHCT传感器测得的时间基准，对解算数据进行解算，获得局部放电点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，所述步骤1)，包括以下步骤：

(1)将变压器等效为长方体，获取变压器的长方形截面ABCD，设定截面ABCD内任意一点为局部放电点E，根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器外壁上的投影点F；

(2)根据局部放电点E及投影点F，得到局部放电点到超声波传感器的传播时间最短的传播路径ES，根据传播路径ES获取超声波传感器的布设位置S；

(3)根据布设位置S，基于长方形截面ABCD的中心点，在AB和CD边上对称布设4个超声波传感器，完成该截面超声波传感器在变压器上的布设。

3.根据权利要求2所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，步骤(1)中所述根据局部放电点E得到部放电点E在变压器外壁上的投影点F，具体为：

根据局部放电点E得到局部放电点E在变压器侧壁的投影，即局部放电点E在截面ABCD的AB边或CD边的投影F。

4.根据权利要求2所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，所述步骤2)，包括以下步骤：

步骤1：设定变压器侧壁上点S为超声波传感器应布设位置，与投影点F和局部放电点E，得到直角三角形EFS；

步骤2：设定变压器侧壁上线段FS上任一点G为超声波传感器可能布设的位置，得到超声波传感器声波的路径FG距离x；

步骤3：直角三角形EFG的三边长度分别为a，b，c，根据a，b，c与超声波传感器声波的路径FG距离x，并放电声波最小传播时间t，得到并确定超声波传感器应布设位置点S的位置，即超声波传感器的布设位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，所述步骤3，具体为：

所述局部放电点E的放电声波最小传播时间t：

其中，v_油为声波在油中的传播速度，v_铁＝k·v_油，k＝4，t为传播时间，x为FG的距离；

可知f'(x)＝0时，得到t的最小值；

则

传播时间t为最小值；

当x＝a时，G点与S点重合，则表示超声波完全在油中传播即按照沿路径AB传播时间最短，则有：

布设超声波传感器位置满足

6.根据权利要求1所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，所述步骤1)，具体为：

根据长方体的一角点为原点，以原点所在的三条边依次为x轴，y轴，z轴对长方体建立三维坐标系；xy平面，xz平面及yz平面中每个平面作为超声波传感器在截面ABCD，分别布设4个超声波传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于传感器的变压器内局部放电位置的定位方法，其特征在于，所述步骤3)，包括以下步骤：

A.在x-z平面，y-z平面，x-y平面中，对于每个平面，获取最先接收到超声波信号的超声波传感器作为基准传感器，其收到局部放电点的超声波信号的时间，与变压器上HFCT传感器测得的时间基准比较，得到时间差t’；

B.局部放电位置距离该超声波传感器的距离m，即：

m＝t'·v_油

C.分别选取x-z平面，y-z平面，x-y平面中每个平面时间差最小的超声波传感器作为有效测量值；

对于每个平面，基准传感器所在位置就是局部放电位置在该平面的测量基准点，则局部放电点的位置就在该基准点为球心，m为半径的球面上；

D.确定局部放电位置为距离三个平面上的基准传感器球心，距离为半径的球面上；则三个球面交点即为局部放电所在位置。

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