CN116068322A - 卷铁芯变压器综合参数在线监测方法、系统及服务器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法、系统及服务器，属于电气技术领域。本在线监测方法包括：通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度。本发明构建了基于绕组热点温度模型，通过测量环境温度、顶层油温和底层油温及绕组热点对油温的温度梯度，在由定义的绕组热点温度计算模型得出最终绕组热点温度；并且还提出了利用故障模型分析振动特征参数并最终实现变压器振动在线监测与故障判别，以为及时发现故障提前预警做出数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于电气技术领域，涉及一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法、系统及服务器。
背景技术
节能型变压器的核心技术是采用卷铁心技术。卷铁心是采用硅钢片带料，连续卷制成的封闭形铁心，相比叠铁心没有接缝，磁阻小、损耗低，经过高温退火消除应力，空载损耗和空载电流得到大幅度降低。卷铁心由于其结构特殊性，其所需的折线开料机、卷绕机、退火炉、绕线机及其相关的工装设备与传统叠片式铁心所需设备完全不同，电气化铁路是用电大户，牵引变压器是电气化铁路牵引供电系统最重要的关键设备，能够为铁路前行的高速列车提供持续动力，被誉为电气化铁路的“心脏”，因此行业对该类项目产品的研发高度重视，为了提高卷铁芯变压器智能化水平。
在现有技术中构建绕组热点温度模型，往往会考虑采用环境瞬时温度，但是在考虑瞬时温度时会忽略温度波动，造成整体绕组热点温度模型数据不准的情况时有发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法、系统及服务器，通过声振传感器、温升传感器对变压器本体振动信号、变压器绕组热点温度进行监测，以便及时发现故障提前预警。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，包括：
通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度；
构建绕组热点温度模型的方法包括：
绕组热点温度为
，
；其中
式中
为环境瞬时温度，温度随时间的变化值。
第二方面，本发明还提供了一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统，包括：
温升传感器，用于测量环境温度、顶层油温及绕组热点对油温的温度梯度；和/或
声振传感器，贴合在油箱上，以采集获得相应振动值；
处理器模块，与温升传感器、声振传感器电性连接，并通过通讯模块将温升传感器和/或声振传感器采集的相应信号发送至服务器；以及
服务器，通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度；和/或建立振动故障分析模型，通过获取振动值与相应振动信号特征参数相比获得故障结果。
第三方面，本发明还提供了一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统用服务器，所述服务器采用卷铁芯变压器综合参数在线监测方法实现绕组热点温度计算和/或获得故障结果。
本发明的有益效果是，本发明的卷铁芯变压器综合参数在线监测方法、系统及服务器，其构建了引入滞后环境温度的绕组热点温度模型，通过测量环境温度、顶层油温及绕组热点对油温的温度梯度，在由定义的绕组热点温度计算模型得出最终绕组热点温度；并且还提出了利用故障模型分析振动特征参数并最终实现变压器振动在线监测与故障判别，以为及时发现故障提前预警做出数据支撑。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为油浸式电力变压器器件振动传递方式图；
图2为卷铁芯变压器综合参数在线监测系统的原理框图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法的具体实施如下：
受变压器制造工艺、热传递水平等因素影响，导致变压器内部温度分布不均匀，因此，导致的老化程度也不同，但变压器绕组是温度最高的位置，因此，绕组部分的绝缘老化程度也是最严重的，对于绕组热点温度（HST）,一般分布在绕组上，靠近冷却油的上层，由于大部分已装备的变压器未安装先进的分布温度传感器，后期植入传感器也较难实现，只能采取检测油箱不同位置的温度来进行绕组热点温度确定。因此，如何通过测量环境温度、顶层油温及绕组热点对油温的温度梯度，在由定义的绕组热点温度计算模型得出最终绕组热点温度是有待解决的技术难题。
可选的，对于卷铁芯变压器综合参数在线监测方法可以进行韦布尔分布分析，具体如下：本实施例是通过选取合适的分布规律模型来模拟设备老化机理，通过历史数据的验证来实现故障预测，即设置故障率表达式对油浸式电力变压器绝缘性能曲线进行模拟；其中
所述故障率表达式为
；其中
式中
为尺度参数，
为形状参数，且
>0，
>0，t>0，形状参数
的存在使得韦布尔分布的灵活性很好，通过对
不同的取值，简化为指数分布或瑞利分布。因此，选用该故障率表达式对油浸式电力变压器绝缘性能曲线进行模拟，参数
和
的值可通过最大似然估计得到。
对于本实施例，变压器绝缘老化故障率与绕组热点温度有着密切关系，而绕组热点温度由环境温度和变压器负荷决定，即
计算顶层油温相对于环境温度的温升
；
如果忽略温度变化过程中的动态过程，即令
，则
。
式中
是冷却油顶部相对于环境温度的最终温升，
是在额定负载下冷却油顶部相对于环境温度的温升，
为变压器实际负荷与额定负荷的比值，
为额定负荷状态下的负荷损耗与空载损耗之间的比值，
是变压器油的时间常数，
可以通过以下两种方式获得：1、依据IEEE Std C57.12.90-1993进行实际的测试；2、由设备制造厂家在测试报告中提供。
计算绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量
；
若忽略温度变化过程中的动态变化，则：
式中
是最高温度点相对于顶部油温的最终增量，
是最高温度点相对于额定负载下的油温的温升，
是在温度点位置的时间常数，
和
是取决于冷却方式的经验常数，
和
的值与变压器冷却方式的定义关系如表1所示。
表1 变压器冷却方式经验常数参数表
| 冷却方式 | m | n |
| 油浸自冷 | 0.8 | 0.8 |
| 风扇冷却 | 0.8 | 0.9 |
| 强迫油循环风冷（FOW） | 0.8 | 0.9 |
| 强迫油循环水冷（FOW） | 0.8 | 0.9 |
| 间接强迫油循环风冷（FOA） | 1 | 1 |
| 间接强迫油循环水冷（FOA） | 1 | 1 |
在现有技术中构建绕组热点温度模型，往往会考虑采用环境瞬时温度，但是在考虑瞬时温度时会忽略温度波动，造成整体绕组热点温度模型数据不准的情况时有发生。因此，本发明创造性的设置了条件充分考虑滞后环境温度
对绕组热点温度模型的影响，提高了整体预测精度。
计算滞后环境温度
如下所示
；
式中
为环境瞬时温度，温度随时间的变化值；
设定滞后环境温度
介入条件，即当环境瞬时温度
的变化温度率大于1℃/min时，以将滞后环境温度作为必要数据加入到绕组热点温度模型中参与计算，以获得较准确绕组热点温度。
最后构建绕组热点温度模型的方法包括：
绕组热点温度为
，
；其中
因此实现通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度的具体实施过程。
优选的，对于卷铁芯变压器综合参数在线监测方法还包括：
建立振动故障分析模型，通过获取振动信号瞬时值，通过对振动信号瞬时值频谱分析，获得相应振动信号特征参数，根据振动信号特征参数变化就可以获得故障结果。具体的做法是，设定振动信号特征参数为10mV，频率范围为10kHZ至20kHZ；若对振动信号瞬时值频谱分析后获得其频率范围为15kHZ，且幅度为12mV，则判断发生故障。
油浸式电力变压器（简称变压器）振动是由电力变压器本体振动引起的，本体振动来源包括：硅钢片的磁致伸缩所引起的铁芯周期性振动；硅钢片接缝处与叠片之间因漏磁而产生的电磁吸引力所引起的铁芯振动；绕组重负载电流产生的绕组匝间电动力所引起的振动；漏磁所引起的油箱壁振动，其中磁滞伸缩和绕组匝间电动力所引起的铁芯振动和绕组振动是主要来源，根据油浸式电力变压器各个器件之间振动传动传递方式，这些振动信号特征都是有迹可循的，当变压器内部器件出现松动等故障都会导致振动信号特征的改变，具体振动传递过程如图1所示，传统人工巡查通过听觉判断变压器振动故障，准确率低、时效性差，因此，本发明提出利用振动故障分析模型分析振动特征参数并最终实现变压器振动在线监测与故障判别。
在本实施例中建立振动故障分析模型，通过获取振动值与相应振动信号特征参数相比获得故障结果的实施过程进行说明如下：
变压器绕组振动是由于交变电流在流过绕组间、线饼间以及线匝间产生的动态电磁吸引力引起的，周期性的电动力使得变压器绕组产生振动并传递到其他部件上。双绕组变压器由高压绕组和低压绕组构成，两组绕组因电流相反而相互排斥导致绕组轴向与径向振动，相对于径向振动，绕组的轴向振动起主导作用。若绕组发生形变、位移或崩塌，绕组间压紧力不足，高低压绕组高度差扩大等都会造成轴向力增大，绕组振动加剧。
绕组的轴向力与流过绕组的负载电流平方成正比，即
；
而绕组振动加速度与所受电磁力大小成正比，易得出绕组振动信号的基频是负载电流的2倍。在本实施例中绕组振动模型在电磁力
作用下对应的振动位移
的微分方程为：
式中
为导体等效质量，
为绕组间的绝缘体等效弹簧系数，
为变压器冷却油的阻尼系数。绕组受到的电磁力与电流平方成正比，公式如下：
假设初始状态为零，则
的稳态响应为：
式中
为振动加速度；
K为绕组间的绝缘体等效弹簧系数；
I为负载电流有效值；
γ为振动加速度初始角度。
根据上式可知，在不考虑绕组振动的非线性情况下。绕组振动经过绝缘油等介质传递到油箱表面的过程为线性衰减，因此油箱表面上的振动信号频率为负载电流频率的两倍且幅值也与负载电流的平方成正比。在实际过程中，绕组自身的绝缘材料具有较强的非线性特性，在绕组振动较大时会有较明显的非线性特征。因此绕组绝缘垫块在一定压力范围内可以如下表示，即
绝缘垫块应力算式为
式中
与
分别为绝缘垫块应力与应变力，
为常数。
绕组的非线性振动模型为
上式为非线性Duffing方程，稳态解中包含有二次项和三次项，实际上还应包含激励频率的高次谐波。当负载较大时，绕组的振动中除100Hz主要成分外，还将出现200Hz、300Hz等高次谐波成份。
根据以上原理分析和对变压器结构不造成破坏的情况下，应对油箱振动进行在线检测，从而能间接反映出绕组和磁致伸缩引起的振动。而这些振动的频率都在0-1000Hz有较明显的幅值变化，1000Hz以上频率幅值较小可以忽略不计。因此采用磁电式振动传感器。
如图2所示，在本实施例还提供了一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统，包括：
温升传感器，用于测量环境温度、顶层油温及绕组热点对油温的温度梯度；和/或
声振传感器，贴合在油箱上，以采集获得相应振动值；
处理器模块，与温升传感器、声振传感器电性连接，并通过通讯模块将温升传感器和/或声振传感器采集的相应信号发送至服务器；以及
服务器，通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度；和/或建立振动故障分析模型，通过获取振动值与相应振动信号特征参数相比获得故障结果。
实现上述卷铁芯变压器综合参数在线监测系统的具体硬件如下：
处理器模块采用STM32H750VBT6芯片，是基于 ARM Cortex M7 内核的处理器，采用6级流水线，性能高达 5 CoreMark/MHz，在400MHz 工作频率下测试数据高达2010CoreMarks，是此前性能最高的STM32F7（也是Cortex M7内核）系列的两倍。
温升传感器例如但不限于采用红外温度传感器，具体型号可以为SA20AC红外温度传感器，检测温度范围为0到200℃，输出电流为0到20mA，且温度与输出电流呈线性变化，满足油浸式电力变压器温度检测范围的要求，通过在红外传感器电路上串联120欧姆电阻，将0-20mA信号转换为0-2.4V电压信号微处理器模块内部AD接口进行模数转换。
声振传感器例如但不限于采用振动传感器，具体可以是接触式振动传感器，贴合在油箱上，由于采集的是位移信号，因此还需要经过两次微分电路处理才能得到加速度，采用LM2904双路运算放大器实现微分电路设计，由于选用的传感器输出为4-20mA,通过串入510欧姆电阻将电流信号转换为电压信号，且电压幅值在10V以下，在经过两次微分处理后，电压幅值降低到2.5V以下，供AD芯片采集。
通讯模块例如但不限于采用4G通信模块，可以是通讯ATK-M751模块，通信方式将监测装置采集并处理后的数据上传至服务器，再由后台软件数据库对服务器进数据读取并在后台软件上显示。
可选的，本系统可以连接显示模块例如但不限于采用陶晶驰品牌4.3寸增强型HMI可触控屏幕TJC4827K043_011X，实现人机交互，通过STM32串口与屏幕进行通信，将采集到相关数据发送到串口屏幕以便人工检查监测装置的工作情况。
电源模块采用HE12P24LRN模块及WD5-24S05A1模块。
所述卷铁芯变压器综合参数在线监测系统采用卷铁芯变压器综合参数在线监测方法实现绕组热点温度计算和/或获得故障结果，具体见以上实施例部分，此处不再赘述。
本实施例还提供了一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统用服务器，所述服务器采用所述卷铁芯变压器综合参数在线监测方法实现绕组热点温度计算和/或获得故障结果。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，其特征在于，包括：
通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度；
构建绕组热点温度模型的方法包括：
绕组热点温度为
，
；其中
、
、
分别为滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量；以及
滞后环境温度
的计算方法包括：
式中
为环境瞬时温度，温度随时间的变化值。
2.根据权利要求1所述的卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，其特征在于，
顶层油温相对于环境温度的温升
的计算方法包括：
设
；
若忽略温度变化过程中的动态过程，即令
，则有 
，以及
，以获得温升
；
上式中
是冷却油顶部相对于环境温度的最终温升，
是在额定负载下冷却油顶部相对于环境温度的温升,
为变压器实际负荷与额定负荷的比值，
为额定负荷状态下的负荷损耗与空载损耗之间的比值，
是变压器油的时间常数。
3.根据权利要求1所述的卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，其特征在于，
绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量
的计算方法包括：
设
；
若忽略温度变化过程中的动态变化，则
；
上式中
是最高温度点相对于顶部油温的最终增量，
是最高温度点相对于额定负载下的油温的温升，
是在温度点位置的时间常数,
和
是取决于冷却方式的经验常数。
4.根据权利要求1所述的卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，其特征在于，还包括：
设置故障率表达式对油浸式电力变压器绝缘性能曲线进行模拟；其中
所述故障率表达式为
；其中
式中
为尺度参数，
为形状参数，且
>0,
>0,t>0,形状参数
的存在使得韦布尔分布的灵活性很好，通过对
不同的取值，简化为指数分布或瑞利分布。
5.根据权利要求1所述的卷铁芯变压器综合参数在线监测方法，其特征在于，
建立振动故障分析模型，通过获取振动值与相应振动信号特征参数相比获得故障结果。
6.一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统，其特征在于，包括：
温升传感器，用于测量环境温度、顶层油温及绕组热点对油温的温度梯度；和/或
声振传感器，贴合在油箱上，以采集获得相应振动值；
处理器模块，与温升传感器、声振传感器电性连接，并通过通讯模块将温升传感器和/或声振传感器采集的相应信号发送至服务器；以及
服务器，通过滞后环境温度、顶层油温相对于环境温度的温升、绕组热点温度HST相对于变压器顶部油温的增量构建绕组热点温度模型，以获得绕组热点温度；和/或建立振动故障分析模型，通过获取振动值与相应振动信号特征参数相比获得故障结果。
7.根据权利要求6所述的卷铁芯变压器综合参数在线监测系统，其特征在于，
所述卷铁芯变压器综合参数在线监测系统采用如权利要求1-6任一项所述卷铁芯变压器综合参数在线监测方法实现绕组热点温度计算和/或获得故障结果。
8.一种卷铁芯变压器综合参数在线监测系统用服务器，其特征在于，
所述服务器采用如权利要求1-5任一项所述卷铁芯变压器综合参数在线监测方法实现绕组热点温度计算和/或获得故障结果。
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