CN116953417B - 一种电力变压器寿命评估装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电力变压器寿命评估装置及方法，装置包括温度采集单元、温度数据对比单元、降温调节单元与寿命分析单元；本设计在应用中，通过温度采集单元实时采集变压器内部温度，获取变压器内部正常温度区间数据，温度数据对比单元对二者进行对比，并将异常高温数据传输至降温调节单元，同时，降温调节单元对变压器进行降温，设定降温时长阈值上限，通过降温时长与超出降温时长阈值上限比对，二次判定变压器绝缘材料的老化程度，并在变压器内部绝缘材料老化时报警提示，避免因寿命老化导致的安全隐患，寿命分析单元根据该数据对变压器寿命进行精准评估。因此，本发明不仅可以对变压器的寿命进行评估，而且检测的精准度较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种寿命评估装置，属于电气设备领域，尤其涉及一种电力变压器寿命评估装置及方法。
背景技术
电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压的设备，变压器对电力系统稳定、持续、安全运行，以及电力系统的经济效益等有直接关系，所以，对电力变压器健康寿命进行评估具有重要研究意义。
传统的电力变压器寿命与内部的绝缘材料老化寿命息息相关，当变压器使用至生命周期后期，绝缘材料老化时，绝缘性能会下降，从而引起变压器局部放电内部温度升高，导致变压器内部温度一直处于高于正常温度区间，但是，传统的变压器寿命评估方法主要基于定期维护，缺乏实时监测和准确预测的能力，检测的准确度不高，导致电力系统的不稳定和事故风险的增加，因此，亟需一种寿命评估的手段以解决上述现有技术中存在的问题。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的上述缺陷与问题，提供一种不仅可以对变压器的寿命进行评估，而且检测准确度较高的一种电力变压器寿命评估装置及方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种电力变压器寿命评估装置，所述装置包括温度采集单元、温度数据对比单元、降温调节单元与寿命分析单元；
所述温度采集单元用于实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据，并将其传输至温度数据对比单元；
所述温度数据对比单元用于将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比，并将超出预设的比对结果传输至降温调节单元；
所述降温调节单元用于根据比对结果对变压器进行降温，并基于超出降温时长阈值上限的数据对绝缘材料寿命进行二次判定并报警提示；
所述寿命分析单元用于根据二次判定结果与超出降温时长阈值上限的温度数据，计算变压器的寿命，输出寿命评估结果。
所述温度数据对比单元包括温度对比模块与预设值时长模块；
所述温度对比模块用于将变压器的实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；
所述预设值时长模块用于设定预设值时长，并对温度对比模块中高于正常温度区间的数据信息进行计时；若该超温时长超过预设值时长，且实时温度数据高于正常温度区间数据，则将超过预设值时长的实时温度数据输出至降温调节单元。
所述温度数据对比单元还包括温度数据记录模块，所述温度数据记录模块用于对变压器的内部温度数据进行记录，并将其转化为可视化视图。
所述降温调节单元包括水冷降温模块与绝缘材料老化判定模块；
所述水冷降温模块用于控制散热系统对变压器内部进行降温；
所述绝缘材料老化判定模块用于收集变压器的历史温度数据与降温时长数据，并建立降温时长阈值上限；若降温时长大于等于阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化。
所述降温调节单元还包括多因素判定模块，所述多因素判定模块用于检测变压器内部放电信号并分析其特征，对变压器绝缘材料老化进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化。
所述降温调节单元还包括警示模块，所述警示模块用于在检测到绝缘材料老化问题后进行报警提示。
所述寿命分析单元包括寿命模型构建模块与寿命评估模块；
所述寿命模型构建模块用于建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
所述寿命评估模块用于将超出降温时长阈值上限的温度数据传输至寿命模型构建模块进行变压器使用寿命的评估。
一种电力变压器寿命评估方法，所述方法包括：
S1、实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据；
S2、将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；若实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对超温时长进行计时；若超温时长超过预设值时长，且实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对变压器进行降温，并记录降温时长数据；
S3、将降温时长数据与历史降温阈值上限进行比对；若降温时长数据大于等于历史降温阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化，并进行二次判定；
S4、检测变压器内部的放电信号，并分析其放电特征进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化；
S5、根据绝缘材料老化数据与温度数据，分析绝缘材料老化寿命和温度之间的关系，评估获得变压器的老化寿命。
所述步骤S5，评估获得变压器的老化寿命包括：
S51、收集变压器绝缘材料老化数据与温度数据，并对数据进行预处理；
S52、对数据进行分析，确定变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S53、建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S54、将数据应用于温度指数模型进行预测，比较预测结果与实际观测值，评估温度指数模型的准确性，对温度指数模型进行优化；
S55、将优化后的温度指数模型应用于实际的温度数据中，对变压器绝缘材料的老化寿命进行评估。
所述温度指数模型，其表达式如下：
；
其中：为老化速率或寿命；/>为常数，表示参考温度/>下的老化速度；/>为活化能，表示材料老化对温度的敏感程度；/>为玻尔兹曼常数；/>为当前温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种电力变压器寿命评估装置及方法中，装置包括温度采集单元、温度数据对比单元、降温调节单元与寿命分析单元；本设计在应用中，通过温度采集单元实时采集变压器内部温度，获取变压器内部正常温度区间数据，温度数据对比单元对二者进行对比，并将异常高温数据传输至降温调节单元，同时，降温调节单元对变压器进行降温，设定降温时长阈值上限，通过降温时长与超出降温时长阈值上限比对，二次判定变压器绝缘材料的老化程度，并在变压器内部绝缘材料老化时报警提示，避免因寿命老化导致的安全隐患，寿命分析单元根据该数据对变压器寿命进行精准评估。因此，本发明不仅可以对变压器的寿命进行评估，而且检测的精准度较高。
2、本发明一种电力变压器寿命评估装置及方法中，降温调节单元包括水冷降温模块、绝缘材料老化判定模块与多因素判定模块；本设计在应用中，由于变压器在使用时，当变压器所供电设备的负载突然增加时，变压器内部温度上升，通过水冷降温模块控制散热系统，能够快速对内部进行散热，并基于降温时长判断绝缘材料是否老化，然后通过多因素判定模块进一步确认，避免了因变压器负载增加导致瞬间高温，导致对变压器寿命时间进行误判，提高变压器寿命评估的准确性。因此，本发明不仅可以对变压器的寿命进行评估，而且准确性较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中评估方法的步骤示意图。
图中： 温度采集单元1、温度数据对比单元2、温度对比模块21、预设值时长模块22、温度数据记录模块23、降温调节单元3、水冷降温模块31、绝缘材料老化判定模块32、多因素判定模块33、警示模块34、寿命分析单元4、寿命模型构建模块41、寿命评估模块42。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
参见图1，一种电力变压器寿命评估装置，所述装置包括温度采集单元1、温度数据对比单元2、降温调节单元3与寿命分析单元4；
所述温度采集单元1用于实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据，并将其传输至温度数据对比单元2；
进一步的，为了获取变压器内部的精准温度，从而识别变压器内部温度与正常温度差异，判断变压器内部绝缘材料是否老化，温度采集单元1采用传感器对变压器内部温度进行采集，传感器通过测量变压器外壁表面的红外辐射来估算内部温度，温度采集单元1通过监测和记录变压器内部的温度数据，观察其在不同负荷、不同运行条件下的变化情况进行统计分析，从而获取变压器内部的正常温度区间数据；获取方法如下：
明确所要获取正常温度区间的具体变压器类型和规格，包括额定容量、额定电压等参数，不同类型和规格的变压器可能具有不同的正常温度范围；查阅变压器的制造商手册、产品规格和技术资料，寻找有关该型号变压器的温度相关信息，制造商通常会提供关于变压器额定温度、正常工作温度范围、温升限制等信息；
变压器的内部温度受到环境因素的影响，如周围温度、通风条件等，因此，在获取变压器正常温度区间时，要考虑到变压器所处的环境条件，并根据环境因素调整正常温度范围；
在变压器的关键位置安装温度传感器，实时监测和记录变压器的温度数据，持续监测一段时间，以收集足够的数据，包括负荷变化、环境条件变化等，从而得到变压器更准确的正常温度区间数据。
所述温度数据对比单元2用于将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比，并将超出预设的比对结果传输至降温调节单元3；
进一步的，所述温度数据对比单元2包括温度对比模块21与预设值时长模块22；
所述温度对比模块21用于采用范围判断法将变压器的实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；
所述预设值时长模块22用于设定预设值时长，并采用计时器对温度对比模块21中高于正常温度区间的数据信息进行计时；若计时的时长超过预设值时长，且实时温度数据高于正常温度区间数据，则将超过预设值时长的实时温度数据输出至降温调节单元3。
进一步的，温度对比模块21将变压器内部实时温度数据与正常温度区间数据进行比较，判断数据是否正常区间范围内在，当温度超过正常范围时，启动计时器并持续监测计时器的时间，记录计时器的时间，判断是否超过了预设值时长；例如，将预设值时长设置为2小时，如果超过了预设值时长变压器内部实时温度仍然没有降至正常温度区间，则表示温度超过了正常范围并持续了较长时间，同时将该温度数据信息传输至降温调节单元3。
为了便于工作人员对变压器内部温度进行实时获取，了解变压器内部温度变化情况，判断出变压器是否负载作业，所述温度数据对比单元2还包括温度数据记录模块23，所述温度数据记录模块23对变压器每天的实时内部温度数据进行记录，并将其转化为可视化视图；例如：将日期和时间与对应的温度数值配对，以便后续操作，并选择合适的数据可视化工具，例如Microsoft Excel，绘制成折线图，并为折线图添加轴标签以及图表标题，提供清晰的说明和解释，确保轴标签和标题准确地描述了图表中展示的内容；通过观察折线图，可以快速发现温度异常情况，如果温度曲线突然升高或超过正常范围，或者存在温度波动过大的区域，可能表示变压器存在故障或负载运行。
所述降温调节单元3用于根据比对结果对变压器进行降温，并基于超出降温时长阈值上限的数据对绝缘材料寿命进行二次判定并报警提示；
进一步的，考虑到夏季室外温度较高，导致变压器内部温度升温较快，影响对变压器寿命进行评估，所述降温调节单元3包括水冷降温模块31与绝缘材料老化判定模块32；
所述水冷降温模块31用于控制散热系统对变压器内部进行降温；
所述绝缘材料老化判定模块32用于收集变压器的历史温度数据与降温时长数据，并建立降温时长阈值上限；若降温时长大于等于阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化；
进一步的，通过数据采集系统，记录变压器在正常工作条件下的历史温度数据，定义降温时长为温度下降至设定温度以下的时间段；例如，设定降温时长阈值上限为12小时，如果在12小时以内，水冷降温模块31将变压器进行降温至正常范围内，则证明变压器内部绝缘材料性能正常；若超过12小时，变压器内部温度仍然高于正常温度，则证明内部绝缘材料老化，导致绝缘性能下降，此时就会引起变压器局部放电内部温度持续升高，为了提高对绝缘材料老化判断的精准度，因此，降温调节单元3还包括多因素判定模块33，所述多因素判定模块33用于采用放电声波分析仪器检测变压器内部放电信号并分析其特征；如果检测到明显的放电声波，则表示绝缘材料存在老化问题，对变压器绝缘材料老化进行二次判定，从而避免因外部温度较高，导致变压器内部升温，影响对变压器寿命评估的精准度。
所述多因素判定模块33采用的放电声波分析仪器对变压器绝缘材料老化进行二次判定，其工作原理为：放电声波分析仪器通常会配备用于感应声波信号的传感器，传感器感应到的声波信号会通过放大器进行信号放大，以增加信号的幅度，处理后的声波信号将通过数据分析算法进行分析，这些算法可以识别出放电事件的特征，如峰值幅度、频率分量等，具体步骤如下：
1、传感器感应：放电声波分析仪器配备了感应声波信号的传感器，传感器通常是微弱声波信号的敏感接收器，可以将声波转化为电信号；
2、信号放大：传感器感应到的声波信号是微弱的，因此需要经过信号放大器来增加信号的幅度，以便后续处理；
3、数据采集：放大后的声波信号会被数字化，将其转化为数字数据，便于后续分析；
4、数据分析算法：在计算机中，采用各种数据分析算法来处理声波信号数据，以识别放电事件的特征，这些算法可以包括以下内容：
1）、峰值检测：通过检测信号中的峰值幅度来确定是否存在放电事件，如果信号中的某个幅度超过了预设的阈值，则可能表示存在异常放电；
2）、频率分析：算法可以对声波信号的频率成分进行分析，以检测是否存在特定频率的放电事件，不同类型的放电事件可能具有不同的频率特征；
3）、波形分析：对声波信号的波形进行分析，以检测是否存在异常的波形模式，这些模式可能与绝缘材料老化或放电相关；
分析结果通常会以图形或数字的形式显示在仪器的屏幕上，根据分析结果，在仪器中设定了一些阈值和故障警戒线，一旦信号超过了设定的阈值，表示绝缘材料存在放电问题，表示绝缘材料老化。
为了及时提醒工作人员对接近寿命周期的变压器进行更换，避免因变压器损坏导致电力系统的不稳定导致事故风险的增加，所述降温调节单元3还包括警示模块34，所述警示模块34用于在检测到绝缘材料老化问题后进行报警提示，提醒工作人员即使维护变压器。
所述寿命分析单元4用于根据二次判定结果与超出降温时长阈值上限的温度数据，计算变压器的寿命，输出寿命评估结果；
进一步的，所述寿命分析单元4包括寿命模型构建模块41与寿命评估模块42；
所述寿命模型构建模块41用于建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
所述寿命评估模块42用于将超出降温时长阈值上限的温度数据传输至寿命模型构建模块41进行变压器使用寿命的评估；
进一步的，具体步骤包括：
收集数据：收集变压器绝缘材料老化寿命和超出降温时长阈值上限的温度数据，并对数据进行预处理，包括数据清洗、缺失值处理和异常值处理，确保数据质量和准确性；
数据分析：采用相关性分析法对收集的数据进行分析，确定变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
建立模型：基于分析结果，选择温度指数模型来描述变压器绝缘材料老化寿命和温度之间的关系；温度指数模型采用Arrhenius模型，其表达式如下：
；
其中：为老化速率或寿命；/>为常数，表示参考温度/>下的老化速度；/>为活化能，表示材料老化对温度的敏感程度；/>为玻尔兹曼常数；/>为当前温度；
该模型表明老化速率随着温度/>的升高而增加，可以用来描述绝缘材料的老化寿命与温度之间的关系；
模型验证：从原始数据集中随机选择的一部分数据，这部分数据不用于模型的训练，而是保留下来用于验证模型的性能和准确性，确保模型不仅在训练数据上表现良好，还能在新数据上进行准确预测，并验证所建立的温度指数模型，将一部分数据随机保留作为验证集，并使用模型对其进行预测，通过比较预测结果和实际观测值，评估模型的准确性和可靠性。
其中预测结果指的是使用模型对验证集中的数据进行预测得到的老化寿命值；而实际观测值指的是验证集中相应数据点的真实老化寿命值，这些值通常已经在先前的数据收集中获得；模型的准确性通常通过比较预测结果与实际观测值来评估，如果预测结果与实际观测值非常接近，那么模型被认为是准确的，如果它们之间有显著的差异，模型可能需要进一步优化。
应用模型：根据实际应用的需求和性能标准对模型进行调整和改进，将优化后的温度指数模型应用于实际的温度数据中，预测变压器绝缘材料的老化寿命，通过输入温度数据，模型可以提供相应的老化寿命预测结果。
其中调整和改进包括：调整模型参数以获得更好的性能，并使用更大、更多样的温度数据集来重新训练模型，以提高其预测准确性，同时考虑不同的模型类型，以找到最适合特定应用的模型，并监控模型的性能，并根据实际观察到的结果进行适当的调整和改进，优化模型的计算效率，以便在实际应用中能够快速生成预测结果。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
参见图2，一种电力变压器寿命评估方法，所述方法包括：
S1、实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据；
S2、将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；若实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对超温时长进行计时；若超温时长超过预设值时长，且实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对变压器进行降温，并记录降温时长数据；
S3、将降温时长数据与历史降温阈值上限进行比对；若降温时长数据大于等于历史降温阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化，并进行二次判定；
S4、检测变压器内部的放电信号，并分析其放电特征进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化；
S5、根据绝缘材料老化数据与温度数据，分析绝缘材料老化寿命和温度之间的关系，评估获得变压器的老化寿命；
进一步的，评估获得变压器的老化寿命包括：
S51、收集变压器绝缘材料老化数据与相应的温度数据，并对数据进行预处理；
S52、对数据进行分析，确定变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S53、建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S54、将数据应用于温度指数模型进行预测，比较预测结果与实际观测值，评估温度指数模型的准确性，对温度指数模型进行优化；
进一步的，所述数据指步骤S51经过预处理后，随机选择的部分数据；
S55、将优化后的温度指数模型应用于实际的温度数据中，对变压器绝缘材料的老化寿命进行评估。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：所述装置包括温度采集单元（1）、温度数据对比单元（2）、降温调节单元（3）与寿命分析单元（4）；
所述温度采集单元（1）用于实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据，并将其传输至温度数据对比单元（2）；
所述温度数据对比单元（2）用于将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比，并将超出预设的比对结果传输至降温调节单元（3）；
所述降温调节单元（3）用于根据比对结果对变压器进行降温，并将降温时长数据与历史降温时长阈值上限进行比对；若降温时长数据大于等于历史降温时长阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化，再检测变压器内部的放电信号分析放电特征进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化，并进行报警提示；
所述寿命分析单元（4）用于根据二次判定结果与超出降温时长阈值上限的温度数据，计算变压器的寿命，输出寿命评估结果。
2.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述温度数据对比单元（2）包括温度对比模块（21）与预设值时长模块（22）；
所述温度对比模块（21）用于将变压器的实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；
所述预设值时长模块（22）用于设定预设值时长，并对温度对比模块（21）中高于正常温度区间的数据信息进行计时；若计时的时长超过预设值时长，且实时温度数据高于正常温度区间数据，则将超过预设值时长的实时温度数据输出至降温调节单元（3）。
3.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述温度数据对比单元（2）还包括温度数据记录模块（23），所述温度数据记录模块（23）用于对变压器的内部温度数据进行记录，并将其转化为可视化视图。
4.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述降温调节单元（3）包括水冷降温模块（31）与绝缘材料老化判定模块（32）；
所述水冷降温模块（31）用于控制散热系统对变压器内部进行降温；
所述绝缘材料老化判定模块（32）用于收集变压器的历史温度数据与降温时长数据，并建立降温时长阈值上限；若降温时长大于等于阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化。
5.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述降温调节单元（3）还包括多因素判定模块（33），所述多因素判定模块（33）用于检测变压器内部放电信号并分析其特征，对变压器绝缘材料老化进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化。
6.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述降温调节单元（3）还包括警示模块（34），所述警示模块（34）用于在检测到绝缘材料老化问题后进行报警提示。
7.根据权利要求1所述的一种电力变压器寿命评估装置，其特征在于：
所述寿命分析单元（4）包括寿命模型构建模块（41）与寿命评估模块（42）；
所述寿命模型构建模块（41）用于建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
所述寿命评估模块（42）用于将超出降温时长阈值上限的温度数据传输至寿命模型构建模块（41）进行变压器使用寿命的评估。
8.一种电力变压器寿命评估方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、实时采集变压器的内部温度数据与正常温度区间数据；
S2、将实时温度数据与正常温度区间数据进行对比；若实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对超温时长进行计时；若超温时长超过预设值时长，且实时温度数据大于等于正常温度区间数据，则对变压器进行降温，并记录降温时长数据；
S3、将降温时长数据与历史降温时长阈值上限进行比对；若降温时长数据大于等于历史降温时长阈值上限，则表明变压器绝缘材料存在老化，并进行二次判定；
S4、检测变压器内部的放电信号，并分析其放电特征进行二次判定；若出现放电信号异常，则判定变压器绝缘材料存在老化；
S5、根据绝缘材料老化数据与温度数据，分析绝缘材料老化寿命和温度之间的关系，评估获得变压器的老化寿命。
9.根据权利要求8所述的一种电力变压器寿命评估方法，其特征在于：
所述步骤S5，评估获得变压器的老化寿命包括：
S51、收集变压器绝缘材料老化数据与温度数据，并对数据进行预处理；
S52、对数据进行分析，确定变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S53、建立温度指数模型描述变压器绝缘材料老化寿命与温度之间的关系；
S54、将数据应用于温度指数模型进行预测，比较预测结果与实际观测值，评估温度指数模型的准确性，对温度指数模型进行优化；
S55、将优化后的温度指数模型应用于实际的温度数据中，对变压器绝缘材料的老化寿命进行评估。
10.根据权利要求9所述的一种电力变压器寿命评估方法，其特征在于：
所述温度指数模型，其表达式如下：
；
其中：为老化速率或寿命；/>为常数，表示参考温度/>下的老化速度；/>为活化能，表示材料老化对温度的敏感程度；/>为玻尔兹曼常数；/>为当前温度。
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