CN210322906U - 一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，包括由多个加速度传感器组成并采用磁铁吸附方式固定在待检测变压器的箱体表面且靠近ABC三相位置上的传感模块，所述传感模块通过同轴电缆通信连接有用于接收并处理来自传感模块的模拟信号的在线检测装置，所述在线检测装置内置有用于数据筛选、清洗、记录和运算的信息处理单元，所述在线检测装置通过无线通信方式与变压器智能管理平台交互通信，所述变压器智能管理平台由PC终端和数据库服务器组成。本实用新型能够对变压器实现带电无损检测，同时能够把变压器的先天制造机械缺陷和后天安装或者其他原因导致的裂纹、疲劳裂纹、断裂和接触不良的缺陷都进行精准检测。

Description

一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，尤其涉及对于机械、电器采用声纹振动的方式进行无损检测的系统技术领域，具体为一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统。

背景技术

电网规模的壮大和变电设备数量的增加，使得电网的分布区域不断扩大；同时，随着我国电力体制改革不断深入，电力企业在改善服务质量，保障电力系统的稳定性、可靠性，对电力设备的安全程度也提出了更高的要求。

其中电力变压器是组成电网的重要元件之一，在电网的安全可靠供电有极其重要的作用。一旦变压器设备内部出现某种缺陷，极易发生设备故障；近年来变压器设备数量飞速增加，变压器设备发生故障的几率也在增加，加之检测设备故障的手段和措施相对有限；因此，加强和完善变压器设备的运行检测，对保障变压器设备的安全运行具有重要意义。

变压器属于高压输变电设备，且安装在相对独立的环境中，在正常使用的状态下，并不会有人实时的对其进行检测，且带电的状态下也不便检测，稍有不慎可能发生触电危险。但是变压器的机械故障又存在多样性，任何类型的故障都可能导致变压器不工作，不送电，甚至是发生短路烧毁的情况，因此，为了避免因变压器故障导致的异常断电，给人们的生活、工作或者工业生产带来不必要的损失，对于变压器的无损检测是非常重要的。现有的变压器检修检测多数需要提前通知断电，进行安检确保变压器工作状态正常，无隐患项后再进行送电的方式存在的最大弊端就是要断电操作，这对于工业用电的地区是不适用的。因此，为了解决现有变压器检修的不足，满足带电检测，无损检测，同时要做好防触电防护和检测的准确性，提供一种现代化智能检测系统必要性和意义非常重大。

实用新型内容

为了解决现有技术不能满足变压器的带电检测，无损检测，同时要做好防触电防护和检测的准确性问题，本申请提供一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统；能够实现带电无损检测，同时能够把变压器的先天制造机械缺陷和后天安装或者其他原因导致的裂纹、疲劳裂纹、断裂和接触不良的缺陷都进行精准检测，同时本实用新型采用的声纹振动检测方式进一步利用永磁体吸附的方式，既能够有效的避免带电检测中存在的电磁干扰，又能有效的预防因直接导体接触导致的触电事件的发生，确保带电检测的安全性。

为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：

一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，包括由多个加速度传感器组成并采用磁铁吸附方式固定在待检测变压器的箱体表面且靠近ABC三相位置上的传感模块，所述传感模块通过同轴电缆通信连接有用于接收并处理来自传感模块的模拟信号的在线检测装置，所述在线检测装置内置有用于数据筛选、清洗、记录和运算的信息处理单元，所述在线检测装置通过无线通信方式与变压器智能管理平台交互通信，所述变压器智能管理平台由PC终端和数据库服务器组成。结构原理简述：本实用新型是通过利用对比检测到的声纹振动数据与变压器可能存在的典型机械缺陷数据库进行对比获取并确定变压器可能存在的机械缺陷，从而达到提前预防，提前排除，减少因变压器异常故障导致的直接或者间接的经济损失的目的。然而，变压器由于是常年通电的高压输变电设备，在带电检测方面存在一定的技术难题。本实用新型采用永磁体能够有效的将加速度传感器牢牢的吸附在需要测量的点进行检测，这样也能有效的屏蔽带电检测中的电磁干扰，能够使加速度传感器采集到完整而精确的振动信号，保证数据的真实性和准确性。然后将采集到的信号发送到在线检测装置中进行转换，将模拟信号转换成数字信号，通过信息处理单元按照系统预设的逻辑进行处理，最后发送到变压器智能管理平台中进行比对，人们通过PC终端获取到最终的缺陷数据并确定缺陷类型，用于后续的导出或打印，制作检测报告。需要说明的是，信息处理单元在对来自传感模块1采集到的数据信息进行处理的过程是非常复杂的，必须要与所述数据库服务器中记载的典型机械缺陷数据存在一致性，也就是提取数据的特征值，这样才能进行对比，进行最终的缺陷判断。然而为了达到这个目的，需要对数据进行如下处理和变换：

首先，需要将采集到的数据进行傅里叶变换FFT，结合小波变换，将频率和时域进行分析，提取特征值数据，然后再与典型机械缺陷数据进行对比确定机械缺陷。

为了进一步的细化检测系统，优选地，所述在线检测装置包括与所述传感模块同轴电缆电性连接的数据采集模块，所述数据采集模块电性连接有工控主板，所述工控主板分别将来自于数据采集模块的原始数据和处理之后的数据通过电性连接的显示屏显示，同时将原始数据和处理之后通过网络模组发送至变压器智能管理平台；所述在线检测装置还包括供电单元，所述供电单元包括作为外接电源的电源适配器，用于独立存放电的锂电池组，以及连接并管理所述电源适配器和锂电池组的电池管理模块。

优选地，所述加速度传感器的型号采用PCB：60C301，测量范围为±50g，频率范围为0-20kHz，灵敏度为100mV/g。

优选地，所述数据采集模块包括用于将来自于传感模块中的加速度传感器输出的模拟信号进行转换的模数转换单元，所述模数转换单元包含采样保持电路。

优选地，所述采样保持电路包括一个可根据信号控制开断的单位增益电压跟随器，所述单位增益电话跟随器由两个运算放大器OP₁和OP₂组成，所述第一运算放大器OP₁的低电位输入端通过串联电阻R₁分别与第二运算放大器OP₂的低电位输入端和输出端连通；所述第一运算放大器OP₁的输出端与第二运算放大器OP₂的高电位输入端之间设置有开关S，所述开关S通过逻辑单元电路A控制，所述逻辑单元电路A与采样保持电路的采样端u_L连接；所述电阻R₁与第一运算放大器OP₁的输出端之间并联连接有相对设置的保护二极管D₁和D₂，所述第二运算放大器OP₂的高电位输入端通过相互串联的电阻R₂和电容C₀接地。

优选地，所述传感模块还包括用于获取检测环境的温湿度传感器。

优选地，所述数据库服务器中包括单一机械部件存在的裂纹、缩孔、缩松、气孔、疲劳及夹渣数据，以及多个组合机械部件存在的紧固件松动、接触受压不均和接触不良的声纹振动数据样本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本实用新型通信结构示意图；

图2在线检测装置的内部结构原理连接示意图；

图3是本实用新型对采集数据的处理原理框图；

图4是在线检测装置内用于模数转换的采样保持电路图；

图5傅里叶变换前后的数据频谱对比图；

图6是小波变换数据频谱对比图；

图中：1-传感模块；2-在线检测装置；3-信息处理器；4-变压器只能管理平台；5-PC终端；6-电源适配器；7-锂电池组；8-电池管理模块；9-工控主板；10-数据采集模块；11-显示屏；12-网络模组。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

结合说明书附图1和3所示的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，包括由多个加速度传感器组成并采用磁铁吸附方式固定在待检测变压器的箱体表面且靠近ABC三相位置上的传感模块1，所述传感模块1通过同轴电缆通信连接有用于接收并处理来自传感模块1的模拟信号的在线检测装置2，所述在线检测装置2内置有用于数据筛选、清洗、记录和运算的信息处理单元3，所述在线检测装置2通过无线通信方式与变压器智能管理平台4交互通信，所述变压器智能管理平台4由PC终端5和数据库服务器组成。结构原理简述：本实用新型是通过利用对比检测到的声纹振动数据与变压器可能存在的典型机械缺陷数据库进行对比获取并确定变压器可能存在的机械缺陷，从而达到提前预防，提前排除，减少因变压器异常故障导致的直接或者间接的经济损失的目的。然而，变压器由于是常年通电的高压输变电设备，在带电检测方面存在一定的技术难题。本实用新型采用永磁体能够有效的将加速度传感器牢牢的吸附在需要测量的点进行检测，这样也能有效的屏蔽带电检测中的电磁干扰，能够使加速度传感器采集到完整而精确的振动信号，保证数据的真实性和准确性。然后将采集到的信号发送到在线检测装置2中进行转换，将模拟信号转换成数字信号，通过信息处理单元3按照系统预设的逻辑进行处理，最后发送到变压器智能管理平台4中进行比对，人们通过PC终端5获取到最终的缺陷数据并确定缺陷类型，用于后续的导出或打印，制作检测报告。需要说明的是，信息处理单元3在对来自传感模块1采集到的数据信息进行处理的过程是非常复杂的，必须要与所述数据库服务器中记载的典型机械缺陷数据存在一致性，也就是提取数据的特征值，这样才能进行对比，进行最终的缺陷判断。然而为了达到这个目的，需要对数据进行如下处理和变换：

首先，需要将采集到的数据进行傅里叶变换FFT，结合小波变换，将频率和时域进行分析，提取特征值数据，然后再与典型机械缺陷数据进行对比确定机械缺陷。

其次，需要说明的是，本实施例利用的傅里叶变换FFT和小波变换的计算方式，对于数据的处理方式本身是现有的技术，是由傅里叶在1807年提出的，只是后人在该基础上进行了一定的改进，但是其原理并未做变换。本实施例是利用该傅里叶变换FFT原理利用到声纹振动的采集数据的后期处理上，其原理是将连续的不间断的数据频率根据缺陷特征的数据特点获取到既定的一些特殊频率数值，这样才能够方便对比如图5所示。但是傅里叶变换也不是万能的，对于非常稳定的，诸如正玄波一样稳定的信号，通过傅里叶变换也是无法获得到我们需要的特征值数据的，因此，在这里会运用到小波变换的原理，如图6所示，经过小波变换，我们可以把频谱非常稳定的图谱中的特征值提取出来，这样就可以获取到变压器在被进行声纹振动检测中的缺陷特征值，经过将频率和时域分析相结合，就可以确定变压器是否具有缺陷，以及缺陷的种类。已达到我们需要对变压器机械缺陷进行精准检测的目的。

实施例2：

在实施例1的基础上，进一步结合说明书附图1-4所示，所述在线检测装置2包括与所述传感模块1同轴电缆电性连接的数据采集模块10，所述数据采集模块10电性连接有工控主板9，所述工控主板9分别将来自于数据采集模块10的原始数据和处理之后的数据通过电性连接的显示屏11显示，同时将原始数据和处理之后通过网络模组12发送至变压器智能管理平台4；所述在线检测装置2还包括供电单元，所述供电单元包括作为外接电源的电源适配器6，用于独立存放电的锂电池组7，以及连接并管理所述电源适配器6和锂电池组7的电池管理模块8。所述加速度传感器的型号采用PCB：60C301，测量范围为±50g，频率范围为0-20kHz，灵敏度为100mV/g。所述数据采集模块10包括用于将来自于传感模块1中的加速度传感器输出的模拟信号进行转换的模数转换单元，所述模数转换单元包含采样保持电路。所述采样保持电路包括一个可根据信号控制开断的单位增益电压跟随器，所述单位增益电话跟随器由两个运算放大器OP₁和OP₂组成，所述第一运算放大器OP₁的低电位输入端通过串联电阻R₁分别与第二运算放大器OP₂的低电位输入端和输出端连通；所述第一运算放大器OP₁的输出端与第二运算放大器OP₂的高电位输入端之间设置有开关S，所述开关S通过逻辑单元电路A控制，所述逻辑单元电路A与采样保持电路的采样端u_L连接；所述电阻R₁与第一运算放大器OP₁的输出端之间并联连接有相对设置的保护二极管D₁和D₂，所述第二运算放大器OP₂的高电位输入端通过相互串联的电阻R₂和电容C₀接地。

原理简述：在进行原理简述之前，需要明确和强调的是，由于加速度传感器采集到的信号属于模拟信号，但是在后续数据的发送，处理，筛选，对比过程中需要作为数据处理基础的就是数据的类型必须是数字型号，然后模拟信号在转换成数字型号过程中，必须要经历采样保持的阶段，然后这个采样保持阶段是信号转换的关键阶段，也是信号是否存在失真的关键性环节，因此，采样保持电路的设置也显得异常重要。

本实施例中的采样保持电路原理如下：如图4所示，在该采样电路进行工作时，首先让u_L＝1，使得逻辑单元电路A控制开关S闭合，此时,第一运算放大器OP₁和第二运算放大器OP₂形成一个单位增益的电压跟随器，这个时候的u_i、u₀′、和u₀是相等的，进一步地，u₀′是通过电阻R₂对电容C₀进行充电，目的是让u_ch等于u_i，这个过程的时间是非常短暂的，因为整个采样保持电路的电阻非常的小，图4中非常清楚。当u_L＝0时，开关S断开，结束采用，由于电容C₀并没有回路可以放电，因此电压值不会发生变化，故而达到将u₀的结果保持下来，这样就可以避免转换的信号失真的问题。电路中接入了二极管D₁、D₂组成的保护电路的保护原理是：当u₀′和u₀是保持的电压大于一个单一二极管的正向压降是，D₁就会导通，设U_D1为二极管D1的正向导通压降，那么此时u₀′就钳于ui与U_D1之和，当u₀′低于u₀的一个压降时，那么此时u₀′就钳于u_i与U_D1之差。在开关S接通的情况下，由于u₀′几乎等于u₀，所以两个二极管都不导通，保护电路也不起作用，对于采样电路毫不影响。

本实施例中，所述传感模块1还包括用于获取检测环境的温湿度传感器。

本实施例中，所述数据库服务器中包括单一机械部件存在的裂纹、缩孔、缩松、气孔、疲劳及夹渣数据，以及多个组合机械部件存在的紧固件松动、接触受压不均和接触不良的声纹振动数据样本。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：包括由多个加速度传感器组成并采用磁铁吸附方式固定在待检测变压器的箱体表面且靠近ABC三相位置上的传感模块(1)，所述传感模块(1)通过同轴电缆通信连接有用于接收并处理来自传感模块(1)的模拟信号的在线检测装置(2)，所述在线检测装置(2)内置有用于数据筛选、清洗、记录和运算的信息处理单元(3)，所述在线检测装置(2)通过无线通信方式与变压器智能管理平台(4)交互通信，所述变压器智能管理平台(4)由PC终端(5)和数据库服务器组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述在线检测装置(2)包括与所述传感模块(1)同轴电缆电性连接的数据采集模块(10)，所述数据采集模块(10)电性连接有工控主板(9)，所述工控主板(9)分别将来自于数据采集模块(10)的原始数据和处理之后的数据通过电性连接的显示屏(11)显示，同时将原始数据和处理之后通过网络模组(12)发送至变压器智能管理平台(4)；

所述在线检测装置(2)还包括供电单元，所述供电单元包括作为外接电源的电源适配器(6)，用于独立存放电的锂电池组(7)，以及连接并管理所述电源适配器(6)和锂电池组(7)的电池管理模块(8)。

3.根据权利要求1所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述加速度传感器的型号采用PCB：60C301，测量范围为±50g，频率范围为0-20kHz，灵敏度为100mV/g。

4.根据权利要求2所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述数据采集模块(10)包括用于将来自于传感模块(1)中的加速度传感器输出的模拟信号进行转换的模数转换单元，所述模数转换单元包含采样保持电路。

5.根据权利要求4所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述采样保持电路包括一个可根据信号控制开断的单位增益电压跟随器，所述单位增益电话跟随器由两个运算放大器OP₁和OP₂组成，所述第一运算放大器OP₁的低电位输入端通过串联电阻R₁分别与第二运算放大器OP₂的低电位输入端和输出端连通；所述第一运算放大器OP₁的输出端与第二运算放大器OP₂的高电位输入端之间设置有开关S，所述开关S通过逻辑单元电路A控制，所述逻辑单元电路A与采样保持电路的采样端u_L连接；所述电阻R₁与第一运算放大器OP₁的输出端之间并联连接有相对设置的保护二极管D₁和D₂，所述第二运算放大器OP₂的高电位输入端通过相互串联的电阻R₂和电容C₀接地。

6.根据权利要求1所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述传感模块(1)还包括用于获取检测环境的温湿度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于声纹振动的变压器机械缺陷带电检测系统，其特征在于：所述数据库服务器中包括单一机械部件存在的裂纹、缩孔、缩松、气孔、疲劳及夹渣数据，以及多个组合机械部件存在的紧固件松动、接触受压不均和接触不良的声纹振动数据样本。

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