CN217605990U - 一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，包括：传感器单元，设于变压器的盖板上，包括光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器、压力传感器；综合监测终端，用于将激光信号发送到传感器单元，使传感器单元中的光纤振动传感器进行信号采集，接收包含振动信号的光谱信号；接收传感器单元中特高频传感器、超声波传感器、压力传感器分别采集的局部放电信号、超声波信号、压力信号，对光谱信号、局部放电信号、超声波信号、压力信号进行处理，实现变压器多状态量的在线监测。本实用新型解决了每一类型传感器配置一个监测终端装置的电气和结构复杂性问题，同时也降低了多参量监测装置的总成本。

Description

一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置

技术领域

本实用新型属于大型变压器绝缘在线监测和故障诊断技术领域，特别涉及一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置。

背景技术

变压器作为电力系统最核心单元，直接影响电力系统的安全运行。电网在向大电压等级、大容量方向发展，对变压器的安全稳定运行有了更高的要求。当前对变压器的监测主要有油中溶解气体监测、变压器局部放电监测、铁心接地电流监测等。当前变压器在线监测技术逐渐成熟，但多数都是各自一体。利用单一参数的监测，完成对变压器运行状态的判断。通过在线监测技术，对变压器运行状态进行监测和健康评估，保证变压器安全稳定的运行。在很大程度上起到了一定的作用，实现了对变压器的实时在线监测。

现有技术中，特高频传感器安装在放油阀处或者手孔处。超声波传感器安装在变压器壁上，为了防止损坏，需要单独设置防护支架。压力传感器安装在升高座手孔处或者开关油路上。特高频局放传感器、超声波传感器和压力传感器位置安装较为分散，走线复杂并且杂乱，给现场施工带来一定难度。与此同时，特高频传感器和压力传感器在安装时，因为与一次本体直接接触，在安装牢固度和密封性上要求较高。安装的传感器和监测单元分散布置、预留接口多，存在防护能力低、变压器二次接线复杂、变压器有漏油隐患、安装和运维成本高等不足。同时针对单一状态量的监测装置，缺少变压器故障状态下对多状态量的故障判断依据。因此，急需开发一款基于多参量的变压器在线监测系统，在结构上对多种传感器进行集成，减少现场走线数量，降低传感器潜在安装风险，以提高变压器故障诊断效率。

实用新型内容

为了克服单一参量监测装置存在的弊端，本实用新型提出一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置。将变压器常规盖板融合光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器和压力传感器，实现传感器与变压器本体的一体化设计和安装，在变压器出厂试验阶段即可进行状态监测和性能试验，实现真正意义上的变压器全寿命周期状态监测。综合监测终端实现传感器信号的采集和处理，通过光纤以太网传输到后台系统。后台系统可以提供站内运行的人机界面，实现状态监测数据的特征提取和展现(包括实时数据、历史趋势等)，及变压器的故障诊断和状态预警等功能。

其中光纤振动传感器采用宽频带FBG光纤光栅阵列传感器，用于监测变压器运行时，铁心和绕组产生的振动加速度和振动频率，判断其运行是否存在异常。局放监测采用特高频传感器和超声波传感器相结合，既可以监测局部放电的大小，同时也能对局部放电的位置进行监测。压力传感器对变压器运行时内部压力进行监测，通过压力可以判断变压器内部油压及产生气体情况。智能盖板技术的应用，提升变压器重点关注区域监测的针对性和有效性，降低单一参量监测中误差的影响。

本实用新型主要对变压器运行过程中铁心和绕组振动参数、局放参数和内部压力参数进行监测。局放监测方面采用特高频传感器和超声波传感器相结合方式，既可以实现局部放电大小的监测，也可以实现局部放电位置的监测。特高频局放传感器频带在300MHz～1500MHz，测量范围在1pC～10000pC，测量精度为5pC，采样频率为100MS/s。超声波传感器监测频率范围为20Hz～200kHz，灵敏度为80dB，采样率为1M/s。铁心和绕组振动监测方面选用FBG光纤光栅阵列传感器，该传感器具有宽频带特性。检测频带为0～1kHz，解调频率为5kHz，检测振幅为0～5g。光纤光栅是由多组腔阵列构成，针对变压器振动特点，对特定频率内的振动信号进行检测。压力监测方面采用高频动态压力传感器，其具有高的固有频率、极短的上升时间和宽范围的响应频带，以保证足够的动态测压精度。上述信号经过传感器采集后，通过综合监测终端进行信号处理，实现信号的放大、滤波和模数转化。CPU单元完成数据的处理和计算，通信单元通过光纤以太网传输到后台系统。后台系统实现状态监测数据接收、存储、特征提取、诊断分析、显示功能。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，包括：

传感器单元，设于变压器的盖板上，包括光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器、压力传感器；

综合监测终端，包括：

光纤振动传感器处理单元，与光纤振动传感器连接；

特高频传感器处理单元，与特高频传感器连接；

超声波传感器处理单元，与超声波传感器连接；

压力传感器处理单元，与压力传感器；

CPU单元，与光纤振动传感器处理单元、特高频传感器处理单元、超声波传感器处理单元、压力传感器处理单元连接。

所述光纤振动传感器处理单元，包括顺序连接的耦合单元、信号接收单元、第一信号处理单元、第一模数转换单元，以及与耦合单元顺序连接的隔离单元、可调激光源；所述耦合单元与光纤振动传感器连接，第一模数转换单元与CPU单元连接。

所述特高频传感器处理单元，包括顺序连接的量程转换单元、信号调理单元、第二信号处理单元、第二模数转换单元；所述量程转换单元与特高频传感器连接，第二模数转换单元与CPU单元连接。

所述信号调理单元采用运算放大器，所述运算放大器的正向输入端依次通过电阻R9、电容C7与量程转换单元连接，所述电阻R9、电容C7之间的结点接地；所述运算放大器的负向输入端通过电阻R10接地，还通过电阻R11与运算放大器的输出端连接；参考电压正端、参考电压负端分别与正电源、负电源连接，参考电压正端、参考电压负端之间连有电容C10；所述运算放大器的输出端经电阻R12与第二信号处理单元连接。

所述超声波传感器处理单元，包括顺序连接的信号接收单元、第三信号处理单元、第三模数转换单元；所述信号接收单元与超声波传感器连接，第三模数转换单元与CPU单元连接。

所述压力传感器处理单元，包括顺序连接的信号隔离单元、第四信号处理单元、第四模数转换单元；所述信号隔离单元与压力传感器连接，第四模数转换单元与CPU单元连接。

所述传感器单元为多个。

分别位于相对两侧变压器盖板上的两个超声波传感器位置对应。

设于变压器同一侧壁的两个超声波传感器，位于所述侧壁水平中心线上，且相对于与水平中心线垂直的中心线对称。

各超声波传感器在变压器的水平截面内到截面A、B、C、D顶点的距离分别为AK1、BK2、CK3、DK4：

其中，k为超声波在油中速度和铁中速度的比值，K1为超声波传感器S1与AC的交点，K2为超声波传感器S2与BD的交点，K3为超声波传感器S3与AC、的交点，K4为超声波传感器S4与BD的交点。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

(1)本实用新型提出了一种基于变压器盖板的多传感器集成方案，实现了变压器与监测传感器的一体化和布置，提升变压器运行安全性和故障监测有效性。在变压器生产过程中就完成了传感器单元的安装，在变压器出厂试验阶段即可进行状态监测和性能试验。解决了传统监测装置只能在变压器投运后才能进行在线监测的问题，实现真正意义上的变压器全寿命周期状态监测。

(2)本实用新型提出了一种同时具备高频信号和低频信号采集、分析处理的综合终端装置，解决了每一类型传感器配置一个监测终端装置的电气和结构复杂性问题，同时也降低了多参量监测装置的总成本。

(3)本实用新型提出了一种基于智能盖板的在线监测装置，实现了变压器的多状态量综合监测用于诊断，进而为变压器故障状态下对多状态量的故障判断提供依据。

(4)本实用新型将超声传感器安装在智能盖板上，探头通过不同位置探入到与变压器油箱内壁平齐位置进行局部监测，无需其他连接件和结构，抗干扰能力、安装及运行可靠性更高。

附图说明

图1本实用新型的系统结构示意图；

其中：1-1、变压器本体；1-2、智能盖板；1-3、智能盖板；1-4、智能盖板；1-5、智能盖板；1-6、传感器单元；1-7、传感器单元；1-8、传感器单元；1-9、传感器单元；1-10、综合监测终端；1-11、后台系统；

图2本实用新型的装置原理图；

其中，2-1、可调激光器，2-2、隔离单元，2-3、耦合单元，2-4、信号接收单元，2-5、第一信号处理单元，2-6、第一模数转换单元1，2-7、CPU单元，2-8、量程转换单元，2-9、信号调理单元，2-10、第二信号处理单元，2-11、第二模数转换单元2，2-12、信号接收单元，2-13、第三信号处理单元，2-14、第三模数转换单元3，2-15、信号隔离单元，2-16、第四信号处理单元，2-17、第四模数转换单元4，2-18、存储单元，2-19、通信单元，2-20、显示单元，2-21、电源单元。

图3局放超声波信号传播路径图；

图4超声传感器布置示意图；

图5信号调理单元电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型的技术方案为：一种基于智能盖板的变压器多状态量变压器在线监测装置，其实现过程具体包括以下步骤：

如图1所示，整个监测系统组成结构为：变压器本体1-1上有智能盖板接口1-2、智能盖板接口1-3、智能盖板接口1-4、智能盖板接口1-5以及其他组部件。传感器单元1-6安装在智能盖板1-2上，传感器单元1-7安装在智能盖板1-3上，传感器单元1-8安装在智能盖板1-4，传感器单元1-9安装在和智能盖板1-5上。传感器单元1-6、传感器单元1-7、传感器单元1-8、传感器单元1-9内部集成光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器以及压力传感器。传感器单元通过射频线、光纤线、带铠电缆线与综合监测终端1-10连接，实现局放信号、振动信号和压力信号的传输。综合监测终端1-10对采集的信号进行处理，通过以太网或者光纤与后台系统1-11连接。后台系统1-11实现对状态监测数据接收、存储、特征提取、诊断分析、显示功能。

本实用新型的工作原理如图1所示，其工作过程为：综合监测终端1-10将处理后的激光信号分别发送到传感器单元1-6、传感器单元1-7、传感器单元1-8和传感器单元1-9。传感器单元中的光纤振动传感器接收到激光信号，将包含振动信息的光谱信号传回。与此同时，特高频传感器、超声波传感器、压力传感器同时将采集到的信号传送到综合监测终端1-10。综合监测终端1-10内部包括电源单元、可调激光源、隔离单元、耦合单元、信号处理单元、模数转换单元、CPU单元、存储单元、通信单元及显示单元等。对采集的特征信号进行处理，并将采集结果发送到后台系统。

(1)变压器局放监测方法

本实用新型通过特高频传感器和超声波传感器对变压器内部局部放电信号进行监测，其中特高频传感器负责实现局放量大小的监测，超声波传感器实现局部放电位置的监测。

局部放电过程中产生的超声波频率一般在40kHz-300kHz之间,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3所示，为本实用新型部署传感器的示意图，其原理如下：

(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。

按照图4局放超声波信号传播路径图，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4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，或者在一定小范围内，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4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。AC与BD为相对边，超声波传感器S1、S2设于AB边，超声波传感器S3、S4和CD边。通过超声波传播速度和不同传感器接收到局放信号的时间，得到不同传感器距离放电位置的距离。根据四个传感器到放电位置的距离，对局部放电位置与四个传感器位置进行最小二乘法求解，得到变压器内部放电位置。

如图1所述，整个监测系统包括变压器本体及相应组部件、传感器单元、综合监测终端以及后台系统。具体实现方式为变压器本体1上有智能盖板接口1-2、智能盖板接口1-3、智能盖板接口1-4、智能盖板接口1-5。传感器单元1-6安装在智能盖板1-2上，传感器单元1-7安装在智能盖板1-3上，传感器单元1-8安装在智能盖板1-4，传感器单元1-9安装在智能盖板1-5上。传感器单元1-6、传感器单元1-7、传感器单元1-8、传感器单元1-9内部集成光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器以及压力传感器。传感器单元中，特高频局放传感器输出通过射频线与综合监测终端1-10连接；光纤传感器通过光纤与综合监测终端1-10连接；压力传感器通过带铠电缆线与综合监测终端1-10连接；从而实现局放信号、振动信号和压力信号的传输。综合监测终端1-10对采集的信号进行处理，通过光纤以太网与后台系统1-11连接。后台系统1-11实现对状态监测数据接收、存储、特征提取、诊断分析、显示功能。上述传感器均为现有技术，其中特高频传感器采用PES-M5型号。

如图2所述，综合监测终端包括可调激光源2-1、隔离单元2-2、耦合单元2-3、信号接收单元2-4、信号处理单元2-5、模数转换单元1 2-6、CPU单元2-7、量程转换单元2-8、信号调理单元2-9、信号处理单元2-10、模数转换单元2 2-11、信号接收单元2-12、信号处理单元2-13、模数转换单元3 2-14、信号隔离单元2-15、信号处理单元2-16、模数转换单元3 2-17、存储单元2-18、通信单元2-19、显示单元2-20以及电源单元2-21。

具体工作原理为：可调激光源以扫点方式，将波长40nm的C波段光分成等间隔的2500个点，通过隔离单元2-2和耦合单元2-3发送到各个传感器单元中的FBR光纤传感器，然后经过信号接收单元2-4接收返回的光谱信号。经过信号处理单元2-5和模数转换单元1 2-6，得到包含振动信息的中心波长数据。通过CPU单元2-7进行数据处理，最后通过通信单元2-19发送到后台系统进行数据计算和显示，得到加速度信息、频率信息和波长信息。特高频传感器采集到的局放信号通过量程转换单元2-8进行初步处理，经过信号调理单元2-9和信号处理单元2-10，对数据进行滤波和放大，再通过模数转换单元2 2-11对信号进行数字化处理。CPU单元2-7对模数化后的信号进行计算，通过通信单元2-19发送到后台系统进行计算和显示。超声波传感器采集到的局放信号通过信号接收单元2-12进行接收，经过信号处理单元2-13和模数转换单元3 2-14进行数据处理，再经过CPU单元2-7处理，通信单元2-19发送到后台系统进行计算和显示。压力传感器采集到变压器内部的非电量压力信息，转换成电信号，经过信号隔离单元2-15发送到监测终端。通过信号处理单元2-16和模数转换单元3 2-17进行信号的放大、滤波和数字化处理。CPU单元2-7进行处理和计算后，通过通信单元2-19发送到后台系统进行计算和显示。存储单元2-18对采集到的局放信号、振动信号、压力信号进行就地存储。通信单元2-19完成综合监测终端和后台系统之间的双向通信。显示单元通过液晶显示单元，对当前综合监测终端运行状态进行显示。电源单元2-21将现场的交流电源，转换成各个功能模块需要的直流电源。完成所有数据采集后，后台系统对接收的数据进行计算、存储和显示，判断变压器当前运行状态。

如图5所示，一种基于智能盖板技术的变压器多状态量在线监测装置,高频传感器输出的信号通过量程转换单元2-8后，接到信号调理单元。信号调理单元通过运算放大器OPA690及外围电路实现。其中量程转换单元输出信号接到C7一端，C7另一端分别接到R8和R9，R8另一端接地，R9另一端接到U2的正输入端第三引脚。U2的第一引脚和地八引脚悬空，第二引脚为负输入端，接到电阻R10和电阻R11,R10另一端接地，R11另一端接U2的第六引脚，同时接到R12的一端，R12的另一端是信号输出，接到信号处理单元10。U2的第四引脚接到-5V电源上，同时接到电容C8和E7一端，C8和E7另一端接到电源地上。第七引脚接到+5V上，同时接到C9和E8一端，C9和E8另一端接电源地。

其工作原理如下：高频传感器输出的信号通过量程转换单元2-8后，通过C7和R9接到运放的正输入端，其中C7可以滤除传感器输出中的直流分量。运算放大器U2通过电阻R11和R10组成放大电路，对输入的INPUT信号进行放大处理，信号放大倍数为1+R11/R10，经过放大后的信号，接到信号处理单元2-10中。

本实用新型中涉及到的各处理单元以及CPU等结构为常规选择，本实用新型在软件以及编程上并无创新，仅仅保护硬件连接关系和位置关系等结构技术特征，本领域技术人员通过本实用新型记载的结构特征，结合常规编程逻辑即可实现本实用新型功能，解决本实用新型技术问题。

Claims (10)

1.一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，包括：

传感器单元，设于变压器的盖板上，包括光纤振动传感器、特高频传感器、超声波传感器、压力传感器；

综合监测终端，包括：

光纤振动传感器处理单元，与光纤振动传感器连接；

特高频传感器处理单元，与特高频传感器连接；

超声波传感器处理单元，与超声波传感器连接；

压力传感器处理单元，与压力传感器；

CPU单元，与光纤振动传感器处理单元、特高频传感器处理单元、超声波传感器处理单元、压力传感器处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述光纤振动传感器处理单元，包括顺序连接的耦合单元、信号接收单元、第一信号处理单元、第一模数转换单元，以及与耦合单元顺序连接的隔离单元、可调激光源；所述耦合单元与光纤振动传感器连接，第一模数转换单元与CPU单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述特高频传感器处理单元，包括顺序连接的量程转换单元、信号调理单元、第二信号处理单元、第二模数转换单元；所述量程转换单元与特高频传感器连接，第二模数转换单元与CPU单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述信号调理单元采用运算放大器，所述运算放大器的正向输入端依次通过电阻R9、电容C7与量程转换单元连接，所述电阻R9、电容C7之间的结点接地；所述运算放大器的负向输入端通过电阻R10接地，还通过电阻R11与运算放大器的输出端连接；参考电压正端、参考电压负端分别与正电源、负电源连接，参考电压正端、参考电压负端之间连有电容C10；所述运算放大器的输出端经电阻R12与第二信号处理单元连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述超声波传感器处理单元，包括顺序连接的信号接收单元、第三信号处理单元、第三模数转换单元；所述信号接收单元与超声波传感器连接，第三模数转换单元与CPU单元连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述压力传感器处理单元，包括顺序连接的信号隔离单元、第四信号处理单元、第四模数转换单元；所述信号隔离单元与压力传感器连接，第四模数转换单元与CPU单元连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，所述传感器单元为多个。

8.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，分别位于相对两侧变压器盖板上的两个超声波传感器位置对应。

9.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，设于变压器同一侧壁的两个超声波传感器，位于所述侧壁水平中心线上，且相对于与水平中心线垂直的中心线对称。

10.根据权利要求1所述的一种基于智能盖板的变压器多状态量在线监测装置，其特征在于，各超声波传感器在变压器的水平截面内到截面A、B、C、D顶点的距离分别为AK1、BK2、CK3、DK4：

其中，k为超声波在油中速度和铁中速度的比值，K1为超声波传感器S1与AC的交点，K2为超声波传感器S2与BD的交点，K3为超声波传感器S3与AC、的交点，K4为超声波传感器S4与BD的交点。

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