变压器绕组超声波在线三维成像监测方法及系统与流程

本发明涉及变压器绕组检测领域，特别涉及的是变压器绕组超声波在线三维成像监测方法及系统。

背景技术：

电力变压器重要而且昂贵，在运输过程中由于意外碰撞或系统短路故障的强大电动力的作用，可能会立即损坏，但一般仅发生某种程度的绕组变形，此时如不及时发现和修复变形，将可能引发电力系统故障。变压器绕组变形之后，有的立即发生损坏事故，有的则仍可以长时间地运行。绕组已发生变形的变压器常会在相当长时间内继续运行，如不能得到适时的维修，累积效应会进一步发展，即使不再出现短路事故，也会导致变压器非正常地退出运行。正确及时的变形检测能保证变压器故障元件得到及时的替换，无故障元件得到最大限度的使用，从而延长变压器的实际使用寿命。

近年来有关变压器绕组变形检测的研究越来越多，提出了大量的检测方法。由于我国电力电力变压器投入电网的数量不断在增大，传统的离线检测方法已很难满足要求。传统的短路阻抗法、低压脉冲法、频响分析法在绕组变形的检测中取得了一些效果，但这些传统方法都存在着不能在线检测，灵敏性差，抗干扰能力较低，数据获取困难等诸多缺点，更无法对绕组进行实时检测直观分析。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种变压器绕组超声波在线三维成像监测方法，对变压器进行不停电在线监测，从而保证其安全可靠运行，并且可以实现对变压器绕组状态进行定量、直观检测与分析。

为解决上述问题，本发明提出一种变压器绕组超声波在线三维成像监测方法，包括以下步骤：

S1：在变压器外壳上布置超声波的发射探头和接收探头，并进入超声波发射与接收的工作状态，以使超声波在绕组被测点发生反射；

S2：根据超声波发射和接收的时差、波速及发射探头和接收探头的布置位置计算绕组距离，根据绕组距离将被测点位置转换为变压器绕组模型坐标系下的坐标值，其中，将发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离作为被测点在一轴上的坐标值，另外两轴上的坐标值根据发射探头、变压器外壳和绕组之间的相对位置而确定；

S3：获取多个被测点的三维坐标值，根据各三维坐标值生成一变压器绕组三维图像；

S4：将变压器绕组三维图像和预先建立的变压器绕组三维模型图像比对，以确定变压器绕组是否变形，所述变压器绕组三维模型图像建立在变压器绕组模型坐标系下。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1和S2中，发射探头和接收探头的布置位置的不同则绕组距离的计算方式不同，包括：

若入射波的传播方向与绕组被测点的切平面垂直，超声波发射探头和超声波接收探头布置在变压器外壳的相同位置处；则绕组距离中，发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离即为入射波的传播距离；

若入射波的传播方向与绕组被测点切平面不垂直，且发射探头与接收探头布置在变压器外壳相同表面的不同位置，或者，入射波传播方向与绕组被测点切平面不垂直时，且发射探头与接收探头布置在变压器外壳不同表面；则绕组距离中，发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离根据入射波和反射波的传播距离、夹角及绕组和变压器外壳的空间关系确定。

根据本发明的一个实施例，所述另外两轴上的坐标值中的其中一坐标值为发射探头距中心点的距离，所述中心点为绕组的圆心到靠近发射探头的变压器外壳的垂线的垂点。

根据本发明的一个实施例，在步骤S4中，对所述变压器绕组三维图像中与变压器绕组三维模型图像的相应坐标值不同的被测点坐标值进行标记。

根据本发明的一个实施例，在步骤S4之后还包括步骤S5：根据比对情况及标记情况形成绕组变形诊断报告，并以文件形式导出。

根据本发明的一个实施例，所述变压器为油浸式同芯变压器，其内包括高压侧绕组和低压侧绕组。

根据本发明的一个实施例，采用穿越油道的方法测量变压器低压侧绕组的绕组距离：入射波首先穿越变压器外壳和高压绕组之间的变压器油，之后穿越高压绕组的油道间隙，以到达低压绕组表面。

本发明还提供一种变压器绕组超声波在线三维成像监测系统，包括：

采集模块，用以获取不同绕组被测点测试时的所述超声波的入射波与反射波的时间差；

距离转换模块，用以根据所述超声波的入射波与反射波的时间差及发射探头和接收探头的布置位置计算绕组距离，根据绕组距离将被测点位置转换为变压器绕组模型坐标系下的坐标值，其中，将发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离作为被测点在一轴上的坐标值，另外两轴上的坐标值根据发射探头、变压器外壳和绕组之间的相对位置而确定；

三维图像生成模块，用以获取多个被测点的三维坐标值，根据各三维坐标值生成一变压器绕组三维图像；

变形分析模块，用以将变压器绕组三维图像和预先建立的变压器绕组三维模型图像比对，以确定变压器绕组是否变形，所述变压器绕组三维模型图像建立在变压器绕组模型坐标系下。

根据本发明的一个实施例，所述变形分析模块还用以对所述变压器绕组三维图像中与变压器绕组三维模型图像的相应坐标值不同的被测点坐标值进行标记。

根据本发明的一个实施例，还包括报告导出模块，用以根据比对情况及标记情况形成绕组变形诊断报告，并以文件形式导出。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：基于液体中的超声波测距技术，实现同芯式变压器的带电检测，将变压器绕组检测中获得的超声波信号进行距离转换，以距离量化绕组形变，并将距离映射至三维坐标下，根据各被测点的坐标值生成变压器绕组三维图像，可以直观地观测到绕组形变情况，该三维图像是采用测定的绕组距离构建，在绕组不发生形变时的绕组距离对应的三维图像可以作为变压器绕组三维模型图像，从而变压器绕组三维图像与变压器绕组三维模型图像对比时，即可一目了然地获知绕组变形位置及程度，实现对变压器绕组在线监测，且能够定量、直观检测与分析。

附图说明

图1为本发明实施例的变压器绕组超声波在线三维成像监测方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的变压器绕组超声波检测时的示意图；

图3为本发明另一个实施例的变压器绕组超声波检测时的示意图；

图4为本发明实施例的模拟健康绕组三维图像；

图5为本发明实施例的模拟变形绕组三维图像；

图6为本发明实施例的模拟变压器绕组变形情况三维对比图；

图7为本发明实施例的变压器绕组的实时三维图像；

图8为本发明实施例的变压器绕组的变形情况三维对比图。

具体实施方式

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。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明提出一种变压器绕组超声波在线三维成像监测方法，包括以下步骤：

S1：在变压器外壳上布置超声波的发射探头和接收探头，并进入超声波发射与接收的工作状态，以使超声波在绕组被测点发生反射；

S2：根据超声波发射和接收的时差、波速及发射探头和接收探头的布置位置计算绕组距离，根据绕组距离将被测点位置转换为变压器绕组模型坐标系下的坐标值，其中，将发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离作为被测点在一轴上的坐标值，另外两轴上的坐标值根据发射探头、变压器外壳和绕组之间的相对位置而确定；

S3：获取多个被测点的三维坐标值，根据各三维坐标值生成一变压器绕组三维图像；

S4：将变压器绕组三维图像和预先建立的变压器绕组三维模型图像比对，以确定变压器绕组是否变形，所述变压器绕组三维模型图像建立在变压器绕组模型坐标系下。

超声波的生成、发射、接收方式可以是现有技术中的相应方式，超声波在变压器内的波速可预先获得，并可根据变压器内环境状态变化(温度)而相应调整，可采用计时装置对波的传播进行计时。

在利用超声波法测量变压器绕组变形的过程中，由于变压器绕组并非直平面，发射探头和接收探头的布置位置的不同则绕组距离的计算方式不同，故可以分为三种不同的测量情况。当入射波(超声波)垂直入射，即入射波的传播方向与绕组被测点的切平面法线平行时，这时超声波的发射和接收为最理想的情况。此时反射波和入射波的传播路径基本一致。只要将超声波接收探头安放在紧挨着发射探头的位置就可以接收到反射波。如果入射波为非垂直入射，则入射波与绕组被测点的切平面法线之间具有一定的夹角，反射的超声波并非沿原路返回，则接收探头的安放位置需要经过较为复杂的计算。此时又要分为发射探头与接收探头放置于变压器外壳相同表面或不同表面两种情况考虑，绕组距离中，发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离根据入射波和反射波的传播距离、夹角及绕组和变压器外壳的空间关系确定。

若入射波的传播方向与绕组被测点的切平面垂直，超声波发射探头和超声波接收探头布置在变压器外壳的相同位置处，则计算方式为：设超声波在变压器油中的传播速度为已知量v，超声波在变压器外壳表面与绕组表面之间传播往返所需时间为t，则有

$L=\frac{1}{2}vt---\left(1\right)$

式中，L为超声波探头至绕组表面的距离，根据(1)式即可计算出发射探头处的变压器外壳至绕组之间的距离，该距离可以作为被测点在Y轴上的坐标值。

如果考虑变压器箱体钢板的厚度，则(1)式可改写为

$L=\frac{1}{2}vt+\mathrm{\Δ}L---\left(2\right)$

式中，ΔL为变压器箱体钢板厚度。

参看图2，若入射波的传播方向与绕组被测点切平面不垂直，且发射探头与接收探头布置在变压器外壳相同表面的不同位置。图2中，将发射探头置于A处，接收探头置于B’处，绕组圆心为O，绕组被测点为C，OO′为绕组圆心到靠近发射探头处的变压器外壳的垂线，O′为相应垂点，O″为该垂线和绕组外表面的交点，OO″′为绕组圆心到远离发射探头处的变压器外壳(图中为右边面)的垂线，O″′为相应垂点，入射波传播路径为AC，反射波传播路径为CB′。设变压器绕组外表面距变压器外壳下表面的最短距离O″O′为x；设变压器绕组的圆心O距变压器外壳右边面的距离OO″′为y；变压器绕组半径为R；令O′A为z，即发射探头距绕组圆心的距离为z，忽略变压器外壳厚度，则超声波由发射探头垂直入射，穿过变压器外壳，经过变压器油到达绕组表面发生反射，沿着CB′回到接收探头。超声波传播途径的几何推导如下。

因为图中O′A为z已知，且O″O′为x、OO″′为y、变压器绕组半径为R已知。则有

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_3=\mathrm{\θ}=arcsin\frac{z}{R}---\left(3\right)$

AC＝R+x-Rcosθ (4)

θ₁和θ₂为入射波和反射波的夹角的一半，θ₃为绕组被测点C切平面法线与OO′的夹角，θ为中间变量。

则接收探头与发射探头之间距离为

AB′＝tan(θ₁+θ₂)AC＝tan(2θ)AC (5)

则接收探头与绕组圆心距离为

O′B′＝z+tan(2θ)(R+x-Rcosθ) (6)

这样就可以确定发射探头与接收探头放置于变压器外壳相同表面时接收探头的位置。

参看图3，若入射波传播方向与绕组被测点切平面不垂直时，且发射探头与接收探头布置在变压器外壳不同表面(图中为下表面和右表面)。图3中，将发射探头置于A处，接收探头置于B处，绕组圆心为O，绕组被测点为C，OO′为绕组圆心到靠近发射探头处的变压器外壳的垂线，O′为相应垂点，O″为该垂线和绕组外表面的交点，OO″′为绕组圆心到远离发射探头处的变压器外壳(图中为右边面)的垂线，O″′为相应垂点，入射波传播路径为AC，反射波传播路径为CB。设变压器绕组外表面距变压器外壳下表面的最短距离O″O′为x；设变压器绕组外表面距变压器外壳下表面的最短距离O″O′为x；设变压器绕组的圆心O距变压器外壳右边面的距离OO″′为y；变压器绕组半径为R；令O′A为z，即发射探头距绕组圆心的距离为z，忽略变压器外壳厚度，则超声波由发射探头垂直入射，穿过变压器外壳，经过变压器油到达绕组表面发生反射，沿着CB回到接收探头。超声波传播途径的几何推导如下。

因为图中O′A为z已知，且O″O′为x、OO″′为y、变压器绕组半径为R已知。则有

θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ (7)

$sin\mathrm{\θ}=\frac{z}{R}---\left(8\right)$

AC＝R+x-Rcosθ (9)

将超声波回波的传播路径延伸到变压器外壳与安置发射探头相同的外表面上的B′处，则有

AD＝tan(θ₁+θ₂)AC＝tan(2θ)AC (10)

ΔACD与ΔEBD为相似三角形，则有

$\frac{BE}{AC}=\frac{ED}{AD}=\frac{AD-y+O^{\′}A}{AD}---\left(11\right)$

进而将已知量带入公式11中，可得

$BE=\frac{AD-y+z}{tan\left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(12\right)$

$BE=R+x-Rcos\mathrm{\θ}+\frac{z-y}{tan\left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(13\right)$

式(13)中的位置B就是接收探头的安放位置，BE就是接收探头与变压器两外表面交界处之间的距离。这样就可以确定发射探头与接收探头放置于变压器外壳相同表面时接收探头的位置。

在一个实施例，所述另外两轴上的坐标值中的其中一坐标值为发射探头距中心点的距离，所述中心点为绕组的圆心到靠近发射探头的变压器外壳的垂线的垂点。

具体的，在变压器绕组模型坐标系中，经距离转换推导获得的发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离作为被测点在Y轴上的坐标，发射探头距绕组中心点的距离O′A可作为被测点在X轴上的坐标，中心点为绕组的圆心到靠近发射探头的变压器外壳的垂线的垂点，发射探头距变压器外壳底面的垂直距离可作为绕组被测点在Z轴上的坐标。从而获得绕组被测点在变压器绕组模型坐标系三个轴向上的坐标，利用这一坐标即可绘制出通过超声波法检测到的变压器绕组三维图像。

在一个实施例中，在步骤S4中，对所述变压器绕组三维图像中与变压器绕组三维模型图像的相应坐标值不同的被测点坐标值进行标记。图4为模拟健康绕组三维图像，作为变压器绕组三维模型图像。当绕组发生形变时，生成的变压器绕组三维图像如图5所示。

对比图4和图5，当变压器绕组发生形变时，生成的变压器绕组三维图像将会发生明显变化，绕组发生外凸形变的部分在图像中呈现为上凸，或者可以进一步标记为与其他部分不同的颜色，随着绕组形变量的增大颜色逐渐变化更多。相应的，图像中发生内凹形变的部分在图像中呈现为下凹，或者同样可以进一步标记为与其他部分不同的颜色，颜色随着形变量增加而逐渐变化更多。此外，还可以通过对三维图像的旋转，清晰的看到绕组的变形情况。

生成三维图像后，还可对绕组变形情况进行分析。将图4和图5进行对比分析，可以生成变压器绕组变形情况对比图，如图6所示。图像中平缓部分代表变压器绕组的相应位置处于正常状态。绕组发生外凸形变的部分呈上凸，若有颜色标记，还可随着绕组形变量的增大颜色逐渐变深；而发生内凹形变的部分呈下凹，颜色随着形变量增加而逐渐变浅。从而可通过颜色标记，直观地分辨出变压器绕组的形变位置和形变严重程度。此外，系统还能以坐标的形式反映出变压器绕组各被测点的形变大小，从而实现对变压器绕组变形的定量分析，如图6所示。

变压器可以为油浸式同芯变压器，其内包括高压侧绕组和低压侧绕组。采用穿越油道的方法测量变压器低压侧绕组的绕组距离：入射波首先穿越变压器外壳和高压绕组之间的变压器油，之后穿越高压绕组的油道间隙，以到达低压绕组表面。

在一个具体的实施例中，对上海市浦东区某SBH15-M-400/10型油浸式电力变压器的高压绕组侧进行了现场带电在线测试。测试前，根据该变压器的结构图纸进行建模，事先确定了超声波探头的安放方案，并在变压器油箱表面有加强筋的部分，根据实际情况对超声波探头的安放位置进行优化和调整。测试时，选用CG-98型甘油超声波耦合剂，将超声波耦合剂均匀涂抹于超声波探头上用以消除探头与变压器壁的空气间隙。将超声波探头以绕组上端为起始位置沿纵向方向慢慢等间隔向下移动，每移动一个间隔进行一次测量，直到沿纵向测完一条线，然后将超声探头沿水平方向平移一个间隔，再沿纵向从绕组上端向下慢慢移动并逐点测量完纵向各点，依此类推，超声探头扫完高压绕组全部表面，即可获得高压绕组表面各点相对油箱箱体表面距离的数据。这些采样数据经过上位机距离转换算法处理可获得被测点在变压器绕组模型坐标系三个轴向上的坐标，其中纵坐标为绕组被测点距发射探头处的变压器外壳的距离，如表1所示。

表1 变压器绕组状态测量数据

由表1可见，对油浸式变压器进行高压绕组测试，实际测试误差在毫米级别，分辨能力很高，并且有较高的精确度。可以较准确的对绕组实时状态进行检测。根据以上数据可实时获得变压器绕组三维图像。现截取出绕组变形情况最为严重的三维图像片段，如图7所示。由图8可以看出，测试绕组片段的第一匝右侧发生一处外凸形变，其形变量为1.4cm。第二匝中部发生一处内凹形变，其形变量为8mm，其余各部位无明显形变情况。上述图形表明该变压器绕组变形情况良好，可以正常运行。

进一步的，在步骤S4之后还包括步骤S5：根据比对情况及标记情况形成绕组变形诊断报告，并以文件形式导出。在一个实施例中，首先将距离转换所需的信号(时间信号、温度信号等)保存到Excel文件中，通过图像界面的文件打开模块打开Excel文件。通过距离转换算法将信号转换成测量点的坐标，生成变压器的实时三维图像。再将此图像与预存的变压器数学模型对比分析，给出变压器变形情况对比图，通过文档的形式给出变压器绕组变形诊断报告，并导出。

本发明还提供一种变压器绕组超声波在线三维成像监测系统，包括：采集模块，用以获取不同绕组被测点测试时的所述超声波的入射波与反射波的时间差；距离转换模块，用以根据所述超声波的入射波与反射波的时间差及发射探头和接收探头的布置位置计算绕组距离，根据绕组距离将被测点位置转换为变压器绕组模型坐标系下的坐标值，其中，将发射探头处的变压器外壳到绕组被测点的距离作为被测点在一轴上的坐标值，另外两轴上的坐标值根据发射探头、变压器外壳和绕组之间的相对位置而确定；三维图像生成模块，用以获取多个被测点的三维坐标值，根据各三维坐标值生成一变压器绕组三维图像；变形分析模块，用以将变压器绕组三维图像和预先建立的变压器绕组三维模型图像比对，以确定变压器绕组是否变形，所述变压器绕组三维模型图像建立在变压器绕组模型坐标系下。

优选的，变形分析模块还用以对所述变压器绕组三维图像中与变压器绕组三维模型图像的相应坐标值不同的被测点坐标值进行标记。

在一个实施例中，变压器绕组超声波在线三维成像监测系统还包括报告导出模块，用以根据比对情况及标记情况形成绕组变形诊断报告，并以文件形式导出。

关于本发明变压器绕组超声波在线三维成像监测系统的具体内容可参看本发明针对方法部分的实施例描述，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。