一种变压器在线监测装置的制作方法

本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种变压器在线监测装置。

背景技术：

变压器在电力系统中承担着电压变换、电能分配和转移的任务，变压器的正常运行是电力系统安全、可靠地经济运行和供用电的重要保证。变压器在长期运行中，容易出现故障和事故。由于引发变压器故障和事故的原因繁多，对故障进行正确诊断和及早预测，就具有更迫切的实用性和重要性。目前，比较普遍的故障诊断方式为：通过油色谱监测装置判断出所出现的故障程度和部分故障类型，但是变压器内部故障的具体位置不容易测出，尤其对于变压器内局部放电位置判断比较难识别。由此可见，现有技术需要进一步改进。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种变压器在线监测装置，用于对变压器的运行状态进行全面评估分析，同时对变压器绝缘情况进行综合评估与诊断。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变压器在线监测装置，用于对变压器本体的运行环境和状态进行实时监测，所述监测装置包括：

油色谱在线分析装置，通过输油管道与变压器本体相连接；

变压器套管在线监测装置，设置在变压器本体上的变压器套管底部；

温度传感器，设置在变压器本体的表面上、变压器本体内部的绕组绝缘绕包外侧以及变压器本体内部的油箱内；

变压器振动传感器和变压器局部放电超声检测传感器，设置在变压器本体的表面上；

以及上位机，通过导电线分别与所述油色谱在线分析装置、变压器套管在线监测装置、温度传感器、变压器振动传感器和变压器局部放电超声检测传感器连接。

优选地，在变压器本体底部设有出油口，在出油口设有开关；出油口与油色谱在线分析装置的进油口端通过输油管道连接。

优选地，所述油色谱在线分析装置与变压器本体之间为平行设置，且二者之间存在间隙，输油管道上包裹有隔热层。

优选地，所述变压器套管有三个，在每个变压器套管的底部分别设置一个变压器套管在线监测装置。

优选地，部分温度传感器设置在变压器本体的各个侧壁表面上，且每个侧壁表面上至少有五个温度传感器。

优选地，在变压器本体内部的绕组绝缘绕包外侧设有一个温度传感器，变压器本体内部的油箱内设有两个温度传感器。

优选地，所述变压器局部放电超声检测传感器设置在变压器本体的各个侧壁表面上，且每个侧壁表面至少有一个变压器局部放电超声检测传感器。

优选地，所述变压器振动传感器设置在变压器本体的各个侧壁表面上，且每个侧壁表面上至少有一个变压器振动传感器。

优选地，所述监测装置还包括显示屏和报警器，上位机通过导电线分别与显示屏和报警器连接。

优选地，所述监测装置还包括与用户、数据处理及收发模块或web服务器进行以太光纤网络通信的通讯控制单元

本发明具有如下优点：

本发明基于多传感器(诸如油色谱在线分析装置、变压器套管在线监测装置、温度传感器、变压器振动传感器和变压器局部放电超声检测传感器)采集与变压器运行环境和状态相关的各种参量，以对变压器运行的状态进行实时监测和评估，适应于不同电压等级的变压器，具有数据传输速度准确、干扰小等优点。此外，上述各传感器灵敏度高，上位机对各传感器采集的数据分析方法科学实用，能够准确反映变压器的运行状态，故障研判准确性高。

附图说明

图1为本发明中一种变压器在线监测装置的结构示意图；

图2为本发明中一种变压器在线监测装置的工作流程图；

其中，1-变压器本体，2-油色谱在线分析装置，3-变压器套管在线监测装置，4-温度传感器，5-变压器振动传感器，6-上位机，7-输油管道，8-变压器套管，9-导电线；

10-出油口，11-开关，12-变压器局部放电超声检测传感器，13-显示屏，14-报警器，15-用户，16-数据处理及收发模块，17-web服务器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，一种变压器在线监测装置，用于对变压器本体1的运行环境和状态进行实时监测。上述监测装置包括：

油色谱在线分析装置2，通过输油管道7与变压器本体1相连接；

变压器套管在线监测装置3，设置在变压器本体1上的变压器套管8底部；

温度传感器4设置在变压器本体1的表面上、变压器本体1内部的绕组绝缘绕包外侧以及变压器本体1内部的油箱内；

变压器振动传感器5设置在变压器本体1的表面上；

变压器局部放电超声检测传感器12，设置在变压器本体1的表面上；以及

上位机6，通过导电线9分别与油色谱在线分析装置2、变压器套管在线监测装置3、温度传感器4、变压器振动传感器5和变压器局部放电超声检测传感器12连接。

基于上述多传感器，可以采集与变压器运行环境和状态相关的各种参量，以对变压器运行的状态进行实时监测和评估，适应于不同电压等级的变压器。

具体的，在变压器本体1底部设有出油口10，在出油口10设有开关11。出油口10与油色谱在线分析装置2的进油口端之间通过输油管道7连接。

优选地，油色谱在线分析装置2与变压器本体1之间为平行设置，且二者之间存在间隙，输油管道7上包裹有隔热层。

上述设计，有效防止由于输油管道7过热，影响油色谱在线分析装置2的正常工作。

上述隔热层，例如可以采用隔热/保温棉等，当然也可以将地面作为隔热层，即将输油管道7埋入地面内以达到隔热效果。

在实际应用中，油色谱在线分析装置2例如可以采用TMT&D公司生产的N－TCG－6C型变压器色谱在线监测装置，N－TCG－6C型变压器色谱在线监测装置是通过装在变压器本体1底部的一个真空泵，将变压器油抽出，流入色谱分析装置，色谱分析装置将油中的气体分离出来进行相应分量的检测，同时，变压器油回流至变压器本体1。

相应的，在变压器本体1上部还设有回油口，同时，在油色谱在线分析装置2的出油口端与回油口之间增加一条输油管道7。

变压器套管8设置在变压器本体1的顶部，变压器套管8有三个，在每个变压器套管8的底部分别设置一个变压器套管在线监测装置2。

在实际应用中，变压器套管在线监测装置2例如可以采用W-PD2变压器套管在线监测装置，W-PD2是采用微处理器的独立装置，专用于监测工频系统中变压器套管的输出信号，并将其存储在装置内部存储器中，可以根据绝缘老化早期的Gamma参数特性发出报警信号。

部分温度传感器4设置在变压器本体1的各个侧壁表面上，且每个侧壁表面上至少有五个温度传感器，还可以为六个、七个、八个等等。

当每个侧壁表面上设置五个温度传感器4时，各温度传感器4分别位于所在侧壁表面的中心和四个顶点位置，如图1所示。

当然，在变压器本体1内部的绕组绝缘绕包外侧还设有一个温度传感器4，用于检测变压器本体1的内部绕组温度。

在变压器本体1内部的油箱内设有两个温度传感器4，用于检测变压器油温。

本发明中的温度传感器4的测量探头利用可以选用铂热电阻，测量方法为铂热电阻三线制测量方式，变压器油温保护及监测由铂热电阻和数字式温度显示调节仪联合组成。

数字式温度显示调节仪应输出一路4-20mA模拟量至上位机6。

上位机6数据处理采用TMS320F28335组成应用系统。其具有32位浮点DSP处理器，处理变压器各监测装置传感器采集的数据。

变压器振动传感器5设置在变压器本体1的各个侧壁表面上，且每个侧壁表面上至少有一个变压器振动传感器5，例如可以为一个、两个或三个等等。

当每个侧壁表面上设置三个变压器振动传感器5时，各个变压器振动传感器5的安装位置为：在变压器本体侧壁表面下部设置两个，变压器本体侧壁表面中部设置一个。

通过在每个侧壁表面分别设置变压器振动传感器5，可以及时感应到变压器本体1表面的振动，从而及时判断准确判断出振动点的位置。

变压器局部放电超声检测传感器12设置在变压器的各个侧壁表面，且每个侧壁表面至少3个，例如还可以是4个、5个等等。

当每个侧壁表面上有三个变压器局部放电超声检测传感器12时，各变压器局部放电超声检测传感器12的位置选在所在变压器侧壁表面中轴线的上部、中部和下部，采用型号为HT-BEF1501，采样带宽为30kHz-400kHz，中心频率为150kHz的超声波传感器。

通过油色谱在线分析装置2、变压器套管在线监测装置3、温度传感器4、变压器振动传感器5和变压器局部放电超声检测传感器12的具体布置方式，使得本发明可以多方位的从各方面对变压器本体1的异常情况进行监测，从而快速反馈至上位机6。

此外，本发明中的监测装置还包括显示屏13和报警器14，上位机6通过导电线9分别与显示屏13和报警器14连接。显示屏13用来显示相关参数。

优选地，监测装置还包括与用户15、数据处理及收发模块16或web服务器17进行以太光纤网络通信的通讯控制单元。上位机6与变压器本体1的一侧通过螺纹连接，结构简单、便于维修整理、制造成本低，且智能化程度高。

本发明中的数据处理及收发模块16例如可以采用MODBus数据处理器等。

此外，本发明还给出了基于上述变压器在线监测装置的监测方法，大致过程如下：

首先将变压器本体1安装在合适的地面，在变压器本体1的一侧安装可拆卸的油色谱在线分析装置2，位于变压器套管8内部的变压器套管在线监测装置3在变压器套管8工作异常的情况下将相关参数传递至上位机6；变压器本体1表面的温度传感器4、变压器振动传感器5结合油色谱在线分析装置2实时反应整个电力变压器的自身工作情况、周围环境参数传递至上位机6；变压器本体1各个侧壁的变压器局部放电超声检测传感器12根据检测到的变压器本体内部局部放电信号的超声波信号的频率和幅值，并将相关参量传递至上位机6，通过分析同一侧壁表面超声波信号衰减程度的不同，对照比较计算出局部放电位置距离本侧壁的大概位置，通过正反两个侧壁来确定局部放电区域范围，通过四个侧壁的综合数据来确定局部放电在变压器本体1的大致位置；且上位机6与变压器本体1正常工作参数进行对比，进行工作报警，或者通过以太光纤网络远程进行监控或者协调，并综合油色谱参量、铁心接地电流、油温油压参量及例行离线试验数据对变压器本体1整体绝缘状况进行综合评估与诊断，准确识别局部放电位置，全面的对变压器的使用状态进行评估分析。

本发明在对变压器内部故障判定时主要结合温度传感器4与油色谱在线分析装置2数据综合判断，具体判定过程如下：

1.设置油色谱在线分析装置2测得的特征气体成分比值Q编码，如下表1所示；

表1

2.记录变压器内部绕组温度传感器4记录的温度数值T；

3.综合进行故障研判，如下表2所示：

表2

下面结合上述判定方式给出了几种常见故障的判定过程：

3.1变压器局部放电位置定位：

本发明实施例中变压器在线监测装置一共装设了12个变压器局部放电超声检测传感器12，测量时以变压器一角为坐标原点(0,0,0)建立一个变压器的直角坐标系，将本装置中的12个变压器局部放电超声检测传感器的坐标位置分别分层成上层的四个和中层的四个和下层的四个共三组，而局部放电点位置为P(x,y,z)，超声波在油中传播速度为v，到每个点的时间为t₁，t₂，……t₁₂。

这样每组都可以建立一个球面定位方程为：

f_i(x，y，z，v)＝(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²-vt_i²＝0；

其中，i＝1,2,3……12；在数据处理模块中将三层分开来计算，每层的四个变压器局部放电超声检测传感器12测得的球面相交点都会确定一个局部放电位置点P₁,P₂,P₃。

因为超声波传播路径较为复杂，各路径上的传输速度不尽相同，因此每一层确定的局部放电位置并不精确，因此通过三层测得的三个局部放电位置点确定一个圆面，以圆心P₀为球心可以确定一个球体，该球体即位于变压器内局部放电位置范围。

此类故障先利用色谱分析进行宏观故障类型分析，然后通过变压器局部放电超声检测传感器12阵列进行局部放电具体位置研判。

3.2变压器绕组变形故障判定：

本发明实施例中每个侧壁表面上有三个变压器振动传感器5，变压器振动传感器5所测得的振动信号为S(t)，经过快速傅里叶变换得到各个频率分量的能量E_f，其计算式为：

判定时经常采取50Hz，100Hz，150Hz，200Hz频率的分量其能量值来进行判断，其诊断模型如下：

其中，E_T50，E_T100，E_T150，E_T200分别为变压器底部的振动传感器测得的50Hz，100Hz，150Hz，200Hz频率分量的能量，E_F100为变压器侧面中部振动传感器测得的100Hz频率分量能量，C₁，C₂，C₃分别为模型中的判据值；令特征向量T＝[C₁ C₂ C₃]。

正常时测得的特征向量为T_N，某一运行时测得的特征向量为T_X，ΔT＝T_X-T_N＝[ΔC₁ΔC₂ ΔC₃]，当ΔC₁，ΔC₂，ΔC₃均大于零时，则判定变压器内部出现了绕组变形故障。

3.3变压器套管介质损耗在线监测：

通过在变压器套管底部设置的变压器套管在线监测装置3，测得流经套管的电流和所加的电压，通过以下公式计算出介质损耗因数tanδ。

其中：u(t)，i(t)为传感器测得的时域信号，将其进行傅里叶分解，U₀，I₀为电压、电流的直流分量，U_k和I_k分别为第k次谐波的电压、电流分量，分别为第k次谐波的电流、电压的初相位，而介质损耗tanδ就是通过计算电压电流的基波初相位得来。

通过便携式数据处理模块实时观测变压器套管的介质损耗tanδ，正常时介质损耗为tanδ₀当Δtanδ/tanδ₀>0.5时，说明变压器套管内部出现受潮、局部放电的缺陷。

本发明中的变压器故障研判的思想是先根据一种传感器进行宏观的故障类型分析，然后配以辅助传感器进行精确定位或者是故障类型再次确认，具有故障判断准确率高，故障位置判断精确的特点且能包含变压器出现的绝大多数故障。

本发明中的上位机6是一种可以设置常规状态参数并且可以与监测异常情况下的变压器本体1参数进行对比、且及时响应的显示屏13，反映出变压器本体1的故障类型，提醒工作人员采取相应措施保障变压器安全运行。

上位机6的故障诊断及预警功能是整个监测装置的主要组成部分，也是监测装置功能得以实现的关键，所以该部分设计的合理性与准确性至关重要。

绝缘故障诊断及预警功能采用基于多参量的信息融合技术，实现对各类信息的最佳融合。具体实现过程：首先从监测信息中提取有效的特征量，然后将特征量输入预先训练的神经网络，与故障数据库中的故障对比，得出故障类型。

在最后的传感器数据处理中，本发明采用多传感器信息拟合的方式进行数据处理和故障研判。例如在变压器油色谱检测设置一个参数P代表变压器故障系数，当P超过设定的变压器正确运行参数值后，其数值越高反映变压器内部故障越严重，此时某一特征气体(如H₂)的检测传感器会输出一个代表该气体含量的电压值U₁，在进行标定实验后，会获得输入输出曲线，但这种情况会出现较大误差。因为被测量不一定是输出值的一元函数。但是故障参数P的变化不全是因为单一气体含量的变化才导致的，假设另一特征气体(如CO)检测传感器输出代表该气体含量的电压值U₂，那么变压器故障参数可以表示为U₁和U₂共同作用的二元函数P＝F(U₁,U₂)。由此可以利用曲面拟合的方法得到拟合方程：P＝α₀+α₁U₁+α₂U₂+α₃U₁²+α₄U₁U₂+α₅U₂+ε₁，其中α₀～α₅均为常系数，其大小可以根据最小二乘原理，让其满足均方差最小求得。ε₁为高阶无穷小。其中，常系数可以通过标定求出，由此可以得到P＝F(U₁,U₂)的函数关系式。装置对低速采样信号的特征量提取是在现场控制器中完成的：对于交流量，将每一工频周期的有效值作为特征量；对于直流监测量，取每一采集周期的平均值作为特征量。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。