一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备的制作方法

本发明涉及故障检测设备技术领域，尤其涉及一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备。

背景技术：

大型电力变压器是电力工业中所使用的关键设备之一，其健康状况直接影响电网系统中电力输送的安全性，可靠性和经济效益。绕组是变压器的主要振动源和故障源之一，其振动通过变压器机械结构和绝缘油的耦合传递到油箱壁上，这种振动及其分布特征反映了绕组的振动状态，携带着可能存在的绕组故障信息。

振动分析法通过检测大型电力变压器油箱壁的振动，可以有效地发现可能引发变压器事故的机械结构缺陷。振动分析法相对于传统的化学监测和电器监测方法，具有连续性，非介入性的优势，并且与电力系统无电气连接。

变压器振动状态监测与故障诊断系统是变压器振动分析法的实际应用。目前国内所开发的振动监测系统基本上都用于实验分析研究，尚无可以运用于实际变压器现场的便携式振动检测系统。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，解决了目前国内所开发的振动监测系统基本上都用于实验分析研究，尚无可以运用于实际变压器现场的便携式振动检测系统的技术问题。

本发明实施例提供的一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，包括：

信号采集模块、信号调理模块、嵌入式核心板；

信号采集模块与信号调理模块、嵌入式核心板依次连接；

信号采集模块包括压电加速度传感器、电压采集传感器、电流采集传感器，压电加速度传感器等间距均匀布置在电力变压器的油箱壁上，用于采集电力变压器的油箱壁上的振动信号；电压采集传感器和电流采集传感器用于实时同步采集电力变压器的电压信号及电流信号。

优选地，还包括：网络通信模块，网络通信模块与嵌入式核心板连接，用于实现嵌入式核心板与上位机的网络通信连接。

优选地，网络通信模块通过以太网实现有线网络通信连接或通过wifi实现无线网络通信连接。

优选地，还包括：实时时钟模块，实时时钟模块与嵌入式核心板连接。

优选地，还包括：电源模块，电源模块分别与信号调理模块、嵌入式核心板连接。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，包括：信号采集模块、信号调理模块、嵌入式核心板；信号采集模块与信号调理模块、嵌入式核心板依次连接；信号采集模块包括压电加速度传感器、电压采集传感器、电流采集传感器，压电加速度传感器等间距均匀布置在电力变压器的油箱壁上，用于采集电力变压器的油箱壁上的振动信号；电压采集传感器和电流采集传感器用于实时同步采集电力变压器的电压信号及电流信号，本发明实施例中通过在现场的电力变压器的油箱表面等间距均匀布置有压电加速度传感器，在电力变压器负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的输入电压信号、负载电流信号以及电力变压器油箱表面某一位置处的振动信号，并将信号通过信号调理模块进行放大和滤波处理后，传输至嵌入式核心板基于振动分布特征的故障监测算法进行分析处理，从而对电力变压器绕组故障进行实时诊断，解决了目前国内所开发的振动监测系统基本上都用于实验分析研究，尚无可以运用于实际变压器现场的便携式振动检测系统的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的油箱表面测点分布建立坐标系的示意图；

图3为本发明实施例提供的实验现场图；

图4为本发明实施例提供的正常绕组和故障绕组各次谐波信号振动幅值重心对比示意图；

图5为本发明实施例提供的变压器振动幅值重心变化趋势的12小时记录曲线实例示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，用于解决目前国内所开发的振动监测系统基本上都用于实验分析研究，尚无可以运用于实际变压器现场的便携式振动检测系统的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，包括：

信号采集模块、信号调理模块、嵌入式核心板；

信号采集模块与信号调理模块、嵌入式核心板依次连接；

信号采集模块包括压电加速度传感器、电压采集传感器、电流采集传感器，压电加速度传感器等间距均匀布置在电力变压器的油箱壁上，用于采集电力变压器的油箱壁上的振动信号；电压采集传感器和电流采集传感器用于实时同步采集电力变压器的电压信号及电流信号。

进一步地，还包括：网络通信模块，网络通信模块与嵌入式核心板连接，用于实现嵌入式核心板与上位机的网络通信连接。

进一步地，网络通信模块通过以太网实现有线网络通信连接或通过wifi实现无线网络通信连接。

进一步地，还包括：实时时钟模块，实时时钟模块与嵌入式核心板连接。

进一步地，还包括：电源模块，电源模块分别与信号调理模块、嵌入式核心板连接。

本发明实施例中使用压电加速度传感器测量电力变压器油箱壁的振动信号，将原始振动信号转换为电信号，送入信号调理模块进行进一步处理。信号采集模块实现了对16路传感器信号的同步采样，并且采用SPI串行接口与嵌入式核心板连接。信号调理模块采用模拟电路设计，主要对传感器信号进行放大和滤波处理。网络通信模块与嵌入式核心板连接，可以实现便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备(下位机)与上位机进行有线或无线的网络连接。实时时钟模块实现了系统校时的功能，保证嵌入式核心板(BBB)在每次开机启动时都能保持正确的时间。电源模块为整个电路提供了一套电源管理方案，稳定的电压输出以及防止过充过放的保护机制。嵌入式核心板是整个便携式系统进行控制和运算的核心单元，控制各路传感器数据的采集，协调各模块的运行，并且用于运行基于振动分布特征的故障监测算法。

设备的硬件设计的主要技术指标有：

(1)输入信号

振动信号：9路

电压信号：3路

电流信号：3路

中性点电流信号：2路

(2)输入量程

振动加速度：±2.5g(P-P)，±20g(P-P)

电压：0～100V_AC

电流：0～5A_AC

中性点电流：±200A_AC/DC

(3)精度

振动加速度：＜±5％

电压：＜±3％

电流：＜±3％

中性点电流：＜±3％

(4)频率响应

振动加速度：2Hz-2kHz

采样频率：10kHz

(5)通信方式

有线：以太网

无线：Wifi

为便于理解，以下将对本发明实施例提供的便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备的工作原理进行详细的描述。

使用本发明实施例提供的便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备进行电力变压器绕组故障的实时在线检测过程如下：

1、记录电力变压器在不同负载下的振动

在电力变压器上依据等间距均匀分布的原则布置压电加速度传感器，在负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的输入电压信号、负载电流信号以及电力变压器油箱表面某一位置处的振动信号，获取一天的数据大致可以得到在不同电流、电压下的振动。

2、计算各振动分布特征量

根据测量得到的数据计算振动分布的特征量，包括：振动矢量和，振动幅值重心和振动幅值重心变化趋势。

3、根据分布特征量的计算结果判断变压器绕组是否故障

振动矢量和：

振动幅值重心：

振动幅值重心变化趋势：

其中，各变量定义如下：

i为第i个振动测量点所得数据的标识；

x_i,y_i分别表示第i个测点的横纵坐标；

v_i,j100，表示第i个测点上100Hz基频信号的第j次谐波。

以油箱布置传感器的侧表面为xoy平面，其几何中心为坐标原点，建立坐标系，如图2所示。

步骤3中，各振动分布特征量的计算由运行在嵌入式核心板中的下位机软件完成。绕组故障的分析和诊断主要用到100Hz振动基频分量，因此，在计算振动矢量和与振动幅值重心时，使用快速傅里叶变换(FFT)求取各次谐波频率点上的幅值和相位信息，再选取100Hz振动基频的处的峰值信号进行振动分布特征量中的标量运算和矢量运算，FFT运算具有时间平均的效果，可以反应出在该采样时间段内相应振动分布特征的平均情况。振动幅值重心变化趋势反应的则是在振动的幅值重心在一次采样时间内连续变化的趋势，本发明中使用数据率与系统采样频率相同的数字低通滤波器提取出100Hz频率的时域波形信号，直接进行数值运算，将连续采样点的计算数值连接成轨迹，可反映出振动幅值重心的变化趋势。

由于电流负载情况，变压器结构等不同因素的影响，具体阈值的选取需要综合考虑目标变压器的特性，并在考察一定数目变压器分布特性的基础上确定。为了控制变量以说明绕组变形对振动分布特征的影响，现以同一组绕组在损坏前后的振动幅度重心和振动幅值重心变化趋势为例进行解释。该绕组以短路冲击的形式进行破坏性实验，以达成使之产生形变的目的，并且在短路冲击前后加载10％至100％的电流负载，以模拟实际变压器绕组在不同负载电流的工况下振动分布特征的变化。

当绕组状态正常时，由于组件固连的原因，振幅重心的位置应该在油箱壁正中偏下。而当绕组出现变形时，其振幅重心在垂直方向上会上移，在水平方向上会偏移，如图4所示。

如图5所示，展示了某变压器振动幅值重心变化趋势的12小时记录图线，可以看出，作为一台正常变压器，其振动幅值重心在测量期间局限在一个相对较小的范围之内，通过监测幅值重心随时间的变化，可以达到监测变压器可能存在的故障的目的。

具体的诊断绕组变形的公式可以写作如下形式：

由于各变压器的结构有所不同，故障诊断需要参考绕组正常时振动幅值重心，将绕组正常时的振动幅值重心记作(x₀,y₀),当前测量得到的振动幅值重心记作(x_ac,y_ac)，x_tank,y_tank为油箱的长宽尺寸参数，所求取的振动幅值重心的偏移相对于油箱尺寸的比例记作D_bias，取阈值为10％，也即当D_bias≥10％时，可以认为所测绕组有存在故障的可能性，需要进一步检查确认。

为了便于理解，以下将以一具体实施例对本发明实施例提供的便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备进行电力变压器绕组故障的实时在线检测原理进行详细的描述。

具体实验对象为一台500kV单相油浸式电力变压器。电压、电流及振动的采样装置包括前置放大、抗混叠滤波、AD采样等主要模块，为了能获得较高精度的数据，AD采样位数至少12位，抗混叠滤波器截止频率为2000Hz。进行振动信号采样时，采样频率至少为8192Hz。所采用振动传感器的灵敏度至少为100mv/g。在本实施例中，采集振动信号的采样频率设置为8192Hz，A/D模块采样位数为12位，振动传感器的灵敏度为500mv/g，并采用每间隔1分钟连续采样1秒钟的模式来采集电压、电流及振动信号。

按照等间距均匀分布的原则在变压器油箱壁上布置好压电加速度传感器，记录其位置并按照油箱壁的机械尺寸建立坐标系，为每个测点确定各自的位置权重，用于公式(2)～公式(5)中幅值重心和振动幅值重心变化趋势的计算依据。

对变压器振动进行持续测量(如24小时)，记录数据并绘制被测变压器在不同负载状况下的振动幅值重心和瞬时振动重心轨迹，计算其相应图形信息，包括幅值重心的位置和，瞬时振动重心轨迹的主轴斜率偏转，并与制定的阈值相比较，从而做出关于变压器绕组故障的诊断。

本发明实施例提供了一种便携式电力变压器绕组故障实时诊断设备，包括：信号采集模块、信号调理模块、嵌入式核心板；信号采集模块与信号调理模块、嵌入式核心板依次连接；信号采集模块包括压电加速度传感器、电压采集传感器、电流采集传感器，压电加速度传感器等间距均匀布置在电力变压器的油箱壁上，用于采集电力变压器的油箱壁上的振动信号；电压采集传感器和电流采集传感器用于实时同步采集电力变压器的电压信号及电流信号，本发明实施例中通过在现场的电力变压器的油箱表面等间距均匀布置有压电加速度传感器，在电力变压器负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的输入电压信号、负载电流信号以及电力变压器油箱表面某一位置处的振动信号，并将信号通过信号调理模块进行放大和滤波处理后，传输至嵌入式核心板基于振动分布特征的故障监测算法进行分析处理，从而对电力变压器绕组故障进行实时诊断，解决了目前国内所开发的振动监测系统基本上都用于实验分析研究，尚无可以运用于实际变压器现场的便携式振动检测系统的技术问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。