一种变压器壳体内故障的定位装置和方法与流程

1.本技术涉及测量装备技术领域，尤其涉及一种变压器壳体内故障的定位装置和方法。


背景技术：

2.目前国内外提出的变压器振动源超声定位方法大多将变压器视为注满油的箱体，未考虑变压器内结构以及金属箱壁对超声信号传播路径与传播速度的影响，若仅采用固定的传播速度来计算局放源的位置会严重影响定位精度。此外当超声波信号传播到金属外壳时，由于全反射的原因，当入射角超过全反射角后，此时传感器将无法采集到来自直达波的局放信号，若此情况下仍采用超声直达波路径来计算的话，会引入极大误差，难以精确的判断局部放电源位置。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本技术提出了一种变压器壳体内故障的定位装置和方法。
4.本技术所采用的技术方案为：
5.第一方面，本技术提供了一种变压器壳体内故障的定位装置，包括：制冷片，安装在所述变压器的壳体外侧，用于降低所述壳体的温度，与所述变压器内的绝缘油形成温度差；温差发电单元，安装在所述变压器的壳体内侧，与所述制冷片的位置相对，用于产生并输出温差电压；多个振动传感器，安装在所述变压器内部，根据传感器最优配置模型确定所述多个振动传感器在所述绝缘油内的最优布置方案，所述最优布置方案为根据预设的所述多个传感器的数量，确定所述多个传感器的最优安装位置，所述多个振动传感器用于在所述绝缘油中的多个不同方位，对所述变压器内的振动情况进行检测并定位；所述多个振动传感与所述温差发电单元相连，以通过所述温差发电单元为所述多个振动传感器供电；超声波透传模块，用于将所述变压器内的振动情况及定位信息发送给位于所述变压器外的终端。
6.在一个示例中，所述传感器最优配置模型包括：将所述振动传感器的各位置分别记为一个作用点，根据预设数量的所述振动传感器对应的作用点，构建多自由度的传感器结构模态分析系统，并根据所述传感器结构模态分析系统中的参数建立对应的运动微分方程，获得对应的特征向量，所述参数包括由所述多个振动传感器的质量参数、阻尼参数和刚度参数构成的质量、阻尼和刚度矩阵；根据所述特征向量建立加权有效独立分配矩阵，利用反向迭代法对所述加权有效独立分配矩阵进行融合误差修正，对所述加权有效独立分配矩阵的主对角线数值点进行筛选，删除小于预设的阈值的所述主对角线数值点，得出所述最优布置方案。
7.在一个示例中，所述多个振动传感器的安装位置包括以下任意一种或多种：在绝缘油内和固定在所述变压器壳体内侧；固定在所述变压器壳体内侧的所述振动传感器与所述壳体之间安装有橡胶缓冲垫，用于阻隔由所述壳体传播的振动信号。
8.在一个示例中，所述温差发电单元包括：第一导电金属组，包含同一方向放置的若干第一导电金属；第二导电金属组，与所述第一导电金属组位置相对，包含若干同一方向放置的若干第二导电金属；所述第二导电金属组的首个导电金属、末尾导电金属与所述多个振动传感器相连，以通过所述温差发电单元为所述多个振动传感器供电；第一导热陶瓷，与所述制冷片的位置相对且固定在所述变压器壳体内侧表面，用于将所述变压器壳体的热量传递给所述第一导电金属组；第二导热陶瓷，设置在所述绝缘油中，与所述第一导热陶瓷位置相对，用于将所述绝缘油的热量传递给所述第二导电金属组；半导体材料，安装在所述第一导电金属组与所述第二导电金属组之间，用于根据所述第一导电金属组与所述第二导电金属组之间温度差产生所述温差电压。
9.在一个示例中，所述装置包括数据处理模块；所述多个振动传感器位于所述变压器内，用于将采集到的多个振动信号转换为对应的模拟电信号，并将所述多个模拟电信号发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块与所述第二导电金属组的所述首个导电金属、所述末尾导电金属相连，以通过所述温差发电单元为所述数据处理模块供电；所述数据处理模块与所述多个振动传感器连接，用于接收到的所述多个模拟电信号转换为对应的脉冲信号，并将所述多个脉冲信号发送给所述超声波透传模块。
10.在一个示例中，所述超声波透传模块包括超声波发射模块和超声波接收模块；所述超声波发射模块与所述第二导电金属组的所述首个导电金属、所述末尾导电金属相连，以通过所述温差发电单元为所述数据处理模块供电；所述超声波发射模块与所述数据处理模块连接，安装在所述变压器的壳体内侧，用于将所述多个脉冲信号发送给位于所述壳体外侧的所述超声波接收模块；所述超声波接收模块，安装在所述变压器的壳体外侧，由外部电源供电，用于将所述多个脉冲信号解码转换为对应的数字信号，并将所述多个数字信号发送给终端。
11.在一个示例中，所述制冷片与所述变压器壳体的接触面积大于所述温差发电单元与所述变压器壳体的接触面积。
12.在一个示例中，所述变压器包括变压器套管和变压器绕组；所述制冷片相对于所述变压器套管安装在所述变压器下方壳体的外侧；所述温差发电单元相对于所述变压器套管安装在所述变压器下方壳体的内侧。
13.第二方面，本技术还提供了一种变压器壳体内故障的定位方法，应用于包含上述任意一个示例所述装置的变压器中，包括：通过安装在所述变压器的壳体内侧的温差发电单元产生并输出电压；所述温差发电单元与安装在所述变压器的壳体外侧的制冷片位置相对设置，所述制冷片用于降低所述壳体的温度，与所述变压器内的绝缘油形成温度差；通过与所述温差发电单元连接的多个振动传感器检测所述变压器内的振动情况，并在所述绝缘油中的多个不同方位对所述振动情况进行定位，所述多个振动传感器安装在所述变压器的内部，根据传感器最优配置模型确定所述多个振动传感器在所述绝缘油内的最优布置方案，所述最优布置方案为根据预设的所述多个传感器的数量，确定所述多个传感器的最优安装位置，所述多个振动传感器通过所述温差发电单元供电；通过超声波透传模块将所述振动情况及定位信息发送给位于所述变压器外的终端；根据所述振动情况分析所述变压器内部故障情况和原因，并通过穷举法对所述故障进行定位。
14.在一个示例中，根据传感器最优配置模型确定所述多个振动传感器在所述绝缘油
内的最优布置方案，具体包括：将所述振动传感器的各位置分别记为一个作用点，根据预设数量的所述振动传感器对应的作用点，构建多自由度的传感器结构模态分析系统，并根据所述传感器结构模态分析系统中的参数建立对应的运动微分方程，获得对应的特征向量，所述参数包括由所述多个振动传感器的质量参数、阻尼参数和刚度参数构成的质量、阻尼和刚度矩阵；根据所述特征向量建立加权有效独立分配矩阵，利用反向迭代法对所述加权有效独立分配矩阵进行融合误差修正，对所述加权有效独立分配矩阵的主对角线数值点进行筛选，删除小于预设的阈值的所述主对角线数值点，得出所述最优布置方案；所述多个振动传感器的安装位置包括以下任意一种或多种：在绝缘油内和固定在所述变压器壳体内侧；固定在所述变压器壳体内侧的所述振动传感器与所述壳体之间安装有橡胶缓冲垫，用于阻隔由所述壳体传播的振动信号。
15.本技术可以实现内部装置自我供电，且检测响应时间快，能够直接测量变压器内部绕组故障传播出的振动信号，无需考虑变压器壳体对振动信号的衰减。同时，该装置采用超声波透传模块传输检测信号，避免传统检测装置中由于变压器壳体开孔可能会带来漏油风险，减小了变压器运行的安全隐患，增强了变压器工作的稳定性。此外，本技术通过在变压器壳体内部优化布置多个传感器，形成最优振动传感器分布阵列，通过计算首个振动波峰的波达时间，实现对故障源的定位，提高了变压器故障检测的准确度，故障测量精度更高，反映信息更丰富。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1用以说明本技术实施例提供的一种变压器壳体内故障的定位装置的结构示意图；
18.图2用以说明本技术实施例中温差发电单元的结构示意图；
19.图3用以说明本技术实施例中超声波发射模块原理图；
20.图4用以说明本技术实施例中超声波接收模块原理图；
21.图5用以说明本技术实施例中超声波接收模块的信号提取电路原理图；
22.图6用以说明本技术实施例中传感器最优配置模型的流程示意图；
23.图7用以说明本技术实施例中最优布置方案的示意图；
24.图8用以说明本技术实施例中变压器内振动信号的波形传播示意图；
25.图9用以说明本技术实施例中传感器的直达波时间示意图；
26.图10用以说明本技术实施例中振动传感器与壳体之间有无橡胶缓冲垫的波形对比示意图；
27.图11用以说明本技术实施例提供的一种变压器壳体内故障的定位方法的流程图；
28.图12用以说明本技术实施例中制冷片的输出功率随散热扇风压变化关系示意图；
29.图13用以说明本技术实施例中传感器进行振动源定位的示意图；
30.其中，
31.110制冷片、120温差发电单元、130振动传感器、140数据处理模块、150超声波发射模块、160超声波接收模块；
32.121第一导电金属组、122第二导电金属组、123第一导热陶瓷、124第二导热陶瓷、125半导体材料；
33.210壳体、220变压器绕组、230绝缘油、240变压器套管；
34.310终端；
35.410故障源。
具体实施方式
36.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
37.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
38.目前，市面上普遍采用的变压器壳体内故障检测方法主要有两种：壳体外加速度传感器法和电气检测法。
39.壳体外加速度传感器法，利用加速度传感器对一台变压器壳体外侧进行多点振动测试，分析了不同副边电压对各个测点振动信号的频谱特性，根据箱体上振动信号幅值与电压平方相关性找到监测铁心状况时的最佳传感器布置区域。这种方法的缺点是传感器需要安装在壳体外部，振动声纹信号是经过固体折反射传播后被传感器接收，难以对振动源进行定位溯源。
40.电气检测法，目前常见的又分为频响分析法和短路电抗法，这些方法均是建立在变压器绕组的电气模型基础上对变压器绕组进行检测，只有在变压器绕组发生明显变形时才能给出较为准确的判断，但对变压器绕组松动、扭曲或轻微变形时灵敏度不高。
41.目前市面上对传感器的优化方法主要采用的是有限元仿真模型，其核心为有效独立法，基本思想是逐步消除对目标振型的独立性贡献最小的自由度，以使目标振型的空间分辨率能得到最大程度的保证。但传统的有效独立法没有考虑测量点处的响应，选择结果中可能包含了平均响应较低的布置方式，且传感器布置在变压器的壳体外侧，无法避免待检测故障信号的干扰因素，也难以对故障源进行定位。
42.为了克服上述现有技术在设计上的不足，本技术提供了一种变压器壳体内故障的定位装置，应用在变压器壳体内，该装置包括制冷片、温差发电单元、多个振动传感器、数据处理模块、超声波透传模块。
43.如图1和图2所示，制冷片110固定在变压器壳体210的外侧，该制冷片外部贴有散热风扇，通过运行该散热风扇对其所接触的部分壳体进行降温。
44.温差发电单元120固定在变压器壳体210的内侧，包括：第一导电金属组121、第二导电金属组122、第一导热陶瓷123、第二导热陶瓷124和半导体材料125。第二导热陶瓷124与制冷片110位置相对。
45.在一个实施例中，第一导热陶瓷123和第二导热陶瓷124的面积为10cm2，制冷片110的面积为20cm2。制冷片110与变压器壳体之210间接触的面积大于第二导热陶瓷124与变压器壳体之210间接触的面积，使变压器壳体210温度降低效果更明显，以便第二导热陶瓷124更好地传递低温区域壳体的热量。
46.在一个实施例中，第一导热陶瓷123设置在绝缘油230中，其位置与第二导热陶瓷124上下相对，用于传递绝缘油230的热量，与第二导热陶瓷124形成温度差。第一导电金属组121包含同一方向放置的若干第一导电金属，该若干第一导电金属依次与第一导热陶瓷123相贴，以便接收第一导热陶瓷123传递的绝缘油230的热量。第二导电金属组122包含同一方向放置的若干第二导电金属，且与第一导电金属组位置交错相对，以便与半导体材料125相接。半导体材料125分为p型半导体和n型半导体。p型半导体材料的载流子主要为带正电的空穴，n型半导体材料的载流子主要为带负电的自由电子。由于载流子极性不同，因此在相同温度梯度的作用下，p型半导体材料和n型半导体材料将产生极性相反的电势差。利用此特性，将一定数量的p型半导体和n型半导体交替设置在第一导电金属组121和第二导电金属组122之间，连接构成温差发电模块，并和第一导热陶瓷123、第二导热陶瓷124一起构成温差发电单元120，利用变压器壳体210与绝缘油230之间的温差可形成范围为0.5
‑
5v的温差电压，为其他位于变压器内部的模块和元器件供电。
47.由于温差发电单元120存在自身内阻，故由塞贝克效应产生的温差电压将共同施加在内阻r和外部负载电阻rl上，则温差发电单元120的输出电压为：
[0048][0049]
其中，δt
g
为温差，α为塞贝克常数，其常用单位为μv/k。
[0050]
回路输出电流为：
[0051][0052]
由此可得，温差发电单元输出功率为：
[0053][0054]
为了获得更大的功率，可以对制冷片110和温差发电单元120做以下几方面调整：(1)采用具有较高优值系数的热电材料，即具有较大的塞贝克系数，较小的热导率和电阻；(2)优化装置结构，获得较大的冷热端温差；(3)调整负载电阻，使温差发电单元工作在最大功率输出点。
[0055]
在一个实施例中，振动传感器130安装在变压器内部，可接收的振动信号入射角度超过26
°
，有效避免振动横波、纵波在壳体210处发生全反射导致的信号测量失败。如图1和图2所示，在本实施例中仅展示振动传感器130与温差发电单元120的连接关系，所以图中只画有一个振动传感器。每个振动传感器的正负极与第二导电金属组122的首个导电金属、末尾导电金属相连，以通过温差发电单元120为该振动传感器130供电。振动传感器130通过检测变压器内的振动信号，来判断其变压器中的故障情况和对故障源的定位。同时，每个振动传感器将对应的的振动信号转换为模拟电信号，并将多个模拟电信号统一发送给数据处理模块140。
[0056]
在一个实施例中，多个振动传感器的数量和位置的确定是按照传感器最优配置模型来布置的，通过获取不同振动传感器阵列布置方式时的有效性，选取有效性最大的布置方案，从而对其布置方式进一步的优化。在对振动传感器的结构模态分析中，实际的结构可
以看成是一个多自由度的振动系统。对于一个多自由度的系统，其运动微分方程可表达为：
[0057][0058]
其中：m、c、k分别为该系统的质量、阻尼及刚度矩阵。
[0059]
将各个振动传感器的位置记为一个作用点，首先计算各点的加权有效独立分配矩阵，其数学表达式为：
[0060]
f
n
×
n
＝φ
t
φ
[0061]
e
n
×
n
＝φf
n
×
m
‑1φ
t
[0062][0063][0064]
其中，φ为振型矩阵，是由n个特征向量为列向量组成的矩阵，为运动微分方程的实特征向量。f
n
×
n
为fisher信息矩阵。e
n
×
n
为有效独立分配矩阵，反映候选作用点的线性无关性。是第i作用点的各阶平均响应，为第i作用点的第r阶振型，ω
r
为第i作用点的第r阶频率。为加权有效独立分配矩阵。
[0065]
通过具有融合误差修正效果的反向迭代法对加权有效独立分配矩阵进行优化，如图6所示，具体流程如下：
[0066]
(1)基于fisher信息矩阵行列式进行传感器优化布置，建立有效独立分配矩阵e
n
×
n
，进一步求取加权有效独立分配矩阵
[0067]
(2)选出有效独立分配矩阵e
n
×
n
对角线元素中的最小值，然后取出该最小值元素。
[0068]
(3)构建融合声波入射角α、变压器壳体箱壁折反射系数β、扩散衰减系数γ的误差修正系数c
d
。
[0069]
(4)根据误差修正系数c
d
重新计算加权有效独立分配矩阵计算公式为：
[0070][0071]
以新的加权有效独立分配矩阵迭代求解，预先设定筛选阈值，删除加权有效独立分配矩阵斜对角线元素中小于阈值所对应的振动传感器位置，保留斜对角线元素中大于阈值所对应的振动传感器位置。
[0072]
(5)将剩余的振动传感器组成新的加权有效独立分配矩阵，重复步骤(2)～(4)直到达到预先设定的传感器个数。
[0073]
利用这种方法选出最优布置方案，能够平均各阶振型的能量分布，参考了较多的系统参数信息，不但提高了空间分辨率贡献能力，且提升了振动传感器的平均响应。
[0074]
如图7所示，本实施例中，预先设定振动传感器的数量为四个，通过上述传感器最优配置模型得出的最优布置方案，设置四个振动传感器的安装位置，在该安装位置下各个振动传感器之间的无关性最强，能够最大程度的对故障源进行全方位覆盖检测，有利于对故障源的反向定位。
[0075]
在一个实施例中，根据上述最优布置方案，振动传感器的安装位置分为两类：安装
在绝缘油内和固定在变压器壳体内侧。如图8所示，从故障源410到变压器壳体210内侧的振动传感器130的传播路径有三条，其中传播路径2指的是从故障源410发出振动信号穿过绝缘油230到振动传感器130最短的路径，即振动信号的直达路径，经过传播路径2传播的振动信号称为直达波信号。传播路径1指的是首先传到变压器的壳体210处，经过壳体210内的传播，再由壳体210传播到振动传感器130。传播路径3指的是振动信号通过变压器内侧箱壁的复杂结构折反射而传播到振动传感器130，经过传播路径3传播的振动信号称为折反射波信号。经过传播路径1和传播路径3传播的振动信号称为非直达波信号。如图9所示，经过传播路径3传播的折反射波信号的传播时间明显比直达波信号的传播时间长，通常在对故障源的溯源定位过程中不予考虑。由于振动信号在金属材质的壳体210中的传播速度比绝缘油230中更快，所以非直达波信号可能比直达波信号更早的到达振动传感器130。而传播路径1与传播路径2均可能作为首波第一个到达振动传感器130的位置，因此对通过不同传播路径到达的振动信号需要做防干扰处理，去除非直达波信号的影响，所以在振动传感器130与壳体210之间设置有橡胶缓冲垫，能够阻隔壳体210对振动信号的传播，从而降低对直达波信号的影响，避免安装在壳体210内侧的振动传感器130对故障源410定位的影响。如图10所示，其中图a为振动传感器与壳体之间设置有橡胶缓冲垫的条件下，振动信号的波形图和频率图；图b为振动传感器与壳体之间没有橡胶缓冲垫的条件下，振动信号的波形图和频率图。可以明显看出，在振动传感器与壳体之间设置橡胶缓冲垫可以有效的消除非直达波对振动信号检测的影响，振动传感器接收的振动信号波形更明显、清晰，在振动信号到达振动传感器时的峰值频率更明显，能够有效地对振动信号的到达时间进行记录，更便于对故障源的定位。
[0076]
通过上述传感器最优配置模型对多个振动传感器进行布置，首先，由于所有传感器都设置在变压器内部，且对个传感器配合，能够有效解决信号入射角较小的问题，能够接受更多方位的振动信号。其次，可以避免变压器壳体箱壁的折反射影响，降低其余信号对变压器故障检测和定位的影响。最后，传播介质对信号的扩散衰减。由于振动信号在绝缘油中以球面波形式进行传播，随着扩散面积的增大，能量逐步衰减。此外，振动信号无论是在绝缘油中传播还是在金属材料如绕组、铁芯或壳体中传播，振动信号都会受到介质材料的阻尼作用，使得振动信号的强度逐渐下降。因此，传输路径越长，即振动传感器距离变压器绕组越远振动信号衰减越严重，传感器位置也应考虑传输路径的影响。所以，传感器最优配置模型还能够合理设置各个传感器与变压器绕组之间的间隔距离。在一个实施例中，数据处理模块140安装在变压器内部，其正负极与第二导电金属组122的首个导电金属、末尾导电金属相连，以通过温差发电单元120为该数据处理模块140供电。该数据处理模块140与振动传感器130连接，用于将接收到的多个模拟电信号转换为对应的多个脉冲信号，并将该多个脉冲信号发送给超声波透传模块。
[0077]
在一个实施例中，超声波透传模块包括超声波发射模块150和超声波接收模块160。
[0078]
超声波发射模块150安装在变压器壳体210内侧，其正负极与第二导电金属组122的首个导电金属、末尾导电金属相连，以通过温差发电单元120为该超声波发射模块供电。超声波发射模块150与数据处理模块140连接，用于将接收到的多个脉冲信号发送给位于变压器壳体210外侧的超声波接收模块160。如图3所示，超声波发射模块150的电路包括与电
阻r4连接的接收端cut_off，电阻r4的另一端连接三极管p1，如型号9012，三极管p1的发射极接5v电源，其集电极接电阻r5，电阻r5另一端接开关sw，开关sw的另一端接cmos管n1，如型号si2302ads，cmos管n1的源极接地，其栅极接电阻r3，电阻r3的另一端接地，三极管p1与电阻r5的两端接变压器t1，变压器的输出端分别接电容c8和电容c9，电容c8的两端接入超声波发射头us
‑
t，如型号t40
‑
16o。超声波发射模块150的电路接收端收到来自数据处理模块140的脉冲信号，将其送入由三极管p1、电阻r4、电阻r5等元器件组成的放大电路，利用该放大电路的输出信号驱动cmos管n1，接着将其脉冲信号加到高频脉冲变压器进行功率放大，电容c8和电容c9为了微调负载电容，达到谐振的效果，将放大后的脉冲信号通过超声波发射头us
‑
t发送出去。超声波发射模块150的超声发射头为压电陶瓷换能，是一种电—力—声转换器，属于电压驱动的范畴，其转换功率与驱动电压呈正比。本技术实施例采用升压比为1：20的高频脉冲变压器升压。此外，利用谐振原理，通过变压器和发射头的匹配，得到近似正弦波的驱动信号。但该匹配方式附带有多信号干扰问题：发射头在驱动信号停止后会因为谐振发射其余不需要的信号，且持续较长时间，直至变压器的次级线包直流电阻上的能量消耗完毕。在远距离传输时，这样就会导致有效信号波和无效余波会同时到达，影响信号传播结果。因此，本实施例附加了一个余波抑制电路，将变压器初级构成回路，利用初级电阻较小的特点，快速消耗掉次级的能量，已达到减少余波干扰，增加信号传播准确率的目的。
[0079]
超声波接收模块160安装在变压器壳体210外侧，由外部电源供电，用于将接收到的脉冲信号解码转换为数字信号，并将该数字信号发送给终端。如图4和图5所示，超声波接收模块160的电路包括集成电路u2，如型号tl852，还包括由超声波接收头us
‑
r、电容c8、电容c9、电感l1组成的接收模块，该接收模块接入集成电路u2的xin。超声波接收模块160的超声波接收头us
‑
r，如型号r40
‑
16o，同样为压电陶瓷换能，由压电陶瓷接收头接收到数字信号装换为电压后，通过谐振回路送入超声波接收模块160的信号调理电路中。本实施例采用专用超声波接收集成电路u2构成的超声波信号检测电路，以便于对该数字信号的选频和变增益，此外采用该集成电路对于灵敏度的改变更加容易,其中gca、gcb、gcc、gcd为增益控制，sout为集成电路u2的积分输出，signal为回波检出后的信号，负跳变有效。如图5所示，本实施例中，超声波接收模块160的信号提取电路采用低电压运放芯片u3a、u3b，如型号lmv358，该提取电路为两部分，前面的部分是提高输入阻抗的一级跟随器，包括低电压运放芯片u3a等元器件，积分输出sout接入运放芯片u3a的正极，用于减小对超声波接收集成电路输出电容积分的影响。第二部分是比较器，包括低电压运放芯片u3b等元器件，第一部分输出的信号经过电阻r5接入运放芯片u3b的负极，以达到输出下降沿较好信号的效果。
[0080]
在一个实施例中，设定变压器套管240所在的一侧变压器壳体210为上方，则制冷片110相对于变压器套管240固定安装在该变压器壳体210的下方的外侧，温差发电单元120相对于变压器套管240固定安装在变压器壳体210下方的内侧。振动传感器130在变压器内部与变压器绕组220的位置相隔一段距离，不与该变压器绕组220相接触。
[0081]
本技术的上述任一实施例的装置中，温差发电单元120、振动传感器130、数据处理模块140和超声波发射模块150全部安装在变压器壳体210的内部，可以实现内部装置自我供电，且检测响应时间快，能够直接测量变压器内部绕组故障传播出的振动信号，无需考虑变压器壳体对振动信号的衰减。同时，该装置采用超声波透传模块传输检测信号，避免传统
检测装置中由于变压器壳体开孔可能会带来漏油风险，减小了变压器运行的安全隐患，增强了变压器工作的稳定性。此外，本技术通过在变压器壳体内部优化布置多个传感器，形成最优振动传感器分布阵列，通过计算首个振动波峰的波达时间，实现对故障源的定位，提高了变压器故障检测的准确度，故障测量精度更高，反映信息更丰富。
[0082]
如图11所示，本技术提供了一种变压器壳体内故障的定位方法，应用于包含上述任意一实施例中所述装置的变压器中，方法包括：
[0083]
s101：启动制冷片，使变压器壳体降温，与绝缘油形成温差。
[0084]
启动固定安装在变压器壳体外侧的制冷片，该制冷片外贴的散热风扇开始运行，对变压器壳体进行降温，使得与制冷片接触的壳体部分温度低于环境温度。由于变压器运行过程中，变压器绕组发热产生的热量消散于绝缘油中，绝缘油温度远高于环境温度，与制冷片温度形成较大的温差。如图12所示，在同一绝缘油温度下，制冷片的散热风扇风压越高，该制冷片输出的制冷功率越大，而在同一散热风扇风压下，随着绝缘油温度的升高，该制冷片输出的制冷功率也相应提高。其中在95℃的绝缘油温度下，制冷片的输出功率随散热风扇风压的变化越明显。根据不同散热风扇风压下发电模块输出功率的变化关系，对不同绝缘油温度的制定适合的散热风扇风压，使得制冷片输出最大制冷功率。
[0085]
s102：利用温差使温差发电单元产生并输出温差电压，为其他变压器内的部件供电。
[0086]
温差发电单元的第一导热陶瓷和第二导热陶瓷分别感应和传递来自绝缘油和制冷片接触部分壳体的热度，形成温差，并根据该温差产生范围为可形成范围为0.5
‑
5v的电压。多个振动传感器、数据处理模块和超声波发射模块均与温差发电单元连接，当该电压大于上述模块和元器件的工作电压时，开始对变压器内部的故障情况进行检测。
[0087]
s103：通过多个振动传感器检测变压器内的振动情况，将检测到的多个振动信号转换为对应的模拟电信号，并发送给数据处理模块。
[0088]
多个振动传感器设置在绝缘油中，对变压器内的故障情况直接进行检测，避免了变压器壳体对检测信号的衰减，以便于对故障源的定位溯源。
[0089]
在一个实施例中，多个振动传感器的数量和位置的确定是按照传感器最优配置模型来布置的，通过获取不同振动传感器阵列布置方式时的有效性，选取有效性最大的布置方案，从而对其布置方式进一步的优化。在对振动传感器的结构模态分析中，实际的结构可以看成是一个多自由度的振动系统。对于一个多自由度的系统，其运动微分方程可表达为：
[0090][0091]
其中：m、c、k分别为该系统的质量、阻尼及刚度矩阵。
[0092]
将各个振动传感器的位置记为一个作用点，首先计算各点的加权有效独立分配矩阵，其数学表达式为：
[0093]
f
n
×
n
＝φ
t
φ
[0094]
e
n
×
n
＝φf
n
×
n
‑1φ
t
[0095]
[0096][0097]
其中，φ为振型矩阵，是由n个特征向量为列向量组成的矩阵，为运动微分方程的实特征向量。f
n
×
n
为fisher信息矩阵。e
n
×
n
为有效独立分配矩阵，反映候选作用点的线性无关性。是第i作用点的各阶平均响应，为第i作用点的第r阶振型，ω
r
为第i作用点的第r阶频率。为加权有效独立分配矩阵。
[0098]
通过具有融合误差修正效果的反向迭代法对加权有效独立分配矩阵进行优化，如图6所示，具体流程如下：
[0099]
(1)基于fisher信息矩阵行列式进行传感器优化布置，建立有效独立分配矩阵e
n
×
n
，进一步求取加权有效独立分配矩阵
[0100]
(2)选出有效独立分配矩阵e
n
×
n
对角线元素中的最小值，然后取出该最小值元素。
[0101]
(3)构建融合声波入射角α、变压器壳体箱壁折反射系数β、扩散衰减系数γ的误差修正系数c
d
。
[0102]
(4)根据误差修正系数c
d
重新计算加权有效独立分配矩阵计算公式为：
[0103][0104]
以新的加权有效独立分配矩阵迭代求解，预先设定筛选阈值，删除加权有效独立分配矩阵斜对角线元素中小于阈值所对应的振动传感器位置，保留斜对角线元素中大于阈值所对应的振动传感器位置。
[0105]
(5)将剩余的振动传感器组成新的加权有效独立分配矩阵，重复步骤(2)～(4)直到达到预先设定的传感器个数。
[0106]
利用这种方法选出最优布置方案，能够平均各阶振型的能量分布，参考了较多的系统参数信息，不但提高了空间分辨率贡献能力，且提升了振动传感器的平均响应。
[0107]
如图7所示，本实施例中，预先设定振动传感器的数量为四个，通过上述传感器最优配置模型得出的最优布置方案，设置四个振动传感器的安装位置，在该安装位置下各个振动传感器之间的无关性最强，能够最大程度的对故障源进行全方位覆盖检测，有利于对故障源的反向定位。
[0108]
s104：通过数据处理模块将接收到的多个模拟电信号转换为对应的脉冲信号，并发送给超声波发射模块
[0109]
s105：通过超声波发射模块将接收到的多个脉冲信号发送给位于壳体外的超声波接收模块。
[0110]
超声波透传模块的超声波传递采用的是振幅键控的传输方式，振幅键控是载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，源信号为“1”时，发送载波，源信号为“0”时，发送0电平。当数字基带信号为二进制时，也称为二进制振幅键控(2ask)，2ask信号的调制方法有模拟幅度调制方法和键控方法两种。超声波发射模块的发射头在驱动信号停止后会因为谐振发射其余不需要的信号，且持续较长时间，直至变压器的次级线包直流电阻上的能量消耗完毕。在远距离传输时，这样就会导致有效信号波和无效余波会同时到达，影响信号传播结果。为了有效的抑制余波效应带来的数据传输的影响，本实施例中设计一组脉冲波来表
示源信号“1”或“0”。脉冲频率为39khz，脉冲频率远大于待测振动信号频率，避免了对模拟信号的干扰。
[0111]
s106：通过超声波接收模块将接收到的多个脉冲信号转换为对应的数字信号，并发送给终端进行处理。
[0112]
超声接收模块设置在变压器壳体外侧，接收到经变压器壳体传输出的超声波脉冲信号，依据发射端编码规则将接收到的脉冲信号解码，转换成数字信号送入终端进行进一步的数据分析。
[0113]
s107：通过终端对接收到的多个数字信号进行故障源定位分析。
[0114]
终端将接收到的多个数字信号进行预处理，将其解析出对应的多个振动信号的基础信息，该基础信息包括：振动信号编号，对应的振动传感器位置，对应振动信号首个波峰的到达时间等。在本实施例中，终端提取出四个振动传感器各对应的首个波峰的达到时间，记做t1、t2、t3和t4。计算单个振动传感器距离故障源的可能距离分别为s1、s2、s3和s4，其计算公式为：
[0115]
s
i
＝t
i
×
u
[0116]
其中，u为振动信号在绝缘油中的传播速度。
[0117]
如图13所示，在变压器内建立与传感器最优配置模型对应的坐标系，通过穷举法确定故障源的位置，其具体步骤为：确定四个振动传感器在坐标系中的坐标点。假定坐标系中所有的坐标点都可能为故障源，将各个坐标代入试验。试验计算后，将坐标系中同时满足距离四个传感器所在坐标分别为s1、s2、s3和s4的坐标点，记为故障源位置。