CN104215203A - 一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法及系统，包括以下步骤：S1：选定一个被测点，超声波发射探头发射超声波信号；S2：使所述超声波信号传播入变压器内部；S3：超声波接收探头接收回波信号，并转化成回波电信号；S4：对所述回波电信号进行优化处理；S5：根据优化处理的回波电信号计算超声波信号在变压器内部的传播时间；S6：对超声波在变压器内部传播的路径进行接收补偿，进而获得被测点距变压器外壳距离；S7：在变压器外壳移动超声波探头到下一个被测点，重复S1-S6；S8：测试全部被测点后，处理数据，给出变压器绕组变形诊断报告。本发明实现了变压器绕组变形的在线监测，易于运用到实际中。

Description

一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法及系统

技术领域

本发明属于电力信息检测技术领域，其涉及一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法。

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边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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，以解决现有的变压器绕组变形不能在线检测的问题。

本发明的第二目的在于提供一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，以解决现有的变压器绕组变形不能及时发现，以致不能适时维修的问题。

本发明的第三目的在于提供一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，以解决现有的变压器绕组变形检测方法存在着灵敏性差，抗干扰能力较低，数据获取困难等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，包括以下步骤：

S1：在变压器外壳上选定一个被测点，发射超声波信号，并开始计时；

S2：接收所述超声波信号的回波信号，并转化成回波电信号；

S3：对所述回波电信号进行优化处理，并停止计时；

S4：对超声波传播路径进行接收补偿，计算被测点距变压器外壳距离；

S5：寻找下一个被测点，重复S1-S4；

S6：测试全部被测点后，处理距离数据，给出变压器绕组变形诊断报告。

较佳地，所述步骤S1进一步包括：通过一高频振荡电路产生高频方波脉冲，所述高频方波脉冲通过激励电路激励超声波发射探头发射超声波信号。

较佳地，所述步骤S1进一步包括：通过自激振荡电路产生高频振荡信号对压电晶片进行激励，产生所述高频方波脉冲，使所述超声波发射探头发射相应频率的超声波。

较佳地，所述步骤S1进一步包括：参考超声波通信的调制方法，通过改变振荡波形占空比的方式得到一个特殊的振荡信号，使所述超声波接收探头接收到的所述回波信号与干扰信号的波形明显不同。

较佳地，所述步骤S1进一步包括：采用低频软探头及超声波耦合剂去除空气薄层，使所述超声波信号顺利传播进入变压器内部。

较佳地，所述步骤S2进一步包括：通过超声波接收探头接收回波信号，并转化为回波电信号。

较佳地，所述步骤S3具体包括：首先，对所述回波电信号进行放大滤波处理，输出放大滤波信号；其次，将所述放大滤波信号进行时间增益补偿或比较整形的优化处理，并输出优化处理的信号；最后，优化处理后停止计时。

较佳地，所述步骤S3进一步包括：进行时间增益补偿时，计算因吸收而使声强增益减少的分贝数；依据超声波在传播距离上幅度减少的分贝数与超声波穿过该距离的时间的关系对衰减的回波信号进行增益补偿，使接收的回波信号波形恢复，并对波形恢复的信号进行二级放大。

较佳地，所述步骤S4进一步包括：停止计时后，获得超声波传播时间；测量温度，依据该温度值计算当前声速，根据当前声速及传播时间进行温度补偿。

较佳地，所述步骤S4具体包括：根据发射超声波信号位置距变压器外壳中心位置的距离计算接收回波信号的位置距变压器外壳中心位置的距离，调整接收回波信号的位置，并根据计时的时间计算被测点距变压器外壳距离。

本发明还提供了一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，包括单片机、发射探头、接收探头、信号优化模块、温度补偿电路及定时器；

所述超声波发射探头发送超声波信号，同时所述单片机控制所述定时器开始计时；所述超声波接收探头接收所述超声波信号的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号输出；所述信号优化模块对所述回波电信号进行优化处理后输出优化回波信号至所述单片机，同时所述单片机控制所述定时器停止计时，定时器输出计时信号；所述温度补偿电路测量温度，并将温度信号输入所述单片机；

所述单片机接收所述温度信号、计时信号以及优化回波信号，根据所述温度信号、计时信号，对所述优化回波信号的传播路径进行温度补偿，计算被测点距变压器外壳距离。

较佳地，还包括电源驱动电路，所述电源驱动电路包括高频振荡电路、激励电路及单片机驱动电路；所述高频振荡电路用于产生高频方波脉冲，所述激励电路用于在高频方波脉冲作用下激励所述发射探头发射超声波信号；所述单片机驱动电路用于驱动所述单片机。

较佳地，所述信号优化模块包括时间增益补偿电路、二级放大电路及比较整形电路；

所述时间增益补偿电路设置有第一阈值，所述比较整形电路设置有第二阈值，所述第一阈值用于选择传输距离大于一定距离的回波信号，所述第二阈值用于选择传输距离小于该一定距离的回波信号；

当回波信号不符合所述第二阈值时，所述放大滤波信号输入所述时间增益补偿电路处理后输出时间增益补偿信号，所述时间增益补偿信号输入二级放大电路处理后输出二次放大的信号至所述单片机；

当回波信号不符合所述第一阈值时，所述放大滤波信号输入所述比较整形电路处理后输出比较整形信号至所述单片机。

本发明公开了基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法及系统，具有检测过程不受电磁干扰，直观反映绕组变形部位和程度，可在变压器运行状态下实时检测等一系列优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明实现了变压器绕组形的不停机在线监测。通过采用超声波测距，超声波信号不会干扰电信号，电信号也不会影响超声波的测距，使得测量时不必关闭变压器，从而不影响其正常的变压工作，抗干扰能力较高。

第二，本发明可直观的判断变压器绕组变形的具体位置。通过采用扫描测量变压器外壳表面各点距离变压器绕组的距离，形成一组变压器外壳至变压器绕组距离的数据报告，可以直接与未变压器的相应数据进行比对，即可分析得出当前变压器绕组的变形情况，数据获取容易，且数据报告直观易懂。

第三，本发明易于运用到实际工程中。采用基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，其超声波探头发送及接收信号，由单片机及相应的其他信号处理电路即可完成距离测量工作，灵敏度较高，便于操作和使用，适合大规模推广至实际的变压器绕组变形检测的作业中。

附图说明

图1是本发明一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法的流程图；

图2为本发明的变压器绕组变形在线检测系统组成框图；

图3变压器绕组基本测量情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此：

本实施例中提供了一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，如图2所示，包括单片机、发射探头、接收探头、信号优化模块、温度补偿电路及定时器；

工作时，首先由电源驱动电路驱动超声波发射探头发送超声波信号，电源驱动电路包括高频振荡电路、激励电路及单片机驱动电路；高频振荡电路产生高频方波脉冲，激励电路在高频方波脉冲作用下激励发射探头发射超声波信号；同时单片机驱动电路驱动单片机开始工作，并由单片机控制定时器开始计时。

其次，超声波接收探头接收所发送的超声波信号的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号输出；信号优化模块对回波电信号进行优化处理：信号优化模块包括时间增益补偿电路、二级放大电路及比较整形电路；

时间增益补偿电路设置有第一阈值，比较整形电路设置有第二阈值，本实施例中，时间增益补偿电路的第一阈值用于选择传输距离大于50cm的回波信号，即小于50cm的信号会被自动剔除，此时小于50cm的放大滤波信号经比较整形电路进入单片机；比较整形电路的第二阈值用于选择传输距离小于50cm的回波信号，即大于50cm的信号会由于衰减较多而被自动剔除无法接收，此时大于50cm的信号会经由时间增益补偿电路和二级放大电路进入单片机。

其中，放大滤波信号输入时间增益补偿电路处理后输出时间增益补偿信号，时间增益补偿信号输入二级放大电路处理后输出二次放大的信号作为优化回波信号至单片机；放大滤波信号输入比较整形电路处理后输出比较整形信号作为优化回波信号至单片机。

单片机接收到优化回波信号后，控制定时器停止计时，定时器输出计时信号至单片机；同时温度补偿电路测量温度，并将温度信号输入单片机。

单片机接收温度信号、计时信号以及优化回波信号，根据温度信号、计时信号对优化回波信号的传播路径进行温度补偿，计算被测点距变压器外壳距离。

本实施例还提供一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，参看图1，该方法包括以下步骤：

S1：选定一个被测点，超声波发射探头发射超声波信号。

电源驱动电路通过一高频振荡电路产生高频方波脉冲，高频方波脉冲再通过激励电路激励超声波发射探头发射超声波信号。其中，该高频振荡电路内包括一自激振荡电路及一压电晶片，自激振荡电路产生高频振荡信号对该压电晶片进行激励，产生上述高频方波脉冲，高频方波脉冲加载在超声波发射探头上使其发射相应频率的超声波。同时电源驱动电路驱动单片机启动定时器开始进行计时。

参考超声波通信的调制方法，通过改变振荡波形占空比的方式得到一个特殊的振荡信号，使所述超声波接收探头接收到的所述回波信号与干扰信号的波形明显不同，便于接收。

本实施例中，超声波通信的调制方法为基本的二进制数字信号调制方法，如2ASK、2FSK或2PSK，相应地改变信号波形占空比的方法参考一般的2ASK、2FSK或2PSK信号波形占空比改变方式，调制后发送超声波脉冲信号。

S2：将所述超声波信号传播入变压器内部。

采用低频软探头及超声波耦合剂去除空气薄层，使超声波信号顺利传播进入变压器内部。

低频软探头保护膜采用橡胶软膜，可以与被测物体表面更紧密的接触，使得超声波探头在接触变压器外壳时不受压力影响，从而其阻抗、静态电容等参数不受影响。另外，使用超声波耦合剂来去除空气薄层。测量时，将超声波耦合剂充满在探头和被检测工件的接触层当中，将超声波探头和被测工件之间的接触面里的空气层排挤掉，使超声波探头可以顺利的发射和接收通过被测工件的超声波。

本实施例中，超声波耦合剂为变压器油。

S3：超声波接收探头接收回波信号，并转化成回波电信号。

超声波接收探头接收变压器绕组反射回来的回波脉冲信号，并由超声波接收探头将超声波回波信号转换为回波电信号，回波电信号为脉冲形式的信号。

S4：对所述回波电信号进行优化处理。

首先，采用滤波放大电路对回波电信号进行优化处理：采用一级放大滤波电路进行滤波放大，输出放大滤波信号。由于超声波在传播的过程中回波信号随着距离的增大会减小并混有杂波，因此需要进行放大滤波，本实施例中一级放大滤波电路采用NE5532来放大信号。NE5532是一款双运放、高性能、低噪声的运算放大器，相比较大多数标准运放，显示出更好的噪声性能，具有相当高的小信号带宽和电源带宽。

其次，传输距离大于50cm的超声波回波信号进入时间增益补偿电路进行增益补偿：

通过时间增益补偿电路来对变压器绕组反射回的衰落较严重的回波信号进行放大。

由于超声波在空气中传播时会产生衰减现象，即声强会随传播距离的增加而减小，因此需要对衰减的信号进行补偿。设最初的声强为I₀，在经过x距离后，由于吸收衰减，声强变为I，则超声波的吸收可以用式(1)表示:

I＝I₀e^-αx                     (1)

式中,α为空气衰减系数。

由上式可知，超声波在空气中传播时，随着传播距离的增加，其总能量逐渐减弱，其规律是按指数形式衰减。因此,在不同距离上的回波脉冲幅度,由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，使回波脉冲幅度的差异很大，由于在回波脉冲信号处理中通常采用比较器电路,将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较,将回波脉冲整形为方波；由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大,回波到达时间产生不确定性,导致测量误差产生。

如果探头发出的超声波，经x距离到达某反射面，并经原路返回，其入射声强和反射声强分别是I_i和I_r，由式(1)可得:

I_r＝I_ie^-αax                         (2)

从中可以看出，因为吸收而使声强增益L减少的分贝数(dB)为:

$I=10\lg \frac{I_i}{I_r}=10\lg e^{2\mathrm{\αx}}=20\mathrm{\αxlge}---\left(3\right)$

L＝4.3×2αx＝4.3αct                   (4)

式中，c为声波在空气中的传播速度，t为传播过程中经历的时间。由于空气衰减系数α，传播速度c均能确定，由此可以证明：超声波在x传播距离上幅度减少的分贝数与超声波穿过该距离的时间t成正比。因而，必须对衰减上的回波进行增益补偿。依式(4)，可以把接收的增益G与回波时间t成正比，或者增益G与回波时间t成指数增加关系，补偿衰减的幅度。最终使接收器接收的信号保持不变。

这种时间增益补偿方式具体实现过程为：

1)把通过实验获得的与一定距离对应的放大增益换算成数字电位器的抽头位置；

2)把这些位置参数固化到Flash中；

3)在测量过程中,单片机通过查表方式获得对应的增益，然后通过串行设置对应增益。

确定接收增益后，将其加载在接收的信号上，即可恢复信号波形，输出时间增益补偿信号至二级放大电路，二级放大电路对时间增益补偿信号进行二次放大后输出二级放大的信号至单片机。

传输距离小于50cm的超声波回波信号进入比较整形电路进行比较整形，输出比较整形信号至单片机。

S5：根据优化处理的回波电信号计算超声波信号在变压器内部的传播时间。

二级放大的信号或比较整形信号输入单片机后驱动单片机控制定时器停止计时，获得计时信号并传输给单片机，由此获得超声波传播时间。

测量所述超声波耦合剂的温度，依据该温度值计算当前声速，根据当前声速对传播时间进行温度补偿。

温度补偿时即为计算当前温度下声速的过程，具体依下式进行：

V_t＝V₀+α(T-T₀)                      (5)

其中V_t即为温度为T时的声速，T₀为标准温度，V₀表示温度为T₀时声速，α为温度系数。相应的，本实施例中变压器油中t₀＝20℃，V₀＝1923m/s，α＝-1.8m/s·℃。则将相应参数带入公式(5)之中即可对声速进行换算，进而对超声波传播时间进行温度补偿。

S6：对超声波在变压器内部传播的路径进行接收补偿，进而获得被测点距变压器外壳距离；

根据接收探头距变压器外壳中心位置距离计算接收探头距变压器外壳中心位置的距离，并放置所述接收探头接收回波信号。

图3反映了高压侧绕组基本的测量情况。由图可见入射超声波与变压器绕组法线有一定角度，回波的返回路线并非沿原路返回，需要用另外单独安置的接收探头来接收变压器绕组反射的回波。

计算表明超声波信号在变压器外壳中的折射造成的超声波传播路径改变可以忽略不计。则设接收探头距中心位置距离为z，令O₃A₂＝x，即发射探头距中心位置距离为x，则有

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_3=\arcsin \frac{x}{R}---\left(6\right)$

A₁P＝d₁+R-Rcosθ₁                     (7)

接收探头放置位置为

A₂B₂＝(A₁P+d₂)arctan(θ₂+θ₃)                       (8)

z₁＝O₃B₂＝O₂A₁+A₂B₂                            (9)

综合式(6)、(7)、(8)、(9)则有

$z_1=x+[d_1+R(1-\cos \left(\arcsin \frac{x}{R}\right))+d_2]\arctan \left(2\arcsin \frac{x}{R}\right)---\left(10\right)$

根据三角函数可知反正切函数的值域在，因此，与x等参数相比其值足够小甚至于可以忽略。

如果忽略了钢板的厚度，则有

$z_1=x+[d_1+R(1-\cos \left(\arcsin \frac{x}{R}\right))]\arctan \left(2\arcsin \frac{x}{R}\right)---\left(11\right)$

则在确定了绕组测量点后通过(11)式可知超声波接收探头的安放位置。

单片机根据步骤S5获得的超声波信号的传播时间、传播速度及计算的接收探头的安放位置，即可得到被测点距变压器外壳距离。

S7：在变压器外壳移动超声波探头到下一个被测点，重复S1-S6，进行下一组数据测量。

S8：测试全部被测点后，处理全部被测点数据，给出变压器绕组变形诊断报告。

本实施例中，将实际变压器绕组截取一段，置于盛有变压器油的钢板箱内构成变压器模型，该变压器模型的布置与实际变压器基本相同。用本发明提供的变压器绕组变形超声检测系统样机对变压器模型进行测试。测试时，以绕组上端为起始位置沿纵向方向慢慢等间隔向下移动，每移动一个间隔就测量一次，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，依次类推，超声探头扫完绕组全部表面，即可获得绕组表面各点相对油箱箱体表面距离的数据,这些数据经过计算机处理，最终给出变压器绕组状态检测报告。

表1 变压器绕组变形测量数据

由表1可见,利用超声的方法对变压器进行测量不仅具有很高的分辨能力,而且精确度高,能准确地检测到绕组变形。

当然，本发明方法实施过程中，不以上述实施例为限，如变压器耦合剂可以为其他不影响变压器性能并利于声波传播的介质，放大滤波电路也可以为其他性能可与该方法匹配的放大滤波电路等等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在变压器外壳上选定一个被测点，发射超声波信号，并开始计时；

S2：接收所述超声波信号的回波信号，并转化成回波电信号；

S3：对所述回波电信号进行优化处理，并停止计时；

S4：对超声波传播路径进行接收补偿，计算被测点距变压器外壳距离；

S5：寻找下一个被测点，重复S1-S4；

S6：测试全部被测点后，处理距离数据，给出变压器绕组变形诊断报告。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

通过一高频振荡电路产生高频方波脉冲，所述高频方波脉冲通过激励电路激励超声波发射探头发射超声波信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

通过自激振荡电路产生高频振荡信号对压电晶片进行激励，产生所述高频方波脉冲，使所述超声波发射探头发射相应频率的超声波。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：参考超声波通信的调制方法，通过改变振荡波形占空比的方式得到一个特殊的振荡信号，使所述超声波接收探头接收到的所述回波信号与干扰信号的波形明显不同。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

采用低频软探头及超声波耦合剂去除空气薄层，使所述超声波信号顺利传播进入变压器内部。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：通过超声波接收探头接收回波信号，并转化为回波电信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：首先，对所述回波电信号进行放大滤波处理，输出放大滤波信号；其次，将所述放大滤波信号进行时间增益补偿或比较整形的优化处理，并输出优化处理的信号；最后，优化处理后停止计时。

8.根据权利要求7所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：进行时间增益补偿时，计算因吸收而使声强增益减少的分贝数；依据超声波在传播距离上幅度减少的分贝数与超声波穿过该距离的时间的关系对衰减的回波信号进行增益补偿，使接收的回波信号波形恢复，并对波形恢复的信号进行二级放大。

9.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：停止计时后，获得超声波传播时间；测量温度，依据该温度值计算当前声速，根据当前声速及传播时间进行温度补偿。

10.根据权利要求1所述的一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

根据发射超声波信号位置距变压器外壳中心位置的距离计算接收回波信号的位置距变压器外壳中心位置的距离，调整接收回波信号的位置，并根据计时的时间计算被测点距变压器外壳距离。

11.一种基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，其特征在于，包括单片机、发射探头、接收探头、信号优化模块、温度补偿电路及定时器；

所述超声波发射探头发送超声波信号，同时所述单片机控制所述定时器开始计时；所述超声波接收探头接收所述超声波信号的回波信号，并将回波信号转化为回波电信号输出；所述信号优化模块对所述回波电信号进行优化处理后输出优化回波信号至所述单片机，同时所述单片机控制所述定时器停止计时，定时器输出计时信号；所述温度补偿电路测量温度，并将温度信号输入所述单片机；

所述单片机接收所述温度信号、计时信号以及优化回波信号，根据所述温度信号、计时信号，对所述优化回波信号的传播路径进行温度补偿，计算被测点距变压器外壳距离。

12.根据权利要求11所述的基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，其特征在于，还包括电源驱动电路，所述电源驱动电路包括高频振荡电路、激励电路及单片机驱动电路；所述高频振荡电路用于产生高频方波脉冲，所述激励电路用于在高频方波脉冲作用下激励所述发射探头发射超声波信号；所述单片机驱动电路用于驱动所述单片机。

13.根据权利要求11所述的基于超声波的变压器绕组变形在线检测系统，其特征在于，所述信号优化模块包括时间增益补偿电路、二级放大电路及比较整形电路；

所述时间增益补偿电路设置有第一阈值，所述比较整形电路设置有第二阈值，所述第一阈值用于选择传输距离大于一定距离的回波信号，所述第二阈值用于选择传输距离小于该一定距离的回波信号；

当回波信号不符合所述第二阈值时，所述放大滤波信号输入所述时间增益补偿电路处理后输出时间增益补偿信号，所述时间增益补偿信号输入二级放大电路处理后输出二次放大的信号至所述单片机；

当回波信号不符合所述第一阈值时，所述放大滤波信号输入所述比较整形电路处理后输出比较整形信号至所述单片机。