CN112729592A - 一种变压器热点温度测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种变压器热点温度测量***及方法，测量***包括处理器、示波器和多个超声波传感器，所述超声波传感器相对设置在变压器油箱外壁，所述超声波传感器与示波器电连接，所述示波器与处理器电连接；超声波传感器接收相对设置的超声波传感器发射的信号并传输至示波器。采用超声波实时测变压器热点温度，解决了现有方法易受外部环境影响，使用寿命短，不能正确测量变压器内部温度的问题。

Description

一种变压器热点温度测量***及方法

技术领域

本公开涉及变压器相关技术领域，具体的说，是涉及一种变压器热点温度测量***及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

对于电力***来说，电力变压器是其关键设备之一，它的可靠性直接关系着电力***是否能够高效、安全、经济的运行。大部分电力变压器寿命终结的主要原因是绕组温度过高，致使其失去了应有的绝缘能力。因此，如何对电力变压器绕组温度进行自动监测是现今国家重点研究课题之一。

发明人发现，就现有的研究来看，电力变压器绕组温度测量，国家标准推荐计算法的标准准则给出的计算模型虽然简单，易于计算，但是假设条件太多，与现实条件反差很大，在复杂环境以及负荷突变等情况下具有较大误差；另外，现有的测温方式有热电阻测温和热电偶测温、红外测温和光纤温度传感器测温，存在各种缺陷。热电阻测温和热电偶测温通过金属导线来反映接收到的被测量信号，导线为金属材质，极易受到腐蚀，又容易发生短路现象，该方法也难以满足需求；红外测温目前只用它测量变压器油箱表面温度和变压器外表面温度，且测量结果易受外界温度的干扰；光纤温度传感器比较适用于变压器内部待测位置的温度测量，把温度传感器布设在变压器绕组撑条或者绕组饼间垫块内，获取变压器绕组的实时温度，但该方法只适用于新制造的变压器。因此电力变压器现有温度监测方法存在着监测准确度低、不可靠等问题，无法适应现今社会的需求。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种变压器热点温度测量***及方法，采用超声波实时测变压器热点温度，解决了现有方法易受外部环境影响，使用寿命短，不能正确测量变压器内部温度的问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种变压器热点温度测量***，包括处理器、示波器和多个超声波传感器，所述超声波传感器相对设置在变压器油箱外壁，所述超声波传感器与示波器电连接，所述示波器与处理器电连接；超声波传感器接收相对设置的超声波传感器发射的信号并传输至示波器。

一个或多个实施例提供了一种变压器热点温度测量方法，包括如下步骤：

控制发射超声波信号，获取经过变压器内部的超声波信号；

识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号；

根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，确定传播路径中叠加的区域为热点区域；

根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵，计算热点区域的温度分布。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开通过采用超声波传感器对变压器的热点温度进行监测，解决了现有的测温方式中测量器件容易受腐蚀损害及无法避免测量干扰的问题。该方法具有全天候、测温范围广、响应速度快、灵敏度高、使用安全等优点，可以提高电力变压器维护效率和运行可靠性，降低电力变压器故障失修的概率。

(2)本公开的测量方法，通过构建求解矩阵识别热点区域的温度分布，通过求解矩阵识别热点区域的温度分布，能够有效实现变压器热点区域温度场的可视化，可以直观地看出热点区域的温度分布和温差大小，进而实现对变压器温度状态的检测和控制，根据实时监测的变压器绕组温度的结果,及时调整变压器的运行状态或者进行检修,控制变压器绕组温度在正常范围之内。本公开的测量方法原理简单，具有在线检测、非接触不干扰性、温度测量范围广、精度高等优点，可以很好地表现变压器热点特征,可以有效提高变压器寿命和电力***运行的稳定性及可靠性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的变压器热点温度测量***示意图；

图2是本公开实施例2的方法流程图；

其中：1-第一超声波传感器、2-超声波在油中第一传播路径、3-超声波在铁芯及绕组中传播路径、4-热点区域、5-超声波在油中第二传播路径、6-第二超声波传感器、7-变压器油箱外壁、8-变压器绕组及铁芯。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

超声测温是声学测温的一种，采用非接触式测温方法，以超声波在固体、液体、气体等介质中的传播速度与介质温度的函数关系来进行测温。在理想气体中，超声波传播速度与介质温度的平方根成正比；在多数液体中，超声波传播速度与温度呈线性关系；在一般固体中，超声波传播速度随温度升高而变小，通过测量超声波在介质中的传播速度，就可以测量介质温度。

本公开提出的超声波实时测变压器绕组热点温度的方法，在变压器外壁放置适当数量的超声波传感器，任意两超声波传感器之间直达波的路径可以确定，通过超声波发射器的发射时间和接收器接收到的波形特征可以分析声波在该路径上的传播时间。收集变压器正常运行时传感器接收到的波形信息作为信息库，与实时测量的信号进行对比，找出波形变化的声波传播路径，变化的多条路径交叠的区域即为热点区域。通过热点的多条路径，根据算法检测到该区域温度。该方法具有全天候、测温范围广、响应速度快、灵敏度高、使用安全等优点，可以提高电力变压器维护效率和运行可靠性，降低电力变压器故障失修的概率。

下面以具体的示例进行说明。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种变压器热点温度测量***，包括示波器和多个超声波传感器，所述超声波传感器相对设置在变压器油箱外壁，所述超声波传感器与示波器电连接，所述示波器与处理器电连接；超声波传感器接收相对设置的超声波传感器发射的信号并传输至示波器。处理器根据示波器传输的信号进行数据处理识别变压器的热点区域的温度。

具体的，所述超声波传感器通过同轴电缆与示波器相连，示波器获取超声波传感器接收到的超声波信号；

相对设置的超声波传感器的设置方式，能够实现其中的一个超声波传感器能够接收到相对设置的超声波传感器发射的信号，可选的，相对设置方法可以为：在变压器油箱壁的四个侧面和上下面上都设置适当数量的超声波传感器，每个面上设置的超声波传感器数量相同，并且互为对面的油箱壁上设置的传感器位置是相对的；所述相对的超声波传感器可以确保接收到对方的信号。

本实施例中，通过采用超声波传感器对变压器的热点温度进行监测，解决了现有的测温方式中测量器件容易受腐蚀损害及无法避免测量干扰的问题，该方法具有全天候、测温范围广、响应速度快、灵敏度高、使用安全等优点，可以提高电力变压器维护效率和运行可靠性，降低电力变压器故障失修的概率。

实施例2

基于上述的测量***，本实施例提供一种变压器热点温度测量方法，该方法可以在测量***中的处理器中实现，包括如下步骤：

步骤1、发射超声波信号，获取设置在待测变压器油箱外壁的超声波传感器接收到的超声波信号，即为获取经过变压器内部的超声波信号

步骤2、识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号；

步骤3、根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，确定传播路径中叠加的区域为热点区域；

步骤4、根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵，计算热点区域的温度分布。

本实施例中，通过采用超声波传感器对变压器的热点温度进行监测，解决了现有的测温方式中测量器件容易受腐蚀损害及无法避免测量干扰的问题，同时该方法通过构建求解矩阵识别热点区域的温度分布，有效实现了变压器热点区域温度场的可视化，进而对变压器的温度状态进行检测和控制，根据实时监测的变压器绕组温度的结果,及时调整变压器的运行状态或者进行检修,控制变压器绕组温度在正常范围之内。本公开的测量方法原理简单，具有在线检测、非接触不干扰性、精度高等优点，可以很好地表现变压器热点特征，可以提高电力变压器维护效率和运行可靠性，降低电力变压器故障失修的概率。

步骤1中，发射超声波信号，具体的方法可以为：设置不同的超声波传感器发射的声波的频率不同，通过频率可以有效区分超声波传感器接收到的声波来自哪一个传感器，并且将超声波传感器发出声波的时刻t₀作为初始基准时刻。

进一步的技术方案，为可靠的接收发射的超声波信号，可以采用如下方式实现：可以提高超声波传感器发出声波的强度，具体的设定发射超声波信号的强度阈值，控制发射超声波信号的强度大于设定的强度阈值。以使得在衰减后能够有效采集到超声波信号。

进一步的技术方案，可以采用超声波相控阵列接收信号，移相后进行波束合成，对合成的波形进行分析，设立合理阈值，当该波形的强度超过阈值时，认为已经接收到超声波，把该时刻t₁作为波达时刻。波达时刻与基准时刻的时间差(t₁-t₀)即该路径上超声波的飞行时间。

本实施例，如图1中，第一超声波传感器1发出超声波的频率为140kHZ，发出时刻为t₀。第二超声波传感器6接收到频率为140kHZ的超声波时，即可确定该声波的来源为第一超声波传感器1，该声波的传播路径为超声波在油中第一传播路径2、超声波在铁芯及绕组中传播路径3、超声波在油中第二传播路径5段路径之和。再对第二超声波传感器6接收到的,频率为140Khz的超声波的波形进行分析，当该波形的幅值超过设立的阈值时，认为已经接收到该超声波，该时刻为t₁，这时可以确定，第一超声波传感器1和第二超声波传感器6之间超声波的传播路径为超声波在油中第一传播路径2、超声波在铁芯及绕组中传播路径3、超声波在油中第二传播路径5段路径之和，飞行时间为(t₁-t₀)。通过该方法，可以确定任意传播路径上超声波的飞行时间。

进一步的技术方案，设置单次发射超声波信号的持续时间，按照单次发射信号的时长设定持续时间控制。

本实施例的方法通过合理设置超声波传感器发出超声波的持续时间来解决超声波在变压器内部折反射现象严重、传播路径难以确定的问题。

超声波传感器接收到某一声波的时刻与发射该声波的时刻之差，如果该差值超过超声波传感器发出声波的持续时间与声波在该路径上理论飞行时间之和的话，认为该声波为多条路径声波叠加的混叠波，忽略该时刻接收到的信号，在预处理的步骤中剔除该信号，可以提高温度识别的准确性。

步骤2、识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号的方法具体为：

步骤21、获取在变压器正常运行时，各个超声波传感器接收到的超声波信号，建立波形信息库；

步骤22、将实时测得的超声波信号与信息库中的波形信息进行比对，识别出波形变化的超声波信号。

本实施例通过根据正常运行的历史数据建立超声波波形的波形信息库，控制入射的超声波信号的参数就能实现比对，从而能够实现快速识别波形发生变化的超声波波形，方法简单易行，能够有效提高***的识别效率。

步骤3中，根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，具体的方法可以为：

步骤31、根据超声波传播的传播速度和入射角的关系，确定不同介质接触面上的入射角；

步骤32、根据介质面上的入射角及发射超声波传感器和接收传感器的安装位置，绘制超声波传播的分段曲线即为超声波信号的传播曲线。

超声波在变压器油、绕组和变压器外壁之间传播时会有折射现象，折射角的大小与超声波在两种介质中传播速度以及入射角的大小有关，超声波传播的传播速度和入射角的关系如下：

sinθ₁/v₁＝sinθ₂/v₂

取油中和变压器绕组、外壁中的波速分别为理论值：V₁＝1 420m/s，V₂＝5 800m/s,其中，V₁为变压器油中的波速，V₂为变压器绕组或者外壁中的波速；再根据超声波传感器在变压器外壁安装的位置，可以确定超声波在传播至另一种介质时的入射角。通过上式可以计算出超声波折射角，进而确定任意两传感器之间的超声波传播路径。

例如图1中，超声波传感器1发出的超声波从变压器油中传播到变压器绕组及铁芯8时，会在两者界面处发生折射，超声波传播路径如图1中的超声波在油中第一传播路径2、超声波在铁芯及绕组中传播路径3所示，入射角和折射角的关系满足上述公式，同理，超声波从绕组传播到变压器油中时的传播路径如图1中的超声波在铁芯及绕组中传播路径3、超声波在油中第二传播路径5所示。因此，超声波传感器6接收超声波传感器1发出的超声波的传播路径为超声波在油中第一传播路径2、超声波在铁芯及绕组中传播路径3、超声波在油中第二传播路径5段路径之和。通过该方法，可以确定任意两传感器之间的超声波传播路径。

接收到的信号波形发生变化的超声波信号及该超声波信号对应的传播路径，多条传播路径共同经过的区域即为热点区域。

步骤4中、根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩，计算热点区域的温度分布的方法，具体如下：

步骤41、对热点区域进行网格划分；

步骤42、根据声速、传播时间和传播路径的关系，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵；

步骤43、采用奇异值分解及插值算法计算热点区域每个网格的温度，获得热点区域的温度分布。

具体的方法如下：

将热点区域均匀划分成n个立体网格，将第i个网格中心点坐标表示为(x_i,y_i,z_i)；

其中，任一声波传播路径p_k上，超声波的飞行时间g_k与声速的倒数f(x,y,z)的函数关系为：

其中，f(x,y,z)是声速的倒数，m是穿过热点区域的声波路径数，将热点区域均匀划分成n个立体网格，将第i个网格中心点坐标表示为(x_i,y_i,z_i)。

将声速的倒数f(x,y,z)离散为多个n个基函数的线性组合，如下：

其中，ε_i为待定系数，φ_i(x,y,z)为径向基函数：

其中，a为径向基函数的形状参数。

求解公式(2)中待定系数ε_i，合并1、2、3式得：

其中，

定义：A＝(a_ki)_{k＝1,...,m；i＝a,...,n}；矩阵A就是与超声波的路径数及网格划分有关的矩阵。

g＝(g₁,...,g_k)^T,ε＝(ε₁,...,ε_n)

则公式(4)可以写成：

g＝Aε (5)

通过重建矩阵A，对热点区域求解矩阵ε进行求解。

对重建矩阵A做SVD分解：

其中，σ₁≥σ₂≥...≥σ_γ≥0是重建矩阵A的γ个非零奇异值，γ是重建矩阵A的秩，U和V是列向量分别为正交矩阵AA^T和A^TA的特征向量。

由此，可以推出A的伪逆为：

通过奇异值分解，令p表示非零奇异值总数，则式(5)的最小二乘解可表示为：

由此，通过求解待定系数的值代入式(2)就可获得被测区域的声速分布，然后就可以求出n个空间网格的中心点温度值，最后采用插值算法获得细致的温度分布。

本实施例基于径向基函数构建热点区域求解矩阵，通过求解矩阵识别热点区域的温度分布，能够有效实现变压器热点区域温度场的可视化，可以直观地看出热点区域的温度分布和温差大小，进而实现对变压器温度状态的检测和控制，根据实时监测的变压器绕组温度的结果,及时调整变压器的运行状态或者进行检修,控制变压器绕组温度在正常范围之内。本公开的测量方法原理简单，具有在线检测、非接触不干扰性、温度测量范围广、精度高等优点，可以很好地表现变压器热点特征,可以有效提高变压器寿命和电力***运行的稳定性和可靠性。

实施例3

本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例2的方法所述的步骤。

实施例4

本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例2的方法所述的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变压器热点温度测量***，其特征是：包括处理器、示波器和多个超声波传感器，所述超声波传感器相对设置在变压器油箱外壁，所述超声波传感器与示波器电连接，所述示波器与处理器电连接；超声波传感器接收相对设置的超声波传感器发射的信号并传输至示波器。

2.如权利要求1所述的一种变压器热点温度测量***，其特征是：相对设置的超声波传感器的设置方式，用于实现其中的一个超声波传感器能够接收到相对设置的超声波传感器发射的信号。

3.如权利要求1所述的一种变压器热点温度测量***，其特征是：相对设置的超声波传感器的设置方式，具体为：变压器油箱壁互为对面的油箱壁上设置的传感器位置是相对的。

4.一种变压器热点温度测量方法，其特征是，包括如下步骤：

控制发射超声波信号，获取经过变压器内部的超声波信号；

识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号；

根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，确定传播路径中叠加的区域为热点区域；

根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵，计算热点区域的温度分布。

5.如权利要求4所述的一种变压器热点温度测量方法，其特征是：发射超声波信号，具体的方法为：设置不同的超声波传感器发射的声波的频率不同。

或者，设定发射超声波信号的强度阈值，控制发射超声波信号的强度大于设定的强度阈值；

或者，设置单次发射超声波信号的持续时间，按照单次发射信号的时长设定持续时间控制；

或者，采用超声波相控阵列接收信号，移相后进行波束合成，对合成的波形进行分析，设立合理阈值，当该波形的强度超过阈值时，确定接收到超声波。

6.如权利要求4所述的一种变压器热点温度测量方法，其特征是：识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号的方法具体为：

获取在变压器正常运行时，各个超声波传感器接收到的超声波信号，建立波形信息库；

将实时测得的超声波信号与信息库中的波形信息进行比对，识别出波形变化的超声波信号。

7.如权利要求4所述的一种变压器热点温度测量方法，其特征是：

根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，具体的方法为：

根据超声波传播的传播速度和入射角的关系，确定不同介质接触面上的入射角；

根据介质面上的入射角及发射超声波传感器和接收传感器的安装位置，绘制超声波传播的分段曲线即为超声波信号的传播曲线。

8.如权利要求4所述的一种变压器热点温度测量方法，其特征是：根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩，计算热点区域的温度分布的方法，如下：

对热点区域进行网格划分；

根据声速、传播时间和传播路径的关系，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵；

采用奇异值分解及插值算法计算热点区域每个网格的温度，获得热点区域的温度分布。

9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求4-8任一项方法所述的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求4-8任一项方法所述的步骤。

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