判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法
【专利摘要】本发明涉及一种判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，本发明首次引入声能特征概念，实现检测电力高压设备故障的实时、在线检测手段，定性判断设备内部放电及机械震动异常位移类故障，解决了电力设备在损坏前的预警问题。本发明采用声能特征概念进行实时、在线监测，用声源信号诊断可靠，抗干扰强，能够明显反映设备工况环境的状态，避免了对电网的危害。
【专利说明】判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，涉及电力设备在线实时监测领域，特别是指一种运用声能特征(20Hz - 20KHz)和震动频率判断高压电力设备内部放电及机械异常位移、震动类故障的方法。
【背景技术】
[0002]声波和震动波都是成熟技术，两者结合使用在电力行业有广泛的发展前景。
[0003]电力设备的检测方法有脱机法和在线检测法。脱机检测法需要停电进行，停电后设备的状态与运行不符，影响判断准确度且不能判断工况状态，尤其不能反映机械性能。脱机检测法为周期性的定期实验，不是连续的实时、工况检测，对设备的运行状态缺乏可靠的信息，因而检测带有较大的盲目性和局限性，造成了较大的人力、物力浪费，甚至造成不必要的设备损坏。例如，在停电时做电力设备绝缘预防性试验，主要检测项目是介质损耗、电容量、绝缘电阻、泄漏电流、直流电阻、绝缘油、气检测等，主要短处在于因不是在工况条件下检测，所获得数据还要进行综合判断，并在运行中认真巡视，还要合理确定下一个停电检修周期。据统计电力变压器运行中由于绕组、铁芯故障造成设备损坏占70%以上。在线检测法:检修、运行人员在不停电的状态下，随时随地掌握设备的实时信息，帮助判断设备状态性能是否下降，是否需要维修，因而具有减少停电时间。减少设备因周期性维修造成的损害和维修不当所造成的事故，减少维修所需要的人力、物力、财力，减少值班人员和人为事故等优点，是目前对电力设备工况监测的发展趋势。
[0004]目前国际电力标准(IEC)的设备停电试验方法很多，通常需要在停电条件下实施，不能反映工况条件下可能产生的电弧放电和异常震动状态，缺点是沿用至今仍不能杜绝事故。目前国内外电力设备在线试验方法很多，常见的方法有；超声波局放法(实践中的效果不明显且在线检测仍在探讨中)、绝缘油色谱在线法(限于在化学分析和绝缘油的状况)、SF6气体微水测量法(限于SF6气的绝缘水平，可不停电进行，但不在线检测)、红外测温法(局限于温度异常，不能检测设备内部缺陷)、容性变电设备在线接口损法(目前仍未能解决互感型传感器采样信号的“失真”问题)等，这些办法均有局限性和片面性、未确定性，不能完全满足所需的功能扩展。
【发明内容】
[0005]针对目前电力设备检测技术上存在的问题和不足，本发明的主要目的在于提供一种运用声能特征判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法。利用设备本体的声源进行声能在线、实时检测，检测可靠性高，能够直接明显反映设备异常状态，且安装方便，避免对电网安全的危害。
[0006]为达到上述目的，本发明所提供的一种判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，其特征在于:以频率范围在20Hz - 20KHz的声波和0.5Hz?200Hz的震动频率对电力变电设备进行检测，所述判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法包括如下步骤:a.信号采集，通过传感器采集振动一声学信号；b.信号处理，将采集到的所述振动一声学信号经过处理后传送至PC上位机；c.信号分析，所述PC上位机对处理后的数据信号进行分析后判断是否存在故障。
[0007]上述本发明的技术方案中，所述传感器为声波传感器及/或震动传感器。
[0008]该判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法适用于发电设备、一次变电设备及输电设备。
[0009]能通过声波和震动波的检测手段判明设备运行中，是否有电弧放电和机械震动、异常位移的严重缺陷，以及运用该判断方法制作成电力设备声能特征便携式巡检仪器，或制作成运用声能原理进行实时、在线电力设备检测系统。
[0010]采用上述技术方案，本发明将电力设备电弧放电及异常机械震动位移纳入检测规程，所引入的声能特征理论进行电气设备内部故障判断，不同于目前的检测方法。本发明为电力设备检测增加了一个重要的检测方法。声波传感器及震动传感器这两种传感器可分别布置在被测设备的外观上。为了安装简洁也可一体化集成，原则上两种声源信号不能互相干扰，获取的信号源要符合要求，要有各有独立处理信号的电路。本发明的技术效果体现在:本发明所述的声源，来自于电力设备本体产生的可听声能，与设备内部放电电弧、机械异常(震动)位移密切相关。不同于以往的电参数、化学参数及温度等检测手段，可达到实时、在线检测电力设备安全状况的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明电力设备声能传感器装置原理示意图；
[0012]图2是本发明变压器正常运行时的幅频特性图；
[0013]图3是本发明变压器异常运行时的幅频特性图；
[0014]图4是本发明电弧类放电信号监测全过程时域图；
[0015]图5是本发明电力设备声能在线监测系统原理示意图；
[0016]图6是本发明电力检测流程表。
【具体实施方式】
[0017]现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。
[0018]本发明设计的运用声能特征判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法依据的原理之一是，利用声波和震动波对电力设备内部，进行电弧放电及机械类故障检测。变压器是变电站的“心脏”设备，以变压器为例，变压器本体的振动完全取决于铁芯的振动，铁芯的振动可以近似为硅钢片的磁致伸缩。铁芯的磁致伸缩振动通过铁芯垫脚和绝缘油介质两条路径传递给油箱壁，使油箱壁振动产生声波向四周发射。经多台(110KV)电力变压器研究结果表明，电力变压器铁芯噪声的频谱范围通常在100?500Hz之间。如图2所示，当变压器类设备正常运行时，由于特定电磁场的原因其声频特征是100HZ，200Hz时频幅最强。如图3所示，当变压器类设备异常运行时，由于设备内部电弧放电、构件机械异常震动等，均会产生不同的声频偏离特征频率，此图即为电弧放电类型，在异常时250Hz左右频幅最强。图4是实验室测试电力设备的放电过程。各国的电力频率是50Hz和60Hz两种，电力设备如:发电机、电抗器、变压器、互感器、电容器、断路器、杆塔等，同样遵循电力设备的声波特征。
[0019]本发明依据的原理之二是，电力设备过电压、器件老化、铁芯异常、绕组损坏、接触不良、电动力抖动等原因造成的电弧放电。设备正常运行时的声频如图2所示，异常时的放电声频如图3所示。
[0020]本发明依据的原理之三是，变电设备或输电杆塔由于异常震动机械位移产生的震动波，电磁类设备不仅有铁芯磁致伸缩现象，还有器件受电动力等情况下的抖动和共震现象。如变压器铁芯振动信号主要集中在100?400Hz，设备正常运行的震动波可认定为正常波，反之偏离这个频谱段则为异常。此时设备应有器件松动、近区短路、接触不良等原因造成的机械性严重震动缺陷。
[0021]本发明主要考虑了两个因素，一个是早期发现设备电弧放电类故障，另一个是早期发现设备器件机械震动异常位移故障，两个因素之间任意一个出现异常后，表明设备存在隐患。
[0022]如图1所示，为本发明的变压器诊断系统，它包括变压器1、传感器2、模拟滤波模块3、电源模块4、RS232收发模块5、PC上位机6、采样控制模块7、电池8和DC-DC电路9。其中电池8与DC-DC电路9的输入端相连，DC-DC电路9的输出端分别与传感器2、模拟滤波模块3和电源模块4相连,模拟滤波模块3和电源模块4的输出端均与米样控制模块7相连，电源模块4的输出端还与RS232收发模块5相连，采样控制模块7与RS232收发模块5相连，RS232收发模块5与PC上位机6相连。
[0023]其中，采样控制模块7是以STM32为核心的嵌入式系统，采样控制模块7包括ADC控制模块71、随机存储器72和串口模块73，ADC控制模块71、随机存储器(RAM) 72和串口模块73依顺次相连，模拟滤波模块3的输出端与ADC控制模块71的输入端相连，串口模块73与RS232收发模块5相连。传感器2为声波传感器及/或震动传感器。
[0024]本发明构成的电力设备电弧放电及异常机械缺陷诊断系统是一种利用声能在线监测技术，不涉及系统装置组件的定型和选择。如图5、图6所示，为本发明的电力设备声能在线监测系统，其包括:
[0025]声波传感器:它是驻极体极头与专用场效应管(阻抗变换器)组成的声波接口电路。声波传感器包括变压器声波传感器，互感器、电容器、避雷器声波传感器，以及断路器声波传感器，其中变压器声波传感器安装时是将传感器牢固紧贴在设备油箱外壳上，可与温度计布置在一起并隔离外部声源。由于变压器在合闸时产生很大的冲击涌流，此时传感器应避过峰值和电网扰动，可与继电保护装置配合，防止误报警。还应将有载开头动作时的声波忽视掉。将电力声能传感器调在变压器的位置上，达到正确报警的目的。如能将传感器固定在变压器内部效果更好。互感器、电容器、避雷器声波传感器安装时要牢固紧贴在设备靠近二次部分的外观上并隔离外部声源。应将传感器调在互感器、电容器或避雷器的位置上，达到正确报警的目的。断路器声波传感器的安装，为便于观察和维护，将传感器安装在高压断路器的下部，若是分相断路器则每相装一个传感器。由于断路器分、合闸会产生较强的震动，为防误报警应将传感器调在断路器的位置上，达到正确报警的目的。
[0026]震动传感器:根据电力设备的震动特征选用类型，本实施例选用美国进口高精度IHZ?10KHZ传感器，传感器采用双层屏蔽壳封装形式，可有效抑制电磁场对传感器信号的影响；采用全密封设计，使得传感器稳定可靠；配有专用磁力安装座。主要指标:灵敏度(土 15%)100mv/g，频率响应(±3dB)，动态范围±50g，抗冲击5000g，安装扭矩2，7to6,8Nm,恒定电流2-10mA，激励电压18-30vdc，温度范围-50?+121 °C。对传感器输出的信号进行调理，并通过调速ADC转换为数字信号。
[0027]放大电路:将声波接口电路和震动接口电路的微弱信号进行放大处理。
[0028]滤波器:将两个信号源进行滤波处理。滤去205Hz的波形，放大异常频率。
[0029]延时器:变压器投运时、断路器分、合时、电力网络扰动时，设备内部有一个声能变化过程，不能反映设备异常，此时可根据设备容量结合继电保护装置的整定值调整延时的时间。
[0030]信号数据处理:系统电路要求超低功耗、抗干扰能力强，所以，采用应用较普遍的微处理器，如STM32系列的核心处理器，本实施例采用控制模块为STM32F203RET6的微处理器，进行声信号数据采集处理。本发明采用16位单片机，采用16位总线，外设和内存统一编址，寻址范围达64K，可外扩展存储器，具有一个14路的12位的模数转换器、两路USART通信端口，一个比较器等丰富的片内模块。
[0031]电源管理电路:选用使能端EN的稳压电源，工作状态下时通过微处理器P 口的电平变换进行开启或关闭。微处理器休眠状态时稳压电源的使能端置于关闭状态，放大器电源和存储器被关闭。反之，微处理器被上位机触发唤醒工作时，稳压电源为开通状态。电源，选用合适大小的太阳能面板和适当容量的蓄电池。
[0032]显示、报警电路:可用液晶显示界面，显示内容可选择电源声波、震动频率等参数。报警显示可采用声光方法实现。
[0033]存储器:平时让系统处于休眠状态，当上位机通过串口发指令给下位机时，微处理器被唤醒，微处理器工作时首先使穏压电源处于打开状态，整个电路系统开始工作。声波和震动波的经过放大滤波后仿真信号。电路系统唤醒后可采集一定时间的声波信息，通过存储器进行存储。
[0034]现将本发明的电力设备声能在线监测系统的工作原理配合图6详述如下:
[0035]下位机:将所有设备上的采集信号进行接受，不同的设备有不同的频率定位，其频率按照一定的时间进行周期性扫描，将检出的有异常信号的设备传到信号处理模块。
[0036]信号处理:将接受到的异常信号进行存储并传送到集测中心。
[0037]集测中心:变电站声波集测中心将各个声波传感器采集到的电信号汇流到集测中心，对有异常声波的变电设备发出预警并传递到调度、运行、检修终端。一旦发现异常设备即刻跟踪报警。
[0038]调度、运行、检修终端:调度部门根据预警信号，及时更改运行方式或提请运行和检修部门注意。运行部门根据预警信号及时派人到现场观察设备是否有其它异常，如外观检查、仪表检查、红外测温等。检修部门根据预警信号及时派人到现场做带电检测工作，组合该设备以往的检修经历做出检修决策。
[0039]本发明的电力设备声能在线监测系统的检测精度能达到:震动波:频率响应:0.5Hz?200Hz (― 3db)，灵敏度:位移型:8mV/ym±5% (或根据设备要求调整)，速度型:300mV/mm/s (或根据设备要求调整)；声波:测量声强20?140Db，测量波形:0?5V，测量频率范围:20Hz?20KHz，分辨率:1Hz，精度:±1%。能够检测发电设备、一次变电设备及输电设备。
[0040]采用本发明的电力设备声能在线监测系统的声能检测装置也可制作成便携式巡检仪器。
[0041]变电站一般不会连入Internet网络，组网可采用局域网或其它的方式实现。
[0042]以上是对本发明实施情况的详细说明，但它们并不构成对本发明的限定，仅为举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0043]本发明提供的变压器诊断方法包括以下步骤:信号采集，将传感器紧贴变压器箱体表面采集变压器振动一声学信号；信号处理，将采集到的振动一声学信号经过处理后传送至PC上位机；信号分析，PC上位机对处理后的数据信号进行分析后判断是否存在故障，如果存在故障由系统向工作人员报警。
[0044]如图1所示，所述信号处理的步骤包括:将采集到的振动一声学信号传送至仿真滤波模块，模拟滤波模块将信号处理成高频信号、低频信号和全频段信号三种输入方式，分三个通道输入ADC控制模块进行AD转换；将AD转换后数字信号输入串口模块，转化为RS232串口信号后传输到PC上位机。所述信号分析的步骤包括:根据反应变压器不同运行状况所对应的振动一声学信号特征，建立数据库系统；将得到的振动一声学变压器信号与数据库中的特征信号进行比对，从而识别出变压器目前的运行状况；若变压器目前的运行出现故障，则通过系统向工作人员发出报警。
[0045]电池提供的9VDC经过DC/DC电路之后转换为24VDC、土 12VDC以及5VDC三种电压，其中24VDC转为传感器2供电，±12VDC与5VDC为采样控制模块7供电。传感器2通电运行后，即进行信号采集工作，采样数据传入PC上位机中，经过数字滤波，进而进行频谱分析和特征提取。通过快速傅里叶变换、短时傅里叶变换等方法做出频率谱、功率谱，使用小波变换等方法提取其中特征分量。通过理论推导、试验分析以及现场测量收集反应变压器不同运行状况的振动一声学信号特征，建立数据库系统。将收集到的变压器信号与数据库中的特征信号进行对比，实现模式识别，从而诊断出变压器目前的运行状况。一旦信号特征表现为超出正常运行对应的范围，则认为变压器中已经产生较为严重的故障，因而由系统向工作人员报警。主要看是否存在内部放电及绕组变形、机械异常位移振动类等严重缺陷，并利用回声定位原理查明故障部位。采用该办法的检测装置可以制作成电力变压器便携式巡检仪器，也可制作成实时、在线检测系统，必要时可将电力变压器做断电即跳闸处理，从而避免了变压器的损坏。
[0046]以上即为对本发明结构及功效的详细说明，其它未做详述的内容均为现有技术，在此不做详述。
[0047]本发明涉及电力设备检测技术的进步，使得检测方法更加科学可靠。本发明对设备的状态评价有很大的帮助作用，运行人员巡视设备有了新的状态量证明。此项技术有成本低、器件成熟、安装方便、可预警、收效显著的特点。预期在电力行业会有很大的发展前景。
[0048]本发明能定性确定缺陷类型，能及时提供检修依据，同时可补充国际电工委员会(IEC)标准，使得运行、试检、检修更加科学全面。
[0049]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本领域技术人员可在不背离本发明的精神实质与原理下做出改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，包含在本发明的专利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，其特征在于:以频率范围在20Hz - 20KHZ的声波和0.5Hz?200Hz的震动频率对电力变电设备进行检测，所述判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法包括如下步骤: a.信号采集，通过传感器采集振动一声学信号； b.信号处理，将采集到的所述振动一声学信号经过处理后传送至PC上位机； c.信号分析，所述PC上位机对处理后的数据信号进行分析后判断是否存在故障。
2.如权利要求1所述的判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，其特征在于:所述传感器为声波传感器及/或震动传感器。
3.如权利要求1或2所述的判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，其特征在于:该判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法适用于发电设备、一次变电设备及输电设备。
4.一种判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法，其特征在于:能通过声波和震动波的检测手段判明设备运行中，是否有电弧放电和机械震动、异常位移的严重缺陷，以及运用该判断方法制作成电力设备声能特征便携式巡检仪器，或制作成运用声能原理进行实时、在线电力设备检测系统。
【文档编号】G01B17/00GK103969555SQ201410043541
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年2月5日
【发明者】王李子峰 申请人:王李子峰