一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法及系統，包括以下步驟：S1:選定一個被測點，超聲波發射探頭發射超聲波信號;S2:使所述超聲波信號傳播入變壓器內部；S3:超聲波接收探頭接收回波信號，并轉化成回波電信號；S4:對所述回波電信號進行優化處理；S5:根據優化處理的回波電信號計算超聲波信號在變壓器內部的傳播時間；S6:對超聲波在變壓器內部傳播的路徑進行接收補償，進而獲得被測點距變壓器外殼距離；S7:在變壓器外殼移動超聲波探頭到下一個被測點，重復S1-S6；S8:測試全部被測點后，處理數據，給出變壓器繞組變形診斷報告。本發明實現了變壓器繞組變形的在線監測，易于運用到實際中。
【專利說明】一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力信息檢測【技術領域】，其涉及一種基于超聲波的變壓器繞組變形在 線檢測方法。
【背景技術】
[0002] 電力變壓器重要而且昂貴，在運輸過程中由于意外碰撞或系統短路故障的強大電 動力的作用，可能會立即損壞，但一般僅發生某種程度的繞組變形，此時如不及時發現和 修復變形，將可能引發電力系統故障。變壓器繞組變形之后，有的立即發生損壞事故，有的 則仍可以長時間地運行。繞組已發生變形的變壓器常會在相當長時間內繼續運行，如不能 得到適時的維修，累積效應會進一步發展，即使不再出現短路事故，也會導致變壓器非正常 地退出運行。正確及時的變形檢測能保證變壓器故障元件得到及時的替換，無故障元件得 到最大限度的使用，從而延長變壓器的實際使用壽命。
[0003] 近年來有關變壓器繞組邊形檢測的研究越來越多，提出了大量的檢測方法。由于 我國電力電力變壓器投入電網的數量不斷在增大，傳統的離線檢測方法已很難滿足要求。 傳統的短路阻抗法、低壓脈沖法、頻響分析法在繞組變形的檢測中取得了一些效果，但這些 傳統方法都存在著不能在線檢測，靈敏性差，抗干擾能力較低，數據獲取困難等諸多缺點。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，以解決 現有的變壓器繞組變形不能在線檢測的問題。
[0005] 本發明的第二目的在于提供一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，以 解決現有的變壓器繞組變形不能及時發現，以致不能適時維修的問題。
[0006] 本發明的第三目的在于提供一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，以 解決現有的變壓器繞組變形檢測方法存在著靈敏性差，抗干擾能力較低，數據獲取困難等 問題。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法， 包括以下步驟：
[0008] S1 :在變壓器外殼上選定一個被測點，發射超聲波信號，并開始計時；
[0009] S2 :接收所述超聲波信號的回波信號，并轉化成回波電信號；
[0010] S3 :對所述回波電信號進行優化處理，并停止計時；
[0011] S4 :對超聲波傳播路徑進行接收補償，計算被測點距變壓器外殼距離；
[0012] S5 :尋找下一個被測點，重復S1-S4 ;
[0013] S6 :測試全部被測點后，處理距離數據，給出變壓器繞組變形診斷報告。
[0014] 較佳地，所述步驟S1進一步包括：通過一高頻振蕩電路產生高頻方波脈沖，所述 高頻方波脈沖通過激勵電路激勵超聲波發射探頭發射超聲波信號。
[0015] 較佳地，所述步驟S1進一步包括：通過自激振蕩電路產生高頻振蕩信號對壓電晶 片進行激勵，產生所述高頻方波脈沖，使所述超聲波發射探頭發射相應頻率的超聲波。
[0016] 較佳地，所述步驟S1進一步包括：參考超聲波通信的調制方法，通過改變振蕩波 形占空比的方式得到一個特殊的振蕩信號，使所述超聲波接收探頭接收到的所述回波信號 與干擾信號的波形明顯不同。
[0017] 較佳地，所述步驟S1進一步包括：采用低頻軟探頭及超聲波耦合劑去除空氣薄 層，使所述超聲波信號順利傳播進入變壓器內部。
[0018] 較佳地，所述步驟S2進一步包括：通過超聲波接收探頭接收回波信號，并轉化為 回波電信號。
[0019] 較佳地，所述步驟S3具體包括：首先，對所述回波電信號進行放大濾波處理，輸出 放大濾波信號；其次，將所述放大濾波信號進行時間增益補償或比較整形的優化處理，并輸 出優化處理的信號；最后，優化處理后停止計時。
[0020] 較佳地，所述步驟S3進一步包括：進行時間增益補償時，計算因吸收而使聲強增 益減少的分貝數；依據超聲波在傳播距離上幅度減少的分貝數與超聲波穿過該距離的時間 的關系對衰減的回波信號進行增益補償，使接收的回波信號波形恢復，并對波形恢復的信 號進行二級放大。
[0021] 較佳地，所述步驟S4進一步包括：停止計時后，獲得超聲波傳播時間；測量溫度， 依據該溫度值計算當前聲速，根據當前聲速及傳播時間進行溫度補償。
[0022] 較佳地，所述步驟S4具體包括：根據發射超聲波信號位置距變壓器外殼中心位 置的距離計算接收回波信號的位置距變壓器外殼中心位置的距離，調整接收回波信號的位 置，并根據計時的時間計算被測點距變壓器外殼距離。
[0023] 本發明還提供了一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測系統，包括單片機、 發射探頭、接收探頭、信號優化模塊、溫度補償電路及定時器；
[0024] 所述超聲波發射探頭發送超聲波信號，同時所述單片機控制所述定時器開始計 時；所述超聲波接收探頭接收所述超聲波信號的回波信號，并將回波信號轉化為回波電信 號輸出；所述信號優化模塊對所述回波電信號進行優化處理后輸出優化回波信號至所述單 片機，同時所述單片機控制所述定時器停止計時，定時器輸出計時信號；所述溫度補償電路 測量溫度，并將溫度信號輸入所述單片機；
[0025] 所述單片機接收所述溫度信號、計時信號以及優化回波信號，根據所述溫度信號、 計時信號，對所述優化回波信號的傳播路徑進行溫度補償，計算被測點距變壓器外殼距離。
[0026] 較佳地，還包括電源驅動電路，所述電源驅動電路包括高頻振蕩電路、激勵電路及 單片機驅動電路；所述1?頻振蕩電路用于廣生1?頻方波脈沖，所述激勵電路用于在1?頻方 波脈沖作用下激勵所述發射探頭發射超聲波信號；所述單片機驅動電路用于驅動所述單片 機。
[0027] 較佳地，所述信號優化模塊包括時間增益補償電路、二級放大電路及比較整形電 路；
[0028] 所述時間增益補償電路設置有第一閾值，所述比較整形電路設置有第二閾值，所 述第一閾值用于選擇傳輸距離大于一定距離的回波信號，所述第二閾值用于選擇傳輸距離 小于該一定距離的回波信號；
[0029] 當回波信號不符合所述第二閾值時，所述放大濾波信號輸入所述時間增益補償電 路處理后輸出時間增益補償信號，所述時間增益補償信號輸入二級放大電路處理后輸出二 次放大的信號至所述單片機；
[0030] 當回波信號不符合所述第一閾值時，所述放大濾波信號輸入所述比較整形電路處 理后輸出比較整形信號至所述單片機。
[0031] 本發明公開了基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法及系統，具有檢測過程 不受電磁干擾，直觀反映繞組變形部位和程度，可在變壓器運行狀態下實時檢測等一系列 優點。
[0032] 與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
[0033] 第一，本發明實現了變壓器繞組形的不停機在線監測。通過采用超聲波測距，超聲 波信號不會干擾電信號，電信號也不會影響超聲波的測距，使得測量時不必關閉變壓器，從 而不影響其正常的變壓工作，抗干擾能力較高。
[0034] 第二，本發明可直觀的判斷變壓器繞組變形的具體位置。通過采用掃描測量變壓 器外殼表面各點距離變壓器繞組的距離，形成一組變壓器外殼至變壓器繞組距離的數據報 告，可以直接與未變壓器的相應數據進行比對，即可分析得出當前變壓器繞組的變形情況， 數據獲取容易，且數據報告直觀易懂。
[0035] 第三，本發明易于運用到實際工程中。采用基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢 測系統，其超聲波探頭發送及接收信號，由單片機及相應的其他信號處理電路即可完成距 離測量工作，靈敏度較高，便于操作和使用，適合大規模推廣至實際的變壓器繞組變形檢測 的作業中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發明一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法的流程圖；
[0037] 圖2為本發明的變壓器繞組變形在線檢測系統組成框圖；
[0038] 圖3變壓器繞組基本測量情況示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的描述，但本發明的實施和保護范 圍不限于此：
[0040] 本實施例中提供了一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測系統，如圖2所 示，包括單片機、發射探頭、接收探頭、信號優化模塊、溫度補償電路及定時器；
[0041] 工作時，首先由電源驅動電路驅動超聲波發射探頭發送超聲波信號，電源驅動電 路包括1?頻振蕩電路、激勵電路及單片機驅動電路；1?頻振蕩電路廣生1?頻方波脈沖，激勵 電路在高頻方波脈沖作用下激勵發射探頭發射超聲波信號；同時單片機驅動電路驅動單片 機開始工作，并由單片機控制定時器開始計時。
[0042] 其次，超聲波接收探頭接收所發送的超聲波信號的回波信號，并將回波信號轉化 為回波電信號輸出；信號優化模塊對回波電信號進行優化處理：信號優化模塊包括時間增 益補償電路、二級放大電路及比較整形電路；
[0043] 時間增益補償電路設置有第一閾值，比較整形電路設置有第二閾值，本實施例中， 時間增益補償電路的第一閾值用于選擇傳輸距離大于50cm的回波信號，S卩小于50cm的信 號會被自動剔除，此時小于50cm的放大濾波信號經比較整形電路進入單片機；比較整形電 路的第二閾值用于選擇傳輸距離小于50cm的回波信號，即大于50cm的信號會由于衰減較 多而被自動剔除無法接收，此時大于50cm的信號會經由時間增益補償電路和二級放大電 路進入單片機。
[0044] 其中，放大濾波信號輸入時間增益補償電路處理后輸出時間增益補償信號，時間 增益補償信號輸入二級放大電路處理后輸出二次放大的信號作為優化回波信號至單片機； 放大濾波信號輸入比較整形電路處理后輸出比較整形信號作為優化回波信號至單片機。 [0045] 單片機接收到優化回波信號后，控制定時器停止計時，定時器輸出計時信號至單 片機；同時溫度補償電路測量溫度，并將溫度信號輸入單片機。
[0046] 單片機接收溫度信號、計時信號以及優化回波信號，根據溫度信號、計時信號對優 化回波信號的傳播路徑進行溫度補償，計算被測點距變壓器外殼距離。
[0047] 本實施例還提供一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，參看圖1，該方 法包括以下步驟：
[0048] S1 :選定一個被測點，超聲波發射探頭發射超聲波信號。
[0049] 電源驅動電路通過一高頻振蕩電路產生高頻方波脈沖，高頻方波脈沖再通過激勵 電路激勵超聲波發射探頭發射超聲波信號。其中，該高頻振蕩電路內包括一自激振蕩電路 及一壓電晶片，自激振蕩電路產生高頻振蕩信號對該壓電晶片進行激勵，產生上述高頻方 波脈沖，高頻方波脈沖加載在超聲波發射探頭上使其發射相應頻率的超聲波。同時電源驅 動電路驅動單片機啟動定時器開始進行計時。
[0050] 參考超聲波通信的調制方法，通過改變振蕩波形占空比的方式得到一個特殊的振 蕩信號，使所述超聲波接收探頭接收到的所述回波信號與干擾信號的波形明顯不同，便于 接收。
[0051] 本實施例中，超聲波通信的調制方法為基本的二進制數字信號調制方法，如2ASK、 2FSK或2PSK，相應地改變信號波形占空比的方法參考一般的2ASK、2FSK或2PSK信號波形 占空比改變方式，調制后發送超聲波脈沖信號。
[0052] S2 :將所述超聲波信號傳播入變壓器內部。
[0053] 采用低頻軟探頭及超聲波耦合劑去除空氣薄層，使超聲波信號順利傳播進入變壓 器內部。
[0054] 低頻軟探頭保護膜采用橡膠軟膜，可以與被測物體表面更緊密的接觸，使得超聲 波探頭在接觸變壓器外殼時不受壓力影響，從而其阻抗、靜態電容等參數不受影響。另外， 使用超聲波耦合劑來去除空氣薄層。測量時，將超聲波耦合劑充滿在探頭和被檢測工件的 接觸層當中，將超聲波探頭和被測工件之間的接觸面里的空氣層排擠掉，使超聲波探頭可 以順利的發射和接收通過被測工件的超聲波。
[0055] 本實施例中，超聲波耦合劑為變壓器油。
[0056] S3 :超聲波接收探頭接收回波信號，并轉化成回波電信號。
[0057] 超聲波接收探頭接收變壓器繞組反射回來的回波脈沖信號，并由超聲波接收探頭 將超聲波回波信號轉換為回波電信號，回波電信號為脈沖形式的信號。
[0058] S4 :對所述回波電信號進行優化處理。
[0059] 首先，采用濾波放大電路對回波電信號進行優化處理：采用一級放大濾波電路進 行濾波放大，輸出放大濾波信號。由于超聲波在傳播的過程中回波信號隨著距離的增大會 減小并混有雜波，因此需要進行放大濾波，本實施例中一級放大濾波電路采用NE5532來放 大信號。NE5532是一款雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器，相比較大多數標準運放，顯示 出更好的噪聲性能，具有相當高的小信號帶寬和電源帶寬。
[0060] 其次，傳輸距離大于50cm的超聲波回波信號進入時間增益補償電路進行增益補 償：
[0061] 通過時間增益補償電路來對變壓器繞組反射回的衰落較嚴重的回波信號進行放 大。
[0062] 由于超聲波在空氣中傳播時會產生衰減現象，即聲強會隨傳播距離的增加而減 小，因此需要對衰減的信號進行補償。設最初的聲強為L，在經過X距離后，由于吸收衰減， 聲強變為I，則超聲波的吸收可以用式（1)表示：
[0063]
【權利要求】
1. 一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :在變壓器外殼上選定一個被測點，發射超聲波信號，并開始計時； 52 :接收所述超聲波信號的回波信號，并轉化成回波電信號； 53 :對所述回波電信號進行優化處理，并停止計時； 54 :對超聲波傳播路徑進行接收補償，計算被測點距變壓器外殼距離； 55 :尋找下一個被測點，重復S1-S4 ; 56 :測試全部被測點后，處理距離數據，給出變壓器繞組變形診斷報告。
2. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S1進一步包括： 通過一高頻振蕩電路產生高頻方波脈沖，所述高頻方波脈沖通過激勵電路激勵超聲波 發射探頭發射超聲波信號。
3. 根據權利要求2所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S1進一步包括： 通過自激振蕩電路產生高頻振蕩信號對壓電晶片進行激勵，產生所述高頻方波脈沖， 使所述超聲波發射探頭發射相應頻率的超聲波。
4. 根據權利要求3所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S1進一步包括：參考超聲波通信的調制方法，通過改變振蕩波形占空比的方 式得到一個特殊的振蕩信號，使所述超聲波接收探頭接收到的所述回波信號與干擾信號的 波形明顯不同。
5. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S1進一步包括： 采用低頻軟探頭及超聲波耦合劑去除空氣薄層，使所述超聲波信號順利傳播進入變壓 器內部。
6. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S2進一步包括：通過超聲波接收探頭接收回波信號，并轉化為回波電信號。
7. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征 在于，所述步驟S3具體包括：首先，對所述回波電信號進行放大濾波處理，輸出放大濾波信 號；其次，將所述放大濾波信號進行時間增益補償或比較整形的優化處理，并輸出優化處理 的信號；最后，優化處理后停止計時。
8. 根據權利要求7所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S3進一步包括：進行時間增益補償時，計算因吸收而使聲強增益減少的分貝 數；依據超聲波在傳播距離上幅度減少的分貝數與超聲波穿過該距離的時間的關系對衰減 的回波信號進行增益補償，使接收的回波信號波形恢復，并對波形恢復的信號進行二級放 大。
9. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征在 于，所述步驟S4進一步包括：停止計時后，獲得超聲波傳播時間；測量溫度，依據該溫度值 計算當前聲速，根據當前聲速及傳播時間進行溫度補償。
10. 根據權利要求1所述的一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測方法，其特征 在于，所述步驟S4具體包括： 根據發射超聲波信號位置距變壓器外殼中心位置的距離計算接收回波信號的位置距 變壓器外殼中心位置的距離，調整接收回波信號的位置，并根據計時的時間計算被測點距 變壓器外殼距離。
11. 一種基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測系統，其特征在于，包括單片機、發射 探頭、接收探頭、信號優化模塊、溫度補償電路及定時器； 所述超聲波發射探頭發送超聲波信號，同時所述單片機控制所述定時器開始計時；所 述超聲波接收探頭接收所述超聲波信號的回波信號，并將回波信號轉化為回波電信號輸 出；所述信號優化模塊對所述回波電信號進行優化處理后輸出優化回波信號至所述單片 機，同時所述單片機控制所述定時器停止計時，定時器輸出計時信號；所述溫度補償電路測 量溫度，并將溫度信號輸入所述單片機； 所述單片機接收所述溫度信號、計時信號以及優化回波信號，根據所述溫度信號、計時 信號，對所述優化回波信號的傳播路徑進行溫度補償，計算被測點距變壓器外殼距離。
12. 根據權利要求11所述的基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測系統，其特征在 于，還包括電源驅動電路，所述電源驅動電路包括高頻振蕩電路、激勵電路及單片機驅動電 路；所述高頻振蕩電路用于產生高頻方波脈沖，所述激勵電路用于在高頻方波脈沖作用下 激勵所述發射探頭發射超聲波信號；所述單片機驅動電路用于驅動所述單片機。
13. 根據權利要求11所述的基于超聲波的變壓器繞組變形在線檢測系統，其特征在 于，所述信號優化模塊包括時間增益補償電路、二級放大電路及比較整形電路； 所述時間增益補償電路設置有第一閾值，所述比較整形電路設置有第二閾值，所述第 一閾值用于選擇傳輸距離大于一定距離的回波信號，所述第二閾值用于選擇傳輸距離小于 該一定距離的回波信號； 當回波信號不符合所述第二閾值時，所述放大濾波信號輸入所述時間增益補償電路處 理后輸出時間增益補償信號，所述時間增益補償信號輸入二級放大電路處理后輸出二次放 大的信號至所述單片機； 當回波信號不符合所述第一閾值時，所述放大濾波信號輸入所述比較整形電路處理后 輸出比較整形信號至所述單片機。
【文檔編號】G01B17/04GK104215203SQ201410409079
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】王昕 , 鄭益慧, 李立學, 劉偉家, 郎永波, 邵鳳鵬 申請人:上海交通大學, 國網吉林省電力有限公司延邊供電公司, 國家電網公司