变压器绕组变形检测方法及系统与流程

1.本发明涉及超声波检测技术领域，具体为一种变压器绕组变形检测方法及系统。


背景技术：

2.变压器作为输电线路的枢纽，承担着电能升降压和分配的责任，当变压器发生故障时，整个电力系统的安全稳定性就受到威胁，严重时将会发生大范围停电事故。导致变压器发生故障的原因有很多，例如地震与人为搬运等外部冲击会导致变压器绕组产生机械形变，短路电流所产生的电动力会导致变压器绝缘层破裂、绕组变形等故障。根据统计，在所有发生的变压器故障中，因变压器绕组变形所导致的电力事故比例最高。
3.目前，检测变压器绕组变形故障的方法有很多，其中投入工程应用最多的方法是短路阻抗法、频率响应法、扫频阻抗法和振动法。近年来，研究者大多基于以上方法以提高精度为目的进行深入研究，有学者提出了使用短路阻抗与δu-i_1轨迹法联合分析绕组变形情况的方法，实现准确识别变压器的绕组故障，但是短路阻抗法无法检测绕组的微小变形；同时他还提出基于扫频阻抗与优化支持向量机的方法，对变压器绕组的3种典型微小变形进行了诊断，但该方法无法对变压器绕组进行在线检测。大多数的研究停留在变压器绕组故障诊断上，实际工程更需要一种可以对变压器进行在线检测的方法；也有学者结合短路电抗法和振动法，提取变压器的电气特征和机械特征，综合两种数据综合实现了对变压器绕组的在线检测，但是振动法无法定位、定量绕组故障；或者使用无损检测领域的超声检测方法对变压器绕组的机械特性进行检测，实现定量、直观检测变压器绕组故障，但是均检测效率低下，特别是大型变压器绕组距变压器外壳距离较远，使得超声检测系统的分辨率降低，可能导致检测方法失效。
4.可见，变压器绕组的在线检测技术还缺少统一的国际标准，各个方法之间缺乏有效的联系和区分；在实时检测方面，新的方法不断推陈出新，但精度和可操作性都差强人意。因此，能高效、高精度地检测绕组外形的方法将是变压器绕组在线检测技术未来的研究和发展方向。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种变压器绕组变形检测方法及系统，该方法及系统能够高效、高精度地实现变压器绕组外形的在线检测。
6.为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种变压器绕组变形检测方法，包括如下步骤：
7.s1、将超声换能器放置于变压器箱壁表面，选择透射深度和扫描方向后，将所述超声换能器沿着所述扫描方向进行扫描，保证变压器箱内的变压器绕组被完全扫描；
8.s2、将所述变压器绕组上所有点分别作为聚焦点，针对每一聚焦点，以该聚焦点进入所述超声换能器的扫描范围时所述超声换能器的位置点作为起始点，该聚焦点离开所述超声换能器的扫描范围时所述超声换能器的位置点作为终止点，将所述起始点和所述终止
点以及二者之间若干位置点作为数据点，采样每个数据点的超声回波信号数据，并综合所有数据点的超声回波信号数据，得到该聚焦点的图像数据值；
9.s3、将所述变压器绕组上所有点的图像数据值分别与预先储存的所述变压器绕组未变形时所有点的参考图像数据值进行对比，若某一点的图像数据值与该点的参考图像数据值不一致，则该点发生变形，若一致，则该点未变形。
10.优选地，所述超声换能器采用弧形扫描联合算法对所述变压器绕组进行扫描，所述弧形扫描联合算法通过画弧的方式对所述变压器绕组扫描，使得一次采集可获得圆弧上所有数据，并使所述扫描范围为锥形。
11.优选地，所述起始点到所述终止点的距离为l，
12.l＝β
0.5z13.其中，β
0.5
表示锥形的所述扫描范围的顶角，z表示超声信号沿着所述透射深度传播的深度。
14.优选地，所述聚焦点的图像数据值为s(x,r)，
[0015][0016]
其中，(x,r)表示所述聚焦点的坐标，x表示沿着所述扫描方向的坐标位置，r表示沿着所述透射深度的坐标位置，各数据点用ui(i＝0,1,...,l-1)表示，u0为所述起始点，u
l-1
为所述终止点，数据点ui(i＝0,1,...,l-1)接收到的超声回波信号数据为s(ui,t)，t表示在ui(i＝0,1,...,l-1)位置的所述超声换能器发射超声信号至超声信号经绕组反射回到ui(i＝0,1,...,l-1)位置处被所述超声换能器接收的过程中超声信号的传播时间；δ(t-τi)表示时延冲激函数，其中，τi表示ui(i＝0,1,...,l-1)位置所述超声换能器所对应的延时时间；ωn为回波信号幅值变迹函数；ri表示ui(i＝0,1,...,l-1)位置到所述聚焦点之间的距离；c为声音传播速度。
[0017]
优选地，步骤s3还包括：若某一点的图像数据值与该点在所述变压器绕组未变形时的图像数据值不一致，则采用超声单点检测法对该点进行再次检测，确定该点是否变形；
[0018]
所述超声单点检测法通过向所述变压器绕组发送垂直于所述扫描方向的超声信号，然后采集超声回波信号数据，得到该点的图像数据值，若该点的图像数据值与该点的参考图像数据值依旧不一致，则该点变形，若一致，则该点未变形。
[0019]
基于同一发明构想，本发明还提供了一种变压器绕组变形检测系统，包括超声换能器、pcb电路、主控芯片和上位机；
[0020]
所述超声换能器用于放置在变压器箱壁表面，选择透射深度和扫描方向后，沿着所述扫描方向进行扫描，保证变压器箱内的变压器绕组被完全扫描，扫描时发射超声信号给所述变压器绕组，并采集超声回波信号；
[0021]
所述pcb电路包括功放电路、信号调理电路和数据采集模块，所述功放电路用于接收所述主控芯片的发射脉冲，并将所述发射脉冲的幅值放大，生成激励脉冲输出给所述超声换能器，以使所述超声换能器能够发射所述超声信号；所述信号调理电路用于将所述超声回波信号调理后发送给所述数据采集模块进行采样；所述数据采集模块采样后将所述超声回波信号发送给所述主控芯片；
[0022]
所述主控芯片基于saft算法，对所述超声回波信号进行数据处理，得到所述变压器绕组上所有点的图像数据值，并将所述所有点的图像数据值输出给上位机；
[0023]
所述上位机用于将所述变压器绕组上所有点的图像数据值分别与预先储存的所述变压器绕组未变形时所有点的参考图像数据值进行对比，若某一点的图像数据值与该点的参考图像数据值不一致，则该点发生变形，若一致，则该点未变形。
[0024]
优选地，所述信号调理电路对接收到的超声回波信号进行卷积滤波、包络处理和对数放大操作后送至所述数据采集模块进行采样。
[0025]
优选地，还包括电源模块，所述电源模块用于给所述pcb电路和所述主控芯片供电。
[0026]
综上所述，本发明提供了一种变压器绕组变形检测方法，融合了合成孔径聚焦技术，使用一个换能器沿着待测物体表面某个轨迹有序移动，并采用相位延迟的方法聚焦收到的回波信号，从而通过小孔径换能器实现大孔径阵列的目的，实现变压器绕组变形的高精度定位和检测；进一步地，本发明采用超声检测的原理，因此不存在阻抗法和振动法无法定位故障缺陷和精确测定变形量的问题；再进一步地，本发明将合成孔径聚焦技术与弧形扫描方法结合，既能实现变压器绕组变形的高分辨率检测，又能提高检测的效率；最后，本发明将单换能器弧形扫描方法与单点检测方法相结合，单点检测方法用于疑似变形点的验证，这样既保证了检测的效率，又提高了故障点的检测精度。
附图说明
[0027]
图1为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法步骤示意图；
[0028]
图2为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法中聚焦点测量示意图；
[0029]
图3为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法中聚焦点测量另一示意图；
[0030]
图4为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法流程示意图；
[0031]
图5为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法中弧形扫描示意图；
[0032]
图6为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法中弧形扫描另一示意图；
[0033]
图7为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测方法中超声单点检测示意图；
[0034]
图8为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测系统示意图；
[0035]
图9为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测系统中超声换能器的脉冲放大电路示意图；
[0036]
图10为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测系统中超声换能器的回波放大电路示意图；
[0037]
图11为本发明一实施例提供的变压器绕组变形检测系统操作流程示意图。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图1-11和具体实施方式对本发明提出的变压器绕组变形检测方法和系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说
明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0039]
参阅图1，本发明一实施例提供了一种变压器绕组变形检测方法，包括如下步骤：
[0040]
s1、将超声换能器放置于变压器箱壁表面，选择透射深度和扫描方向后，将所述超声换能器沿着所述扫描方向进行扫描，保证变压器箱内的变压器绕组被完全扫描；
[0041]
s2、将所述变压器绕组上所有点分别作为聚焦点，针对每一聚焦点，以该聚焦点进入所述超声换能器的扫描范围时所述超声换能器的位置点作为起始点，该聚焦点离开所述超声换能器的扫描范围时所述超声换能器的位置点作为终止点，将所述起始点和所述终止点以及二者之间若干位置点作为数据点，采样每个数据点的超声回波信号数据，并综合所有数据点的超声回波信号数据，得到该聚焦点的图像数据值；
[0042]
s3、将所述变压器绕组上所有点的图像数据值分别与预先储存的所述变压器绕组未变形时所有点的参考图像数据值进行对比，若某一点的图像数据值与该点的参考图像数据值不一致，则该点发生变形，若一致，则该点未变形。
[0043]
该方法融合了合成孔径聚焦技术，使用一个超声换能器沿着待测变压器表面某个轨迹有序移动，并采用相位延迟的方法聚焦收到的回波信号，从而通过小孔径换能器实现大孔径阵列的目的，实现变压器绕组变形的高精度定位和检测。
[0044]
具体实施的时候，对于所述聚焦点的检测如图2所示，设扫描方向为x，透射深度方向为z，所述超声换能器从u0位置运动到u
l-1
位置，运动距离为l，即所述起始点为u0位置，所述终止点为u
l-1
位置，包括所述起始点所在u0位置和所述终止点所在u
l-1
位置，以及两者之间多个位置，组成多个数据点ui(i＝0,1,...,l-1)位置，所述聚焦点的坐标设为(x,r)，x表示沿着所述扫描方向x的坐标位置，r表示沿着所述透射深度z的坐标位置，数据点ui(i＝0,1,...,l-1)位置到所述聚焦点的距离为ri(i＝0,1,...,l-1)，
[0045][0046]
从ui(i＝0,1,...,l-1)位置的所述超声换能器发射超声信号至超声回波信号经所述变压器绕组反射回到ui(i＝0,1,...,l-1)位置处被所述超声换能器接收，超声信号的传播时间ti(i＝0,1,...,l-1)由式(2)计算，延迟时间τi(i＝0,1,...,l-1)由式(3)计算。
[0047][0048][0049]
其中，c为声音传播速度。
[0050]
设在ui(i＝0,1,...,l-1)位置接收到的超声回波信号数据为s(ui,t)，将每个位置所述超声换能器接收的超声回波信号数据根据对应的延时时间τi(i＝0,1,...,l-1)进行叠加，最终得到所述聚焦点处的图像数据值为s(x,r)，
[0051]
[0052]
其中，δ(t-τi)表示延冲激函数，ωn为回波信号幅值变迹函数。
[0053]
最后，将所述变压器绕组上所有的点都作为聚焦点进行上述步骤，得到每个点的图像数据值，从而还原变形器绕组的图像，具体计算流程如图4所示。当所述变压器绕组发生了形变或是移位，超声信号在变压器内部的传输距离也会发生变化，于是可以利用图像数据值对所述变压器绕组外形成像，通过三维图像数据，可以反映所述变压器绕组表面的实时形变情况。
[0054]
在本实施例中，本发明采用单个所述超声换能器的弧形扫描方法，通过画弧的方式对所述变压器绕组正向扫描，使得一次采集可获得圆弧上所有数据，实现了所述变压器绕组故障快速定位，使得所述扫描范围为锥形。此时，合成孔径聚焦技术中的有效孔径长度，即所述起始点u0位置和所述终止点u
l-1
位置之间的距离l与半功率角β
0.5
，即图中锥形范围顶角β
0.5
之间的关系。在扫描位置u0位置处，聚焦点p开始进入声场覆盖区域，在扫描位置u
l-1
位置处,p点离开声场覆盖区域，在此有效孔径长度l之外，换能器扫描不到p点。有效孔径长度l的长度可以由式(5)计算：
[0055][0056]
其中，z表示为超声信号传播的深度。
[0057]
在本实施例中，对于采用单个所述超声换能器的弧形扫描方法聚焦某个聚焦点时，所述超声换能器在每个数据点ui(i＝0,1,...,l-1)处所采集到的数据不仅仅作用于此聚焦点，还作用于同一弧形上所有点，如图5所示。图中弧线arc(s0，t0),...,arc(s
l-1
，t
l-1
)上的每个点分别距扫描位置u0,...,u
l-1
之间的距离r0相同，时间延迟t0也相同，所以弧线上每一点的图像数据值均相等且由式(6)计算：
[0058]
s(arc(si,ti))＝ωisi(ti)/riꢀꢀ
(6)
[0059]
其中，ωi为变迹值或称为si的权重，si(ti)为ti时刻的图像数据值。
[0060]
具体操作是，在扫描方向依次上放置所述超声换能器，随着所述超声换能器发射出超声声场的半径ri从零变大，多次采集数据，当采集到高电平数据时，说明此时刻对应的弧线存在被检测物体，采集此数据，根据式(6)计算弧线上所有点的数据，当采集不到高电平数据时，说明此所述超声换能器位置已经扫描完毕。然后沿扫描方向移动所述超声换能器依次进行以上操作，直至遍历扫描范围。弧形扫描操作如图6所示，所述超声换能器在弧线与变压器绕组相切的时刻开始采集数据画弧，随着半径ri逐渐增大，弧线开始向下扫描，最终在位置ui处所述超声换能器可以扫描到变压器绕组上圆弧上所有点。
[0061]
在本实施例中，为了提升检测精度，还包括采用单点检测法进行验证，步骤s4还包括若某一点的图像数据值与该点在所述变压器绕组未变形时的图像数据值不一致，则采用超声单点检测法对该点进行再次检测，确定该点是否变形；所述超声单点检测法通过向所述变压器绕组发送垂直于所述扫描方向的超声信号，然后采集超声回波信号数据，得到该点的图像数据值，若该点的图像数据值与该点在所述变压器绕组未变形时的图像数据值依旧不一致，则该点变形，若一致，则该点未变形。
[0062]
具体操作如图7所示，由于超声声场在垂直方向上声场强度最大，所以为了提高检测精度，针对可疑变形点进行超声垂直方向检测，采集垂直方向上一个点的数据。超声单点检测根据式(7)计算出绕组距变压器外壳之间的距离，据此为本检测方法提高了检测精度。
[0063][0064]
式中，h为变压器绕组距变压器外壳的距离，c为超声波信号在变压器油中传播的速度，t1为超声波信号在变压器外壳中传播的时间，t2超声波信号在变压器油中传播的时间。
[0065]
基于同一发明构想，参阅图8，本发明还提供了一种变压器绕组变形检测系统，包括超声换能器、pcb电路、主控芯片和上位机；
[0066]
所述超声换能器用于放置在变压器箱壁表面，选择透射深度和扫描方向后，沿着所述扫描方向进行扫描，保证变压器箱内的变压器绕组被完全扫描，扫描时发射激励脉冲给所述变压器绕组，并采集超声回波信号；所述pcb电路包括功放电路、信号调理电路和数据采集模块，所述功放电路用于接收所述主控芯片的发射脉冲，并将所述发射脉冲的幅值放大，生成所述激励脉冲输出给所述超声换能器；所述信号调理电路用于将所述超声回波信号调理后发送给所述数据采集模块进行采样；所述数据采集模块采样后将所述超声回波信号发送给所述主控芯片；所述主控芯片基于saft算法，对所述超声回波信号进行数据处理，得到所述变压器绕组上所有点的图像数据值，并将所述所有点的图像数据值输出给上位机；所述上位机用于将所述变压器绕组上所有点的图像数据值分别与预先储存的所述变压器绕组未变形时所有点的参考图像数据值进行对比，若某一点的图像数据值与该点的参考图像数据值不一致，则该点发生变形，若一致，则该点未变形。
[0067]
具体实施的时候，参阅图11，首先将所述超声换能器放置变压器表面；然后触发所述超声换能器的探头发射超声信号；接着收到回波信号移动所述超声换能器位置同时将采集到的回波信号经信号处理模块后送入主控芯片；所述主控芯片基于saft算法，对所述超声回波信号进行数据处理，得到所述变压器绕组上所有点的图像数据值，并将所述所有点的图像数据值输出给上位机；上位机得到图像数据值将绕组形状与正常绕组形状对比得到绕组变形量；随后将明显变形点或可疑变形点挑选出来通过单点检测方法获得该点的精确变形量；最后，变形点的变形量经精确修正后汇集剩余未修改的数据通过gui程序生成变压器绕组的变形图形。所述上位机与所述主控芯片通过通讯连接，所述主控芯片一般为fpga芯片，控制fpga芯片发射3.3v频率为400khz的脉冲信号；通过所述功放电路将脉冲信号的幅值提高至200v左右；所述信号调理电路对接收到的超声回波信号进行卷积滤波、包络处理、对数放大等操作后送至数据采集模块进行采样，采样频率为20mhz，约为所述超声换能器中心频率的50倍。在fpga芯片中写入合成孔径弧形扫描算法，对采集到的数据进行画弧操作，计算结果为图像数据值，再将计算结果导入所述上位机呈现图像。
[0068]
在本实施例中，参阅图9和图10，所述超声换能器还包括脉冲放大电路和回波放大电路。如图9所示，fpga芯片产生400khz的信号驱动该脉冲放大电路中开关器件的通断。t1的低压侧输入24v的稳压信号，当ssp处输入400khz触发信号、rlu3410导通时，所述超声换能器的脉冲放大电路处于工作状态，经升压后，电路产生高压脉冲，用于驱动各阵元产生超声信号。二极管d1、d2反向并联以隔离超声信号和回波信号。如图10所示，回波放大电路为同相比例放大电路，如果检测的变压器较大，回波幅值较小，可以通过改变电路中的电阻参数改变放大倍数。
[0069]
本发明的优点在于融合了合成孔径聚焦技术，使用一个换能器沿着待测物体表面
某个轨迹有序移动，并采用相位延迟的方法聚焦收到的回波信号，从而通过小孔径换能器实现大孔径阵列的目的，实现变压器绕组变形的高精度定位和检测；进一步地，本发明采用超声检测的原理，因此不存在阻抗法和振动法无法定位故障缺陷和精确测定变形量的问题；再进一步地，本发明将合成孔径聚焦技术与弧形扫描方法结合，既能实现变压器绕组变形的高分辨率检测，又能提高检测的效率；最后，本发明将单换能器弧形扫描方法与单点检测方法相结合，单点检测方法用于疑似变形点的验证，这样既保证了检测的效率，又提高了故障点的检测精度。
[0070]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。