基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法及装置与流程

1.本发明涉及局部放电检测技术领域，尤其涉及一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法及装置。


背景技术：

2.变压器的套管出线部位具有电荷密度大、出线结构复杂的特点，此位置容易出现局部放电故障，对变压器本体和套管的绝缘造成损害，因此开展变压器出线部位的局部放电检测尤为重要。
3.目前，局部放电故障类型的检测方法主要有基于脉冲电流、基于超声传感器和基于光纤法的检测方法，并基于各种局部放电故障建立特征数据库，以对比分析得到局部放电prpd谱图、n－v谱图特征，从而实现局部放电故障类型的判别。然而，基于脉冲电流等电学局部放电故障类型检测方法容易受到外部电磁环境干扰，影响测量结果准确性，信噪比较低。而基于光纤法的局部放电故障检测方法，受限于传感器封装结构、谐振频率等因素影响，光纤超声传感器测量频带有限，且变压器出线部位局部放电所产生的超声信号能量小，经折反射传播衰减后信号微弱，无法准确检测其局部放电情况。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法及装置，在变压器发出第一超声信号时，简化频率分离流程，以提升变压器局部放电故障类型的检测效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，包括：
6.通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，接收由变压器发送的第一超声信号，并对所述第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，然后将各所述第二超声信号传导至所述声耦合环形结构的传感光纤；其中，所述第二超声信号与所述频率一一对应；
7.利用所述传感光纤，接收各所述第二超声信号和由激光器发出的传感激光，以使所述传感激光和各所述第二超声信号进行耦合，并产生各所述第二超声信号对应的背向散射光信号；
8.将所有所述背向散射光信号传导至超声测量系统，并实时检测得到所述变压器的局部放电故障类型。
9.实施本发明实施例，通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，将变压器发送的第一超声信号中不同频率的局部放电超声信号分开，以获得多个频率对应的第二超声信号，使得高频的第二超声信号分布于声耦合环形结构的内壁上部、低频的第二超信号分布于声耦合环形结构的内壁下部，并且无需通过额外的软件算法对传导至超声测量系统的信号进行频率分离，从而提升整体的检测效率。
10.作为优选方案，所述通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，接收由变压器发送的第一超声信号，并对所述第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，然后将各所述第二超声信号传导至所述声耦合环形结构的传感光纤，具体为：
11.通过所述声耦合环形结构的所述环形金属片和多个所述环形金属棒，接收经所述声耦合环形结构的磁吸底座传导的所述第一超声信号；其中，所述第一超声信号是在所述变压器的内部发生局部放电时由所述变压器向所述声耦合环形结构发送的，所述环形金属片粘贴于所述磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间，各所述环形金属棒按照预设间距内嵌于所述主体声聚焦结构的内部，所述声耦合环形结构贴附于所述变压器的变压器升高座，所述磁吸底座是由磁吸底座外壳、以及内嵌于所述磁吸底座外壳的凹槽处的钕磁铁构成的；
12.通过所述环形金属片和所述环形金属棒，对所述第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，并将各所述第二超声信号传导至所述声耦合环形结构的内表面，以实现将各所述第二超声信号传导至粘贴于所述声耦合环形结构的内表面的所述传感光纤。
13.实施本发明实施例的优选方案，通过在主体声聚焦结构的内部按照预设间距布置环形金属棒，并在磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间贴附一层环形金属片，以实现光纤超声传感的宽频增敏，从而拓宽对变压器局部放电故障类型的检测频带。
14.作为优选方案，所述将所有所述背向散射光信号传导至超声测量系统，并实时检测得到所述变压器的局部放电故障类型，具体为：
15.使用铠装光缆，对所述传感光纤的始端进行加固处理，并将所有所述背向散射光信号经加固后的所述传感光纤的始端传导至超声测量系统；
16.通过所述超声测量系统，提取得到对应的局部放电频谱特征，并结合特征数据库，对所述局部放电频谱特征进行检测，以获得所述变压器的局部放电故障类型；
17.其中，所述特征数据库包括若干种变压器局部放电故障类型对应的超声频率分布结果。
18.实施本发明实施例的优选方案，通过声耦合环形结构和超声测量系统，实现第一超声信号的频率分解和局部放电频谱特征的提取，而无需在计算机等服务端再进行特征提取，以提升局部放电故障类型的检测速率，并且，通过设置铠装光缆，能够防止此段光纤长时间暴露在外部环境中而发生损坏。
19.作为优选方案，所述的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，还包括：
20.通过信号传输系统，将所述局部放电频谱特征和所述局部放电故障类型实时传输至服务端，并控制所述服务端，实时读取并显示所述局部放电频谱特征和所述局部放电故障类型；
21.其中，所述超声测量系统布置于金属屏蔽箱内。
22.实施本发明实施例的优选方案，将超声测量系统放置于金属屏蔽箱内，可以有效消除空间中存在的其他电磁对测量过程的干扰，从而能有效降低测量难度，且提高了测量结果的准确度。此外，将局部放电频谱特征和局部放电故障类型实时传输至服务端，以便技
术人员或者其他用户通过服务端实时读取变压器的局部放电频谱特征和局部放电故障类型。
23.作为优选方案，所述的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，还包括：
24.在所述传感光纤的末端熔接匹配端子，并通过所述传感光纤的末端，将由激光器发出的传感激光传输至所述传感光纤。
25.实施本发明实施例的优选方案，在传感光纤的末端熔接匹配端子，能够防止传感激光的反射，进一步提升检测精度。
26.为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置，包括：
27.信号分频模块，用于通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，接收由变压器发送的第一超声信号，并对所述第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，然后将各所述第二超声信号传导至所述声耦合环形结构的传感光纤；其中，所述第二超声信号与所述频率一一对应；
28.耦合模块，用于利用所述传感光纤，接收各所述第二超声信号和由激光器发出的传感激光，以使所述传感激光和各所述第二超声信号进行耦合，并产生各所述第二超声信号对应的背向散射光信号；
29.检测模块，用于将所有所述背向散射光信号传导至超声测量系统，并实时检测得到所述变压器的局部放电故障类型。
30.作为优选方案，所述信号分频模块，具体包括：
31.第一信号传输单元，用于通过所述声耦合环形结构的所述环形金属片和多个所述环形金属棒，接收经所述声耦合环形结构的磁吸底座传导的所述第一超声信号；其中，所述第一超声信号是在所述变压器的内部发生局部放电时由所述变压器向所述声耦合环形结构发送的，所述环形金属片粘贴于所述磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间，各所述环形金属棒按照预设间距内嵌于所述主体声聚焦结构的内部，所述声耦合环形结构贴附于所述变压器的变压器升高座，所述磁吸底座是由磁吸底座外壳、以及内嵌于所述磁吸底座外壳的凹槽处的钕磁铁构成的；
32.信号分频单元，用于通过所述环形金属片和所述环形金属棒，对所述第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，并将各所述第二超声信号传导至所述声耦合环形结构的内表面，以实现将各所述第二超声信号传导至粘贴于所述声耦合环形结构的内表面的所述传感光纤。
33.作为优选方案，所述检测模块，具体包括：
34.第二信号传输单元，用于使用铠装光缆，对所述传感光纤的始端进行加固处理，并将所有所述背向散射光信号经加固后的所述传感光纤的始端传导至超声测量系统；
35.检测单元，用于通过所述超声测量系统，提取得到对应的局部放电频谱特征，并结合特征数据库，对所述局部放电频谱特征进行检测，以获得所述变压器的局部放电故障类型；其中，所述特征数据库包括若干种变压器局部放电故障类型对应的超声频率分布结果。
36.作为优选方案，所述的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置，还包括：
37.第一传输模块，用于通过信号传输系统，将所述局部放电频谱特征和所述局部放电故障类型实时传输至服务端，并控制所述服务端，实时读取并显示所述局部放电频谱特征和所述局部放电故障类型；其中，所述超声测量系统布置于金属屏蔽箱内。
38.作为优选方案，所述的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置，还包括：
39.第二传输模块，用于在所述传感光纤的末端熔接匹配端子，并通过所述传感光纤的末端，将由激光器发出的传感激光传输至所述传感光纤。
附图说明
40.图1：为本发明实施例一提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法的流程示意图；
41.图2：为本发明实施例一提供的声耦合环形结构的截面示意图；
42.图3：为本发明实施例一提供的由磁吸底座和环形金属片构成的组合体的截面示意图；
43.图4：为本发明实施例一提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置的结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例一：
46.请参照图1，为本发明实施例提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，该方法包括步骤s1、步骤s2和步骤s3，各步骤具体如下：
47.步骤s1，通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，接收由变压器发送的第一超声信号，并对第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，然后将各第二超声信号传导至声耦合环形结构的传感光纤；其中，第二超声信号与频率一一对应。
48.作为优选方案，步骤s1包括步骤s11和步骤s12，各步骤具体如下：
49.步骤s11，通过声耦合环形结构的环形金属片和多个环形金属棒，接收经声耦合环形结构的磁吸底座传导的第一超声信号；其中，第一超声信号是在变压器的内部发生局部放电时由变压器向声耦合环形结构发送的，环形金属片粘贴于磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间，各环形金属棒按照预设间距内嵌于主体声聚焦结构的内部，声耦合环形结构贴附于变压器的变压器升高座，磁吸底座是由磁吸底座外壳、以及内嵌于磁吸底座外壳的凹槽处的钕磁铁构成的。
50.步骤s12，通过环形金属片和环形金属棒，对第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，并将各第二超声信号传导至声耦合环形结构的内表面，以实现将各第二超声信号传导至粘贴于声耦合环形结构的内表面的传感光纤；其中，高
频的第二超声信号分布于声耦合环形结构的内壁上部，低频的第二超声信号分布于声耦合环形结构的内壁下部。
51.需要说明的是，请参照图2，在本实施例中的声耦合环形结构，包括：主体声聚焦结构1、环形金属棒2、环形金属片3、由磁吸底座外壳4和钕磁铁5构成的磁吸底座9、传感光纤6。
52.其中，主体声聚焦结构1为环形结构，由聚氨酯材料制作得到，其截面为等边三角形且等边三角形的边长为5cm，其底面内半径为15cm，其底面外半径为20cm。然后，使用丙烯酸改性环氧树脂作为粘贴剂，将传感光纤6均匀环绕粘贴于主体声聚焦结构1的内表面，其相邻光纤的间距为1mm，环绕匝数为30匝。同时，在主体声聚焦结构1的内部，沿着截面的等边三角形的垂线每隔1cm均匀布置不锈钢材质且截面半径为3cm的环形金属棒2，并使用环氧树脂填充环形金属棒2与聚氨酯材料之间的缝隙，且在主体声聚焦结构1的底面，使用环氧树脂贴附一层不锈钢材质的环形金属片3，环形金属片3的内半径为15cm、外半径为20cm、厚度为1mm，以拓宽其检测频带至20khz～200khz，实现光纤超声传感的宽频增敏。此外，在内半径为15cm、外半径为20cm、厚度为5mm的环形不锈钢结构的底面开一个内半径为16cm、外半径为19cm、深度为4mm的环形凹槽，从而形成磁吸底座外壳4，并在该环形凹槽中内嵌钕磁铁5，形成磁吸底座9。接着，请参照图3(a)和图3(b)，分别在磁吸底座9和环形金属片3的对应位置开三个成等边三角形排布的固定螺孔8，并使用螺丝固定磁吸底座9与环形金属片3，能够保证内嵌钕磁铁5的声耦合环形结构牢固粘贴于变压器表面，提高超声传导效率。
53.另外地，为了保证超声频率的分辨精度，主体声聚焦结构1、环形金属棒2、环形金属片3和磁吸底座9均需进行高精度平坦抛光处理，保证其表面不均匀凸起或凹陷不超过0.01mm。
54.步骤s2，利用传感光纤，接收各第二超声信号和由激光器发出的传感激光，以使传感激光和各第二超声信号进行耦合，并产生各第二超声信号对应的背向散射光信号。
55.作为优选方案，本发明实施例提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，还包括步骤s4，该步骤具体如下：
56.步骤s4，请参照图2，在传感光纤6的末端熔接匹配端子7，并通过传感光纤6的末端，将由激光器发出的传感激光传输至传感光纤。
57.需要说明的是，匹配端子7是使用二氧化硅构成的长度为5mm、半径为0.5mm的圆柱形装置，在制作过程中控制调整二氧化硅的掺杂比例，以使匹配端子7与传感光纤6的折射率之差小于5％，从而保证声耦合环形结构的检测精度。其中，匹配端子7的一端与传感光纤6熔接，另一端涂敷吸光涂料，用以吸收传感激光，防止激光反射而影响检测效果。
58.步骤s3，将所有背向散射光信号传导至超声测量系统，并实时检测得到变压器的局部放电故障类型。
59.在本实施例中，超声测量系统为φ－otdr(phase－sensitive optical time domain reflectometry，相敏光时域反射仪)系统。
60.作为优选方案，步骤s3包括步骤s31和步骤s32，各步骤具体如下：
61.步骤s31，使用铠装光缆，对传感光纤的始端进行加固处理，并将所有背向散射光信号经加固后的传感光纤的始端传导至超声测量系统。
62.步骤s32，通过超声测量系统执行解调与模式识别，以提取得到对应的局部放电频
谱特征，并结合特征数据库，对局部放电频谱特征进行检测，以获得变压器的局部放电故障类型；其中，特征数据库包括若干种变压器局部放电故障类型对应的超声频率分布结果。
63.作为优选方案，本发明实施例提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法，还包括步骤s5，该步骤具体如下：
64.步骤s5，通过信号传输系统，将局部放电频谱特征和局部放电故障类型实时传输至服务端，并控制服务端，实时读取并显示局部放电频谱特征和局部放电故障类型；其中，超声测量系统布置于由不锈钢材质制成的金属屏蔽箱内，金属屏蔽箱布置于待测变压器的旁边并接地，且金属屏蔽箱的尺寸可以根据超声测量系统的尺寸等实际情况适应性调整。
65.在本实施例中，该金属屏蔽箱的箱体长度为45cm、箱体宽度为45cm、箱体高度为70cm、箱体壁厚为5mm，且在箱体留有两个半径为1cm的开孔，分别用于引入传感光纤6和引出数据线，并将金属屏蔽箱引出的数据线连接至信号传输系统，实现超声测量系统与声耦合环形结构、以及超声测量系统与信号传输系统之间的数据传输。当超声测量系统输出局部放电频谱特征和局部放电故障类型等数据时，信号传输系统的第一光端机将接收到的电信号转化为光信号，然后经传输光纤，将光信号传输至第二光端机，以使第二光端机将光信号转化为电信号，并通过连接第二光端机和计算机等服务端的数据线，将电信号传输至计算机等服务端，从而能够通过计算机等服务端，实时读取并显示局部放电频谱特征和局部放电故障类型。
66.需要说明的是，超声测量系统能够同时连接多个声耦合环形结构，并将多个声耦合环形结构布置于变压器升高座表面的不同位置，能够测量不同测点的超声信号。
67.请参照图4，为本发明实施例提供的一种基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置的结构示意图，该装置包括信号分频模块m1、耦合模块m2和检测模块m3，各模块具体如下：
68.信号分频模块m1，用于通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，接收由变压器发送的第一超声信号，并对第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，然后将各第二超声信号传导至声耦合环形结构的传感光纤；其中，第二超声信号与频率一一对应；
69.耦合模块m2，用于利用传感光纤，接收各第二超声信号和由激光器发出的传感激光，以使传感激光和各第二超声信号进行耦合，并产生各第二超声信号对应的背向散射光信号；
70.检测模块m3，用于将所有背向散射光信号传导至超声测量系统，并实时检测得到变压器的局部放电故障类型。
71.作为优选方案，信号分频模块m1，具体包括第一信号传输单元11和信号分频单元12，各单元具体如下：
72.第一信号传输单元11，用于通过声耦合环形结构的环形金属片和多个环形金属棒，接收经声耦合环形结构的磁吸底座传导的第一超声信号；其中，第一超声信号是在变压器的内部发生局部放电时由变压器向声耦合环形结构发送的，环形金属片粘贴于磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间，各环形金属棒按照预设间距内嵌于主体声聚焦结构的内部，声耦合环形结构贴附于变压器的变压器升高座，磁吸底座是由磁吸底座外壳、以及内嵌于磁吸底座外壳的凹槽处的钕磁铁构成的；
73.信号分频单元12，用于通过环形金属片和环形金属棒，对第一超声信号进行频率分离处理，以获得多个频率对应的第二超声信号，并将各第二超声信号传导至声耦合环形结构的内表面，以实现将各第二超声信号传导至粘贴于声耦合环形结构的内表面的传感光纤。
74.作为优选方案，检测模块m3，具体包括第二信号传输单元31和检测单元32，各单元具体如下：
75.第二信号传输单元31，用于使用铠装光缆，对传感光纤的始端进行加固处理，并将所有背向散射光信号经加固后的传感光纤的始端传导至超声测量系统；
76.检测单元32，用于通过超声测量系统，提取得到对应的局部放电频谱特征，并结合特征数据库，对局部放电频谱特征进行检测，以获得变压器的局部放电故障类型；其中，特征数据库包括若干种变压器局部放电故障类型对应的超声频率分布结果。
77.作为优选方案，请参照图4，本发明实施例提供的基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置，还包括第一传输模块m4，该模块具体如下：
78.第一传输模块m4，用于通过信号传输系统，将局部放电频谱特征和局部放电故障类型实时传输至服务端，并控制服务端，实时读取并显示局部放电频谱特征和局部放电故障类型；其中，超声测量系统布置于金属屏蔽箱内。
79.作为优选方案，请参照图4，本发明实施例提供的基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测装置，还包括第二传输模块m5，该模块具体如下：
80.第二传输模块m5，用于在传感光纤的末端熔接匹配端子，并通过传感光纤的末端，将由激光器发出的传感激光传输至传感光纤。
81.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
82.相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
83.本发明提出了基于声耦合环形结构的变压器局部放电检测方法及装置，采用声耦合环形结构，能够将变压器发送的第一超声信号更好地汇聚在环内，以提升超声信号的捕获效果，并通过声耦合环形结构的环形金属片和环形金属棒，将第一超声信号中不同频率的局部放电超声信号分开，以获得多个频率对应的第二超声信号，使得高频的第二超声信号分布于声耦合环形结构的内壁上部、低频的第二超信号分布于声耦合环形结构的内壁下部，以便后续对不同频率信号的采集和处理，而非增加额外的软件算法实现对传导至超声测量系统的信号的频率分离，从而提升对变压器的局部放电检测效率。
84.进一步地，按照预设间距，在主体声聚焦结构的内部布置多个环形金属棒，并在磁吸底座的上表面和主体声聚焦结构的下表面之间贴附一层环形金属片，能够实现光纤超声传感的宽频增敏，从而拓宽对变压器局部放电故障类型的检测频带。此外，将超声测量系统放置于金属屏蔽箱内，能够有效消除空间中存在的其他电磁对测量过程的干扰，从而有效地降低测量难度，且提高了测量结果的准确度。
85.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。