一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测系统
技术领域
本实用新型涉及一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测系统，属于高电压与绝缘技术领域。
背景技术
油纸电容式变压器套管结构紧凑、复杂，如果在出厂及现场安装时设计不当，在长期的强电磁场及恶劣大气环境下容易成为变压器绝缘中最薄弱的环节。据不完全统计，在交流高压变压器附件所引发故障缺陷中，变压器套管发生故障的比例仅次于分接开关，达到了35％～45％。
常见的变压器套管缺陷包括绝缘受潮、外绝缘表面积污闪络、悬浮电位放电、末屏接地不良、绝缘油渗漏等。其中，油纸电容式变压器套管更为容易发生内部受潮故障，由于油纸电容式套管绝缘受潮导致的事故案例，居于变压器套管故障类型中的前列。变压器套管内部故障缺陷潜伏性强，发展到一定程度，容易导致燃烧、爆炸等突发恶劣事故。因此，及时发现变压器套管潜在受潮故障缺陷具有十分重要的意义。
目前，变压器套管故障缺陷的判定主要依靠两种手段：一是定期检修，即通过离线测量套管电容量、介质损耗、频域介电谱来进行故障诊断，该方法工作量大、操作繁琐，需要停电处理，且无法及时发现潜在故障缺陷。二是现场带电检测，主要有紫外成像检测和红外成像检测两种方式，紫外成像方式主要针对于套管的外部异常电晕放电，红外成像方式主要针对套管的表面、接头异常发热故障，该两种方式均完全无法实现变压器套管故障缺陷的及时感知，且无法检测出劣化、受潮等内部缺陷。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测系统，以解决现有技术中无法实现变压器套管故障缺陷的及时感知，且无法检测出内部受潮缺陷的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测系统，包括状态感知前端、与状态感知前端电性连接的中继处理端、与中继处理端通信连接的客户终端；
所述状态感知前端：用于获取油纸电容式变压器套管的电场强度；
所述中继处理端：用于基于所述电场强度识别油纸电容式变压器套管的受潮程度，以及向客户终端推送所述受潮程度。
进一步地，所述状态感知前端设有三个且对应部署于A相、B相、C相油纸电容式变压器套管的法兰处，用于对应监测A相、B相、C相油纸电容式变压器套管法兰处工频电场强度轴向分量幅值。
进一步地，所述中继处理端包括与状态感知前端电性连接的后台中继、分别与后台中继和客户终端通信连接的云端服务器；
所述后台中继：用于基于所述电场强度求取油纸电容式变压器套管在相邻时段区间内和总体时段区间内的电场强度变化率，以及基于油纸电容式变压器套管在相邻时段区间内和总体时段区间内的电场强度变化率判定油纸电容式变压器套管的受潮程度；
所述云端服务器：用于响应于客户终端的访问请求，向客户终端发送所述受潮程度。
进一步地，所述状态感知前端采用软件或/和硬件方式进行低功耗运行，状态感知前端包括顺序电性连接的微型电场探头、放大滤波模块、第一控制器、第一无线通信模块；
所述微型电场探头用于将油纸电容式变压器套管的工频电场强度转化为电信号；
所述放大滤波模块用于对所述电信号进行放大或/和滤除干扰分量，获取工频电场信号；
所述第一控制器用于对所述工频电场信号进行软件滤波；
所述第一无线通信模块用于将软件滤波后的工频电场信号传输至后台中继。
进一步地，所述后台中继包括第二控制器以及分别与其电性连接的第二无线通信模块、第三无线通信模块；
所述第二无线通信模块用于接收由第一无线通信模块传输的软件滤波后的工频电场信号；
所述第二控制器用于对软件滤波后的工频电场信号进行解析，识别油纸电容式变压器套管的受潮程度；
所述第三无线通信模块用于将所述受潮程度传输至云端服务器。
进一步地，第一控制器或/和第二控制器包括MCU模块，第一无线通信模块或/和第二无线通信模块包括Lora通讯模块，第三无线通信模块包括GPRS通信模块。
与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：本实用新型系统非接触式实时监测油纸电容式变压器套管法兰附近的工频电场强度，从而获取油纸电容式变压器套管的电场强度，基于电场强度采用受潮分析识别算法准确判断变压器套管是否内部受潮，通过云端服务器将识别结果及时推送至客户终端，以达到及时获知变压器套管运行状态的目的，不仅能够弥补现有检测手段的不足，填补变压器套管内部缺陷非接触式在线监测技术的空白，而且能以及时发现潜在故障缺陷，进一步保证辖区内超特高压变电站的安全稳定运行。
附图说明
图1是本实用新型系统实施例的工作原理示意图；
图2是本实用新型系统实施例中所述状态感知前端的组成结构示意图；
图3是本实用新型系统实施例中所述状态感知前端的低功耗工作流程示意图；
图4是本实用新型系统实施例中所述后台中继的组成结构示意图；
图5是本实用新型系统实施例中所述受潮分析识别算法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
油纸电容式变压器套管在劣化、受潮到一定程度后，其整体介电特性将发生显著改变，从而影响其空间电场分布。基于上述原理，本实用新型具体实施方式提供了一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测方法，包括如下步骤：
(1)实时监测A相、B相、C相油纸电容式变压器套管法兰附近工频电场强度轴向分量幅值，即A相、B相、C相油纸电容式变压器套管的电场强度。
(2)基于监测获取的电场强度，采用受潮分析识别算法识别油纸电容式变压器套管的受潮程度，具体如下：
将总监测时长划分为若干个时段，假设每个时段的时长为T。首先，求取各相油纸电容式变压器套管相邻两个时段相比的电场强度幅值变化率，当该值稳定并且在预设时间段t内基本维持不变时，初始化时钟为0；接着，监测获取各相油纸电容式变压器套管在第一个时段内的电场强度幅值平均值Ex(0)、在第(n－1)个时段内的电场强度幅值平均值Ex((n－1)T)、在第n个时段内的电场强度幅值平均值Ex(nT)，其中x＝A,B,C；然后，求取各相油纸电容式变压器套管在第n个时段与第(n－1)个时段相比的电场强度幅值变化率，即相邻时段区间内的电场强度变化率δx(n)；然后，求取各相油纸电容式变压器套管在第n个时段与第一个时段相比的电场强度幅值变化率，即总体时段区间内的电场强度变化率ηx(n)。其计算公式如式(1)所示：
如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)达到10％～20％，则认为该相套管出现内部已轻度受潮；如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)达到20％～30％，则认为该相套管出现内部已中度受潮；如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)大于30％，则认为该相套管出现内部已严重受潮。
如果在第k个时段内，三相套管所对应的δx(k)突然出现显著变化，且彼此大小相近，则可认定是由于变压器套管的运行电压或者其他环境因素发生了改变。此时，总体时段区间内的电场强度变化率ηx(n)需要改写为式(2)的表达形式，以消除外界环境变化对电场强度幅值带来的影响，具体如下：
(3)响应于客户终端的访问请求，向客户终端发送所述受潮程度，以及时感知和监测油纸电容式变压器套管受潮的内部缺陷。
本实用新型具体实施方式还提供了一种油纸电容式变压器套管内部受潮监测系统，用于实现前述实用新型方法，如图1所示，是本实用新型系统实施例的工作原理示意图，包括状态感知前端、后台中继、云端服务器和客户终端，其中后台中继与云端服务器共同构成中继处理端。其工作原理如下：状态感知前端共设有三个，分别实时监测A、B、C三相变压器套管法兰附近工频电场强度轴向分量幅值，即A相、B相、C相油纸电容式变压器套管的电场强度；三个状态感知前端将监测数据发送给一个后台中继，后台中继利用内部搭载的受潮分析识别算法对监测数据进行分析处理，获取三相变压器套管各相受潮程度；后台中继将各相受潮程度传送至云端服务器；客户终端通过访问云端服务器，来获取状态感知前端、后台中继的工作状态以及油纸电容式变压器套管各相受潮程度。
如图2所示，是本实用新型系统实施例中所述状态感知前端的组成结构示意图，所述状态感知前端由微型电场探头、放大滤波模块、第一无线通信模块、第一控制器、锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块组成，其中微型电场探头、放大滤波模块、第一控制器、第一无线通信模块顺序电性连接，本实施例中，微型电场探头用于探测变压器套管工频电场强度，第一控制器选用微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU模块)，第一无线通信模块选用Lora通讯模块。状态感知前端的工作原理为：微型电场探头工作在无源状态；放大滤波模块将微型电场探头输入的微弱电压信号放大，并滤除高频电磁干扰分量，输出至MCU模块的ADC端口；MCU模块采集ADC端口工频电场信号、并采取软件滤波的方式进一步消除外部干扰，然后将信号传送至Lora通讯模块，实现数据无线透传。所述状态感知前端中的放大滤波模块、Lora通讯模块、MCU模块由锂电池供电；所述电池电压采集模块通过电阻分压的方式，将锂电池电压转换为MCU可读取的ADC信号，MCU模块采集ADC端口电池电压信号，然后将信号传送至Lora通讯模块；当锂电池馈电时，可通过外部电源，经所述充电保护模块向锂电池充电。
为实现低功耗、长航时在线监测，状态感知前端采用软件、硬件两种方式实现低功耗运行，如图3所示，是本实用新型系统实施例中所述状态感知前端的低功耗工作流程示意图，所述软件方式即指，MCU内核进入休眠模式，此时MCU的功耗达到最低。所述硬件方式即指，MCU在进入休眠模式前，运行指令以切断外设(放大滤波模块、Lora通讯模块)的电源，此时外设的功耗完全变为0。低功耗、长航时的工作逻辑为，初始化时钟，判断该时钟是否为进入低功耗模式时钟，如果不是的话，状态感知前端正常工作，即监测、发送数据；如果是的话，MCU模块首先触发指令断开外设(放大滤波模块、Lora通讯模块)电源，然后自身进入休眠模式，继而等待唤醒时钟；进入唤醒时钟后，MCU模块退出休眠模式，触发指令恢复外设供电，状态感知前端继续监测、发送数据。所述状态感知前端采用软件、硬件两种方式实现低功耗、长航时的在线监测，从而充分保证系统的在线率。所述状态感知前端工作时，其采用捆扎或磁吸等方式粘附在变压器套管法兰径向距离20cm以内的油箱壳体上，每一相变压器套管各安装一个，其与套管无直接电气连接，实现非接触式在线监测。
如图4所示，是本实用新型系统实施例中所述后台中继的组成结构示意图，所述后台中继由第二控制器、第二无线通信模块、第三无线通信模块、锂电池、电池电压采集模块及充电保护模块组成，其中，第二无线通信模块、第三无线通信模块分别与第二控制器电性连接。本实施例中，第二控制器采用MCU模块，第二无线通信模块选用Lora通讯模块，第三无线通信模块选用GPRS模块。所述GPRS模块、Lora通讯模块、MCU模块由锂电池供电；当锂电池馈电时，可通过外部电源，经所述充电保护模块向锂电池充电。后台中继的工作原理为：Lora通讯模块接收状态感知前端所发送电场数据，并传送至MCU模块；MCU模块对接收到的电场数据进行解析，根据其变化趋势采用受潮分析识别算法来分析识别油纸电容式套管是否出现内部受潮，并将工频电场强度幅值、变压器套管状态判断结果发送至GPRS模块，继而由GPRS模块传输至云端服务器；所述后台中继中的MCU模块还将状态感知前端的电池电压数据，以及后台中继本身的电池电压数据，发送至GPRS模块，继而传输至云端服务器，实现前端、后台的工作状态监测。
如图5所示，是本实用新型方法实施例中所述受潮分析识别算法的流程示意图，其基本思想为：
(1)后台中继的MCU模块启动，接收各相油纸电容式变压器套管的电场强度，求取相邻两个时段相比的电场强度幅值变化率，当该值稳定并且在预设时间段t内基本维持不变时，则自检完成，初始化时钟为0；
(2)将总监测时长划分为若干个时段，设定每个时段的时长为T。监测获取各相油纸电容式变压器套管在第一个时段内的电场强度幅值平均值Ex(0)、在第(n－1)个时段内的电场强度幅值平均值Ex((n－1)T)、在第n个时段内的电场强度幅值平均值Ex(nT)，其中x＝A,B,C；然后，求取各相油纸电容式变压器套管在第n个时段与第(n－1)个时段相比的电场强度幅值变化率，即相邻时段区间内的电场强度变化率δx(n)；然后，求取各相油纸电容式变压器套管在第n个时段与第一个时段相比的电场强度幅值变化率，即总体时段区间内的电场强度变化率ηx(n)。其计算公式如式(1)所示：
如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)达到10％～20％，则认为该相套管出现内部已轻度受潮；如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)达到20％～30％，则认为该相套管出现内部已中度受潮；如果得到δx(n)保持不小于0，且ηx(n)大于30％，则认为该相套管出现内部已严重受潮。
如果在第k个时段内，三相套管所对应的δx(k)突然出现显著变化，且彼此大小相近，则可认定是由于变压器套管的运行电压或者其他环境因素发生了改变。此时，总体时段区间内的电场强度变化率ηx(n)需要改写为式(2)的表达形式，以消除外界环境变化对电场强度幅值带来的影响，具体如下：
本实施例中，前述“显著变化”是指δx(k)大于10％，前述“大小相近”是指δA(k)、δB(k)、δC(k)三个数值与其平均值的偏差不超过8％。
以某变电站35kV油纸电容式变压器套管A相受潮监测情况为例，于11月12日上午9时发出了轻度受潮报警。本实施例中，t取5分钟，T取1小时。根据上述受潮分析识别算法，在报警时监测得到法兰附近电场强度达到8.5kV/m，与其Ex(0)＝7.5kV/m相比，总体时段区间内的电场强度变化率ηx为13.3％，大于10％，且相邻时段区间内的电场强度变化率δx不小于0，故发出轻度受潮报警。从11月10日监测数值开始上升，至发出轻度受潮信息，经历了大概48小时，表明水分一旦大量侵入变压器套管，将在数天后出现明显迹象。经检查，被监测套管法兰圆盘未紧固而有移位，且当地11月持续下雨，雨水从法兰缝隙处浸入，沿电容芯子表面向绝缘下部扩散，致使油纸绝缘下半部分明显受潮。对其进行油纸取样并开展水分含量测试，得到其含水量为5％左右，与本实施例监测结果相符，证实了本实用新型的有效性。
本实用新型系统通过非接触式实时监测油纸电容式变压器套管法兰附近的工频电场强度，从而准确判断变压器套管是否内部受潮，以达到及时获知变压器套管运行状态的目的，不仅能够弥补现有检测手段的不足，填补变压器套管内部缺陷非接触式在线监测技术的空白，而且能以及时发现潜在故障缺陷，进一步保证辖区内超特高压变电站的安全稳定运行。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
