一种包含嵌入式传感器的智能配电变压器

1.本发明属于电力设备状态监测技术领域，涉及一种包含嵌入式传感器的智能配电变压器。


背景技术：

2.配电变压器是配电网中面向用户的设备，起着传输电能的重要作用。油浸式配电变压器长期运行时油易受潮，腐蚀金属体的同时降低绝缘强度，而且易产生局部放电使油温进一步升高甚至发生起火等事故，轻则造成停电事故，严重时更会对整个配电网的安全稳定运行造成影响。
3.油浸式配电变压器的常见故障包括绕组匝间、层间短路或长期过负荷造成的油温升高，变压器异常发热；夹件或压紧铁芯的螺钉松动造成的异常响动；内部绝缘距离不够造成的局部放电等。故障多发生在变压器内部，且具有一定累积效应和隐蔽性，轻微故障若不及时识别并排除，会发展成不可挽回的严重故障，最终造成恶性运行事故，而运维人员仅简单地对配电变压器外观进行巡视，往往无法及时发现并排出故障隐患，故障发生时为组织抢修不得不停电，对用户的正常生产生活造成影响。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种包含嵌入式传感器的智能配电变压器，实现了对配电变压器内部温度、振动、局部放电参量的实时感知，可以及时识别早期故障，及时帮助运维人员定位故障、排除故障，避免轻微故障发展成为影响用户生产生活的停电事故，延长了配电变压器的使用寿命，保障了配电网的安全稳定经济运行。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.本发明公开了一种包含嵌入式传感器的智能配电变压器，包括油箱、铁芯、铁芯上夹件、高压绕组和低压绕组，高压绕组内部和低压绕组与铁芯中间的油道内部设有若干温度传感器，铁芯上夹件上设有若干振动传感器，油箱内部设有智能终端系统和若干局部放电传感器，温度传感器、振动传感器和局部放电传感器均与智能终端系统连接，智能终端系统安装在油箱外部，智能终端系统与控制中心通讯互联。
7.优选地，若干温度传感器均布在线圈的高度方向上。
8.进一步优选地，撑条开设有布置槽，温度传感器安装在布置槽内，温度传感器包覆有绝缘纸。
9.优选地，振动传感器分别布置在铁芯上夹件与三相铁芯芯柱轴线的相交点处。
10.优选地，振动传感器表面经防油防水封装及电磁屏蔽处理，振动传感器连接的信号线为双层屏蔽的同轴电缆。
11.优选地，局部放电传感器安装在支座上，支座上开设有若干连接孔，支座通过连接孔与油箱内壁连接，局部放电传感器的天线与油接触。
12.优选地，智能终端系统包括供电模块、传感器信号集成模块、数据处理模块和通讯模块，供电模块和传感器信号集成模块分别与温度传感器、振动传感器和局部放电传感器连接，传感器信号集成模块与数据处理模块连接，数据处理模块通过通讯模块与控制中心通讯互联。
13.进一步优选地，供电模块为电流感应式，供电模块包括ac-dc变换单元、dc-ups单元和buck变换单元，ac-dc变换单元的一端与变压器低压侧连接，另一端与dc-ups单元连接，dc-ups单元分别与buck变换单元、温度传感器、振动传感器和局部放电传感器连接，buck变换单元分别与温度传感器、振动传感器和局部放电传感器连接。
14.进一步优选地，数据处理模块设在屏蔽外壳内，数据处理模块包括a/d转换单元、处理器单元和外部存储单元，a/d转换单元的一端与传感器信号集成模块连接，另一端与处理器单元连接，处理器单元与外部存储单元连接。
15.进一步优选地，外部存储单元为包括flash、sram和ram的混合存储单元。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
17.本发明公开的包含嵌入式传感器的智能配电变压器，通过在变压器内部嵌入式的设置温度传感器、振动传感器和局部放电传感器，实现了对配电变压器内部温度、振动、局部放电参量的实时感知。为准确测量绕组内部温度，综合考虑安装空间与发热部件，结合绕组电磁热仿真，温度传感器设在高压绕组内部和低压绕组与铁芯中间的油道内部。振动传感器设在铁芯上夹件上，由于变压器的振动主要由铁芯的磁致伸缩引起，但铁芯叠片上无法固定振动传感器，综合考虑结合铁芯磁致伸缩振动仿真结果，与变压器内部电磁场环境，确定将振动传感器布置于铁芯上夹件上，既尽可能靠近振动源，又便于固定安装，又不会造成变压器内部绝缘损坏。局部放电传感器设在油箱内部，能够对局部放电进行准确监测。采集的数据通过智能终端系统的处理，能够及时识别早期故障，及时帮助运维人员定位故障、排除故障，避免轻微故障发展成为影响用户生产生活的停电事故，延长了配电变压器的使用寿命，保障了配电网的安全稳定经济运行。
18.进一步地，若干温度传感器均布在线圈的高度方向上，能够监测到不同高度处变压器的温度分布情况。
19.更进一步地，撑条开设有布置槽，便于温度传感器安装在布置槽内，温度传感器包覆有绝缘纸，能够增加绝缘强度，防止局部放电。
20.进一步地，振动传感器分别布置在铁芯上夹件与三相铁芯芯柱轴线的相交点处，距离振动源较紧，又便于固定安装，同时又不会造成变压器内部绝缘损坏。
21.进一步地，振动传感器表面经防油防水封装及电磁屏蔽处理，振动传感器连接的信号线为双层屏蔽的同轴电缆，能够最大限度的降低工频干扰，确保信号的稳定。
22.进一步地，智能终端系统的功能齐全，能够集供电、数据采集、数据处理和通讯为一体。
23.更进一步地，供电模块为电流感应式，能够直接从变压器内部通过电流感应供能；供电模块包括ac-dc变换单元、dc-ups单元和buck变换单元，ac-dc变换单元能够利用变压器低压侧220v的交流电压作为电源，将220v的交流电转换为恒压直流；dc-ups单元能够作为不间断电源持续为后级提供稳定的直流电压，防止系统发生故障时传感器突然断电，无法工作；buck变换单元为后级不同传感器分别提供不同电压幅值的电源电压。
24.更进一步地，数据处理模块设在屏蔽外壳内，使数据处理模块具有抗电磁场干扰能力。
25.更进一步地，外部存储单元为包括flash、sram和ram的混合存储单元，能够保证数据的安全性与可靠性，同时可以极大程度地提高可编程单片机的处理速度。
附图说明
26.图1为本发明的包含嵌入式传感器的智能配电变压器的总体结构示意图；
27.图2为实施例中温度传感器的安装位置示意图；
28.图3为实施例中温度传感器的安装结构示意图；
29.图4为智能终端的系统构成示意图。
30.图中，1为油箱，2为铁芯，3为铁芯上夹件，4为振动传感器，5为高压绕组，6为低压绕组，7为温度传感器，8为局部放电传感器，9为智能终端系统，10为撑条。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
32.如图1，为本发明的包含嵌入式传感器的智能配电变压器，包括油箱1、铁芯2、铁芯上夹件3、高压绕组5和低压绕组6，其特征在于，高压绕组5内部和低压绕组6与铁芯2中间的油道内部设有若干温度传感器7，铁芯上夹件3上设有若干振动传感器4，油箱1内部设有智能终端系统9和若干局部放电传感器8，温度传感器7、振动传感器4和局部放电传感器8均与智能终端系统9连接，智能终端系统9安装在油箱1外部，智能终端系统9与控制中心通讯互联。
33.在本发明的一个较优的实施例中，若干温度传感器7均布在线圈的高度方向上。具体地，撑条开设有布置槽，温度传感器7安装在布置槽内，温度传感器7包覆有绝缘纸。
34.在本发明的一个较优的实施例中，振动传感器4分别布置在铁芯上夹件3与三相铁芯2芯柱轴线的相交点处。
35.在本发明的一个较优的实施例中，振动传感器4表面经防油防水封装及电磁屏蔽处理，振动传感器4连接的信号线为双层屏蔽的同轴电缆。
36.在本发明的一个较优的实施例中，局部放电传感器8安装在支座上，支座上开设有若干连接孔，支座通过连接孔与油箱1内壁连接，局部放电传感器8的天线与油接触。
37.如图4，在本发明的一个较优的实施例中，智能终端系统9包括供电模块、传感器信号集成模块、数据处理模块和通讯模块，供电模块和传感器信号集成模块分别与温度传感器7、振动传感器4和局部放电传感器8连接，传感器信号集成模块与数据处理模块连接，数据处理模块通过通讯模块与控制中心通讯互联。
38.进一步优化地，供电模块为电流感应式，供电模块包括ac-dc变换单元、dc-ups单元和buck变换单元，ac-dc变换单元的一端与变压器低压侧连接，另一端与dc-ups单元连接，dc-ups单元分别与buck变换单元、温度传感器7、振动传感器4和局部放电传感器8连接，buck变换单元分别与温度传感器7、振动传感器4和局部放电传感器8连接。
39.进一步优化地，数据处理模块设在屏蔽外壳内，数据处理模块包括a/d转换单元、处理器单元和外部存储单元，a/d转换单元的一端与传感器信号集成模块连接，另一端与处
理器单元连接，处理器单元与外部存储单元连接。优选地，外部存储单元为包括flash、sram和ram的混合存储单元。
40.下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
41.本实施例选取温度传感器7为pt100，按照图2所示位置布置于高压绕组5内部以及低压绕组6与铁芯2中间的油道，距离绕组上下各1/3处，采用图3所示在撑条中开槽的方式进行安装，并包皱纹纸解决绝缘问题。
42.选取振动传感器4为加速度传感器dk37a23f100，按照图1所示布置于铁芯上夹件3与三相芯柱轴线交汇处，根据铁轭位置的电磁场强度设计传感器屏蔽和布线方案。传感器表面经防油防水封装及电磁屏蔽处理，传感器信号线采用双层屏蔽的同轴电缆，降低工频干扰，确保信号的稳定。
43.选取局部放电传感器8为pdu-t2，按照图1所示布置于油箱1上，通过法兰连接油箱1内部，确保天线与油良好接触。
44.在配电变压器的生产制造过程中，将传感器按照上述布置方案布置于相应位置，其中在线圈组装工序布置温度传感器7，在器身组装工序布置振动传感器4，同时在油箱1相应位置开孔布置局部放电传感器8，在箱盖上开孔将传感器引线引出。减少油箱1外散热片的数量，以安装智能终端系统9，就近安装，尽量减小引线距离，同时做好油箱1密封。
45.智能终端系统9内部包含能供电模块、多传感器信号集成模块、数据处理与计算模块、通讯模块。供电模块采用直接从变压器内部通过电流感应供能的方式，装置的电源供应主要分为三步：ac-dc变换、dc-ups和buck变换模块。其中ac-dc变换是利用智能配电变压器低压侧220v的交流电压作为电源，将220v的交流电转换为恒压直流。为防止系统发生故障时传感器突然断电，无法工作，增加了dc-ups作为不间断电源持续为后级提供稳定的直流电压。buck变换模块则是为后级不同传感器分别提供不同电压幅值的电源电压。
46.多传感器信号集成模块利用运放及外围电路实现信号的ad转换及幅值的归一化，归一化后的数据在传输至可编程单片机时可以保证数据的稳定性，便于传输与存储。数据处理与计算模块以可编程单片机(或fpga逻辑控制单元)为核心，保证足够的运算速度；数据从多传感器信号集成模块获取之后通过ad转换模块在可编程单片机中被处理，对预处理后的温度、局放与振动数据进行联合初步诊断，如数据异常将触发报警；通过边缘计算对配电变压器的状态进行监测，基于现有的“温度、振动、局放状态量—寿命”的关系曲线进行设备状态评估、故障预警与寿命评估，从而根据所评估的配电变压器的剩余寿命来定制相应的维护方案。外部存储模块为由flash、sram、ram组成的混合存储模块，混合内存可以保证数据的安全性与可靠性，同时可以极大程度地提高可编程单片机的处理速度。编程单片机处理器与计算模块与外部存储模块外部均采用屏蔽外壳，使得编程单片机处理器与计算模块与外部存储模块具有抗电磁场干扰能力。通讯模块采用4g/5g无线发射装置实现无线共网传输。
47.需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。