油浸式变压器三维温度场重建方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种油浸式变压器三维温度场重建方法和系统，包括根据变压器实际外观数据和内部结构，在变压器油箱四周布设超声波换能器；采用自相关算法提取超声回波信号的到达时间；将油浸式变压器的油箱等效成三维长方体空间，并将三维长方体空间等效分解成若干个子立方体；基于

【技术实现步骤摘要】
油浸式变压器三维温度场重建方法和系统


[0001]本专利技术涉及变压器检测
，具体地，涉及一种油浸式变压器三维温度场重建方法和系统
。

技术介绍

[0002]油浸式变压器是电力输电网的主要类型，在变压器运行时，电能在绕组和铁芯中的损耗转变为热能，使绕组和铁芯的温度升高，然后热量以金属热传导的形式向外延伸，再与变压器油进行对流换热
。
所以油箱内温度分布是不均匀的，如果油温局部过热，会导致绝缘性能劣化和绝缘结构损坏，直接影响变压器的安全稳定运行
。
[0003]随着我国电力系统规模扩大以及输电电压等级提高，油浸式变压器常因内部温度过高而发生故障，影响电力系统安全稳定运行
。
由于变压器内部温度过高导致电力系统故障的比例随着电力系统规模扩大以及输电电压等级提高而增加
。
通过对国内外电网大面积停电事故原因分析，超过
85
％的变压器事故都是由内部局部温度过高造成的
。
变压器油箱温度越高，绝缘系统老化越快，使用寿命越短
。
由此可见，温度对油浸式变压器油箱绝缘寿命和安全运行而言至关重要
。
研究油箱三维温度场重建与过热温度定位对估计变压器寿命
、
确保系统安全运行具有重要的意义
。
[0004]目前，变压器油温的测量方法有直接测量法
、
热路模型法
、
数值计算法和间接测量法
。
直接测量法是将测量温度的元件，如热电偶
、
光纤光栅传感器等放入变压器待测区域内部进行测量
。
对于已经投入使用的变压器而言，存在安装困难
、
影响变压器内部绝缘以及干扰变压器内部电磁场分布等问题
。
热路模型法是基于流体力学与传热学的基本理论对变压器的绕组热点及温升分布等参数进行计算，得到顶层油温
、
热点温度的一阶微分计算式，但该模型及其改进模型的微分方程较多且非线性参数难以确定
。
随着数值计算软件的兴起和发展，基于有限体积或有限元的数值计算法也是广泛用于变压器温度场研究
。
该方法本质是求解由能量
、
质量及动量三大守恒定理构成的非线性偏微分控制方程组，从而获得所研究参量在空间上的分布或随时间的变化
。
它需要全面考虑电磁场
、
温度场
、
流场的各类边界条件以及油黏度
、
对流换热系数
、
导热系数等非线性参数，虽然计算精度较高，但是对于复杂结构的变压器需要多次试探性建模以及大量数据处理工作
。
红外测温法是通过接收物体发出的红外辐射来间接测量其表面的温度情况，但其只能检测变压器外表面的温度，无法获取油箱内部的温度分布
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种油浸式变压器三维温度场重建方法和系统
。
[0006]第一方面，本申请实施例提供一种油浸式变压器三维温度场重建方法，包括：
[0007]步骤1：根据变压器实际外观数据和内部结构，在变压器油箱四周布设超声波换能器，其中，发射换能器和接收换能器放在外壳同一高度，且一一对应；
[0008]步骤2：采用自相关算法提取超声回波信号的到达时间；
[0009]步骤3：将油浸式变压器的油箱等效成三维长方体空间，并将所述三维长方体空间等效分解成若干个子立方体；
[0010]步骤4：基于
Multiquadric
函数对提取到的超声回波信号的到达时间进行三维温度场重建，并计算出每个子立方体几何中心的温度值；
[0011]步骤5：根据每个子立方体几何中心的温度值进行三维拟合，生成油浸式变压器油箱的三维温度场图像
。
[0012]可选地，所述步骤1包括：
[0013]步骤
1.1
：确定油浸式变压器中绕组的位置；
[0014]步骤
1.2
：在油浸式变压器的油箱四周的外壳上，避开表面有加强筋
、
散热片的区域布设超声波换能器；
[0015]步骤
1.3
：在超声波换能器和对应的安装位置上涂上耦合剂进行耦合，以使得所述超声波换能器与油箱外壳之间紧密接触
。
[0016]可选地，所述步骤2包括：
[0017]在回波信号中自初始信号起，向信号起始点平移寻找回波信号的起始位置，确定回波信号接收时间
。
[0018]可选地，所述步骤3包括：
[0019]步骤
3.1
：将油浸式变压器的油箱等效成三维长方体空间，并以长方体某一个顶点为坐标原点，建立空间直角坐标系；
[0020]步骤
3.2
：将所述三维长方体空间等效分解成若干个子立方体后，将超声波换能器分别设置在所述三维长方体空间的各个面上，其中，任意两个超声波换能器形成一条超声波飞行路径
。
[0021]可选地，所述步骤4包括：
[0022]步骤
4.1
：计算出每个子立方体的中心点坐标；
[0023]步骤
4.2
：计算出超声波换能器所在坐标的矩阵，确定超声波飞行路径；
[0024]步骤
4.3
：根据采集到的每一条飞行路径对应的飞行时间，利用
Multiquadric
函数和参数方程计算出每个子立方体空间的超声波飞行时间，得到超声波飞行时间矩阵；
[0025]步骤
4.4
：将预设数量的子立方体空间上的基函数在每一条超声传播路径上的积分矩阵作为常数矩阵；
[0026]步骤
4.5
：采用奇异值分解，得到广义逆矩阵；
[0027]步骤
4.6
：计算待求的子立方体空间上的基函数的系数矩阵；
[0028]步骤
4.7
：确定待测油浸式变压器的油箱在三维空间的温度场分布；
[0029]步骤
4.8
：返回执行步骤
4.4
，直至完成整个三维长方体空间的测量
。
[0030]可选地，还包括步骤6：
[0031]通过
MATLAB GUI
软件将油浸式变压器分为上部
、
中部
、
下部三层温度场进行展示，确定三个测量层内部温度分布与过热部位的温度以及对应的位置坐标
。
[0032]第二方面，本申请实施例提供一种油浸式变压器三维温度场重建系统，应用如第一方面中任一项所述的油浸式变压器三维温度场重建方法，所述系统包括：
FPGA
主控模块
、
高压驱动电路
、
超声波发射模块
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种油浸式变压器三维温度场重建方法，其特征在于，包括：步骤1：根据变压器实际外观数据和内部结构，在变压器油箱四周布设超声波换能器，其中，发射换能器和接收换能器放在外壳同一高度，且一一对应；步骤2：采用自相关算法提取超声回波信号的到达时间；步骤3：将油浸式变压器的油箱等效成三维长方体空间，并将所述三维长方体空间等效分解成若干个子立方体；步骤4：基于
Multiquadric
函数对提取到的超声回波信号的到达时间进行三维温度场重建，并计算出每个子立方体几何中心的温度值；步骤5：根据每个子立方体几何中心的温度值进行三维拟合，生成油浸式变压器油箱的三维温度场图像
。2.
根据权利要求1所述的油浸式变压器三维温度场重建方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤
1.1
：确定油浸式变压器中绕组的位置；步骤
1.2
：在油浸式变压器的油箱四周的外壳上，避开表面有加强筋
、
散热片的区域布设超声波换能器；步骤
1.3
：在超声波换能器和对应的安装位置上涂上耦合剂进行耦合，以使得所述超声波换能器与油箱外壳之间紧密接触
。3.
根据权利要求1所述的油浸式变压器三维温度场重建方法，其特征在于，所述步骤2包括：在回波信号中自初始信号起，向信号起始点平移寻找回波信号的起始位置，确定回波信号接收时间
。4.
根据权利要求1所述的油浸式变压器三维温度场重建方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤
3.1
：将油浸式变压器的油箱等效成三维长方体空间，并以长方体某一个顶点为坐标原点，建立空间直角坐标系；步骤
3.2
：将所述三维长方体空间等效分解成若干个子立方体后，将超声波换能器分别设置在所述三维长方体空间的各个面上，其中，任意两个超声波换能器形成一条超声波飞行路径
。5.
根据权利要求1所述的油浸式变压器三维温度场重建方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤
4.1
：计算出每个子立方体的中心点坐标；步骤
4.2
：计算出超声波换能器所在坐标的矩阵，确定超声波飞行路径；步骤
4.3
：根据采集到的每一条飞行路径对应的飞行时间，利用
Multiquadric
函数和参数方程计算出每个子立方体空间的超声波飞行时间，得到超声波飞行时间矩阵；步骤
4.4
：将预设数量的子立方体空间上的基函...

【专利技术属性】
技术研发人员：生西奎，张晓华，方建博，张泽峰，吕曈，赵航，崔鑫，王继星，刘宝福，
申请(专利权)人：国网吉林省电力有限公司延边供电公司，
类型：发明
国别省市：