一种矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置

摘要

一种矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置是由微处理器单元、传感器单元、信号调理单元、数据采集单元、数据存储单元和通讯单元构成，其所述各单元是由电压和电流互感器，温度、电流和脉冲电流传感器获取信号，由信号调理单元将电压和电流互感器、温度和电流传感器输出信号变换为0～3V内的信号，将脉冲电流传感器输出信号变换为-2V～+2V内的信号，由数据采集单元和微处理器单元对信号调理单元输出信号数据采集和信号处理，由数据存储单元实现数据的实时存储，通讯单元支持所述装置与监测监控网络的兼容性集成连接，用于数据集中处理、特性分析和资源共享。本装置监测参数全面，结构简单，能够保证矿井生产的连续性、可靠性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变压器诊断预警装置，尤其是一种对矿用隔爆型干式变压器的运行状态和故障征兆进行实时在线监测，并具有故障诊断及预警功能的装置。

技术背景

煤炭生产的自动化对煤矿安全生产的要求越来越高，但每年因供电系统故障引起的各种煤矿安全事故频频发生，约占总事故的70％左右。移动变电站是井下的供电枢纽，其隔爆型干式变压器性能和状态的好坏直接影响着煤矿井下供电的可靠性、安全性和连续性。但由于矿用隔爆型干式变压器监测参数单一、缺乏有效的在线监测手段，从而无法获知干式变压器的运行状态，更无法发现其故障隐患并做出故障诊断及预警。如果能对矿用隔爆型干式变压器进行故障诊断及预警，及早确定故障的性质、类别、原因和部位，变事后分析为事前预警，遏制事故的萌发，减少危害波及的范围，将使煤矿供电系统安全事故频发的现状得到极大的改观。因此，对矿用隔爆型干式变压器进行故障诊断及预警具有很重要的现实意义。

矿用隔爆型干式变压器的状态可以通过其三相运行电压和电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流及局部放电等参数来表征。现有公告号为CN2821586的一种“干式变压器综合测控仪”的实用新型专利，采用了较为丰富的监测手段，提供了一种对开启式干式变压器的电压、电流、温度进行综合监控的装置。但是，由于矿用隔爆型干式变压器和开启式干式变压器在结构上的差别和使用环境的不同，并不能将该测控仪直接用于矿用隔爆型干式变压器，而且该监控仪的监测参数并不全面，未涉及铁芯泄漏电流和局部放电两类重要参数的监测。因为：第一，对铁芯泄漏电流的监测将有利于发现干式变压器常见故障之一的铁芯多点接地现象；第二，干式变压器绝缘的老化和破坏都是从局部放电开始的。所以对这些参数的监测有利于全面掌握干式变压器的运行状态和故障征兆，并通过对这些特征参数的在线监测和实时分析，利用人工智能理论进行数据融合和知识处理，由专家系统做出故障诊断及预警。目前还未见到矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警的文献报道，而在市场上销售的矿用隔爆型干式变压器仅仅是利用安装于防爆外壳内的热继电器进行超温跳闸保护，检测参数单一，未获取监测的实时数据以及准确地诊断故障，无法预警，使得在事故发生前，相关人员无法及时、准确了解变压器的运行状态；在事故发生后，相关人员也无法全面掌握变压器的故障信息，更无法快速、准确定位事故的原因。因此，迫切需要发明一种矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置。

发明内容

本发明基于现有矿用隔爆型干式变压器利用热继电器进行超温跳闸保护，未能监测其运行状态和故障征兆并预警的不足，提供一种监测参数全面、具有故障诊断及预警功能、结构简单、安装方便的分布式网络化矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置，以保证矿井生产的连续性、可靠性和安全性。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置，包括微处理器单元、传感器单元、信号调理单元、数据采集单元、数据存储单元和通讯单元，其所述各单元是通过3个电压互感器、3个电流互感器、4个温度传感器、1个电流传感器和4个脉冲电流传感器分别获取矿用隔爆型干式变压器的三相运行电压和电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流及三相绕组和铁芯局部放电信号；通过信号调理单元将3个电压互感器、3个电流互感器、4个温度传感器和1个电流传感器输出的信号分别变换为幅值在0～3V范围内的信号，将4个脉冲电流传感器输出的信号分别变换为幅值在-2V～+2V范围内的信号，通过数据采集单元和微处理器单元完成对信号调理单元输出信号的数据采集和信号处理，通过数据存储单元实现数据的实时存储，通讯单元支持所述装置与监测监控网络的兼容性集成连接，用于数据的集中处理、特性分析和资源共享；

所述微处理器单元包括微处理器U1、电平转换芯片U2和U3、有源晶振U4、电压监控芯片U5和按键S1及JTAG接口U6，微处理器U1采用了TI公司的高性能32位低功耗DSP芯片；

所述传感器单元包括3个电压互感器、3个电流互感器、4个温度传感器、1个电流传感器和4个脉冲电流传感器；

所述信号调理单元包括3个电压调理电路、3个电流调理电路、4个温度调理电路、1个铁芯泄漏电流调理电路和1个局部放电调理电路，3个电压调理电路的输入端分别与3个电压互感器的输出端相连接，3个电流调理电路的输入端分别与3个电流互感器的输出端相连，4个温度调理电路的输入端分别与4个温度传感器的输出端相连接，1个铁芯泄漏电流调理电路的输入端与1个电流传感器的输出端相连接，1个局部放电调理电路的输入端与4个脉冲电流传感器的输出端相连接；

所述数据采集单元包括DSP内部A/D转换器和外扩高速A/D转换器，DSP内部A/D转换器的11个输入端口分别与3个电压调理电路、3个电流调理电路、4个温度调理电路和1个铁芯泄漏电流调理电路的输出端相连接，外扩高速A/D转换器的输入端与1个局部放电调理电路的输出端相连接；

所述数据存储单元包括512k×16位SRAM芯片U30，SRAM芯片U30数据端和地址端分别与微处理器U1的数据端和地址端相连接，SRAM的片选线与微处理器U1的外部区域片选线相连接，读写控制线分别与微处理器U1的读写控制线相连接；

所述通讯单元包括RS-485收发器U31、光耦隔离器件U32、U33、U34和反相器U35，RS-485收发器U31通过光耦隔离器件U32、U33、U34和反相器U35与微处理器U1的串口SCIRXDA端、SCITXDA端和GPIOA4端相连接；

所述微处理器固化了三相运行电压和电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流及三相绕组和铁芯局部放电信号的监测程序，包括主程序、A/D转换子程序、信号处理子程序和通讯子程序。

本发明实施上述矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：该装置通过对隔爆型干式变压器三相运行的电压和电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流及局部放电等参数进行实时在线监测；采用适于煤矿井下高速通信的RS-485电路，能够完成远程通讯，数据传输距离达到1.2km，数据传输速率达到2.5Mbps；利用人工智能理论进行多源信息融合，建立专家系统，具有故障诊断及预警功能，也能够及时发现矿用隔爆型干式变压器的潜在故障，及早反馈故障信息，准确定位故障，尽快提出故障排除措施，克服目前矿用隔爆型干式变压器监测参数单一、缺乏有效的在线监测手段、无法进行故障诊断及预警等现有技术的不足，避免了对矿用隔爆型干式变压器的定期人工巡检，提高了矿用隔爆型干式变压器及供电系统运行的连续性、可靠性和安全性。

本发明装置以现有功能强大的、价格低廉的32位低功耗DSP芯片为中央处理器，简化了系统外围硬件扩展，体积小，结构简单，成本低，还便于安装；采用防雷和抗浪涌电路、硬件集成滤波器和软件数字滤波器，提高了系统的抗干扰能力，便于后期的进一步推广。本监测装置不仅适用于矿用隔爆型干式变压器，而且对其它高压电力设备故障诊断及预警也具有一定的实用价值，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的微处理器单元电路原理图；

图3是本发明的电压调理电路原理图；

图4是本发明的电流调理电路原理图；

图5是本发明的温度调理电路原理图；

图6是本发明的铁芯泄漏电流调理电路原理图；

图7是本发明的局部放电调理电路原理图；

图8是本发明的高速数据采集电路原理图；

图9是本发明的数据存储单元电路原理图；

图10是本发明的通讯单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细描述本发明提出的矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置，本专业的普通技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明，同样，本具体实施例也能够带来如上所述的积极效果，实现本发明所述目的。

实施方式1

实施本发明一种矿用隔爆型干式变压器故障诊断预警装置，包括微处理器单元、传感器单元、信号调理单元、数据采集单元、数据存储单元和通讯单元。

如图1所述的系统结构图。

如图2到图10所述的监测装置各单元电路原理图。

其中：如图2所述的微处理器单元主要包括微处理器U1、电平转换芯片U2和U3、有源晶振U4、电压监控芯片U5和按键S1及JTAG接口U6。通过微处理器单元实现信号处理。微处理器U1采用了TI公司的高性能32位低功耗DSP芯片。利用5V转3.3V电平转换芯片U2提供系统所需的3.3V电源，利用5V转1.8V电平转换芯片U3提供系统所需的1.8V电源。利用有源晶振U4提供时钟信号。采用电压监控芯片U5和按键S1实现系统的电压监控和复位功能。当系统的电源电压发生瞬时断电，且VCC低于2.7V时，U5的OUT引脚输出低电平使微处理器U1复位。这样，保证在电源电压波动时，微处理器U1工作状态正常。同时，在U5的OUT引脚上外接按键S1，可对系统实施手动硬复位。利用JTAG接口U6实现系统在线调试。

所述的传感器单元主要包括3个电压互感器、3个电流互感器、4个温度传感器、1个电流传感器和4个脉冲电流传感器，分别获取矿用隔爆型干式变压器的三相运行电压和电流、三相绕组和铁芯温度、铁芯泄漏电流及三相绕组和铁芯局部放电信号。电压互感器选用干式矿用电压互感器。电流互感器选用干式矿用电流互感器。温度传感器选用Pt100铂电阻。电流传感器选用穿心式无源宽量程电流传感器。脉冲电流传感器选用频带为20MHz的Rogowski线圈。

所述的信号调理单元主要包括电压调理电路、电流调理电路、温度调理电路、铁芯泄漏电流调理电路和局部放电调理电路。通过信号调理单元将3个电压互感器、3个电流互感器、4个温度传感器和1个电流传感器输出的信号分别变换为幅值在0～3V范围内的信号，将4个脉冲电流传感器输出的信号分别变换为幅值在-2V～+2V范围内的信号。如图3所示，电压调理电路主要包括二次电压互感器U7和运算放大器U8、U9。二次电压互感器U7的输入端与电压互感器的输出端相连，其输出端与运算放大器U8的输入端相连。运算放大器U8的输出端与运算放大器U9的输入端相连。电压调理电路将采集的电压信号变换为微处理器U1内部A/D转换器接收范围内的信号。如图4所示，电流调理电路主要包括二次电流互感器U10和运算放大器U11、U12。二次电流互感器U10的输入端与电流互感器的输出端相连，其输出端与运算放大器U11的输入端相连。运算放大器U11的输出端与运算放大器U12的输入端相连。电流调理电路将采集的电流信号变换为微处理器U1内部A/D转换器接收范围内的信号。如图5所示，温度调理电路主要包括温度一电压变送芯片U13。温度调理电路的3个输入端1、2、3与三线制温度传感器Pt100铂电阻的3个输出端相连。温度调理电路将采集的温度信号变换为微处理器U1内部A/D转换器接收范围内的信号。如图6所示，铁芯泄漏电流调理电路主要包括运算放大器U14、U15。运算放大器U14的输入端与电流传感器的输出端相连，其输出端与运算放大器U15的输入端相连。铁芯泄漏电流调理电路将采集的铁芯泄漏电流信号变换为微处理器U1内部A/D转换器接收范围内的信号。本装置采用扩大差动平衡法采集三相绕组和铁芯局部放电信号，即4个脉冲电流传感器分别从A相、B相、C相高压侧进线端和铁芯接地片上拾取高频局部放电信号。4个脉冲电流传感器的输出信号经过初级放大后，由2个四选一模拟开关分别同时选通其中2路信号作为差动信号源，组成一个平衡对，并对这2个信号进行差动比较，就可以放大内部局部放电信号，同时抑制外部干扰信号。如图7所示，局部放电调理电路主要包括仪表放大器U16、U17、U18、U19、U22、四选一模拟开关U20、U21、低通椭圆滤波器U23、运算放大器U24、U25。仪表放大器U16、U17、U18、U19的输入端分别与4个脉冲电流传感器的输出端相连，其输出端分别都与2个四选一模拟开关U20、U21的输入端对应相连，即仪表放大器U16的输出端与四选一模拟开关U20、U21的INO端相连，仪表放大器U17的输出端与四选一模拟开关U20、U21的IN1端相连，仪表放大器U18的输出端与四选一模拟开关U20、U21的IN2端相连，仪表放大器U19的输出端与四选一模拟开关U20、U21的IN3端相连。仪表放大器U16、U17、U18、U19将采集的、微弱的高频局部放电信号放大适当的倍数。2个四选一模拟开关U20、U21分别从4个通道中同时选取2个不同的信号作为一个平衡对。仪表放大器U22的输入端与2个四选一模拟开关U20、U21的输出端相连，对2个四选一模拟开关选通的信号进行差分比较，其输出端与低通椭圆滤波器U23的输入端相连。运算放大器U24的输入端与低通椭圆滤波器U23的输出端相连，其输出端与运算放大器U25的输入端相连。低通椭圆滤波器U23组成低通滤波电路，低频截止频率为40kHz。运算放大器U24、U25组成高通滤波电路，高频截止频率为1MHz。两者共同组成带通滤波器，通频带为40kHz～1MHz，既可以滤除低频信号，又能滤除部分高频干扰，同时还能起到抗混叠的作用。

所述的数据采集单元主要包括DSP内部A/D转换器和外扩高速A/D转换器。通过数据采集单元完成对信号调理单元输出信号的数据采集。DSP内部A/D转换器的11个输入端口ADCINA0、ADCINA1、ADCINA2、ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5、ADCINA6、ADCINA7、ADCINB0、ADCINB1、ADCINB2分别与3个电压调理电路、3个电流调理电路、4个温度调理电路和1个铁芯泄漏电流调理电路的输出端相连。如图8所示，高速运算放大器U26的输入端与1个局部放电调理电路的输出端相连，其输出端与外扩高速A/D转换器U27的输入端相连。高速运算放大器U26组成电压跟随器。高速A/D转换器U27完成高频局部放电信号的采集。高速A/D转换器U27的输出端与电平转换芯片U28的输入端相连。电平转换芯片U28的输出端与微处理器U1的数据端相连。因为高速A/D转换器U27的电平是+5V，而微处理器U1数据端的电平是+3.3V，所以二者相连需要经过电平转换芯片U28完成从+5V到+3.3V或从+3.3V到+5V的电平转换。高速A/D转换器U27的时钟信号由微处理器U1的外部输出时钟信号端XCLKOUT经过高速D触发器U29四分频得到。

如图9所示，所述的数据存储单元主要包括512k×16位SRAM芯片U30。通过数据存储单元实现数据的实时存储。SRAM芯片U30数据端和地址端分别于微处理器U1的数据端和地址端相连。SRAM的片选线与微处理器U1的外部区域片选线相连，读写控制线分别与微处理器U1的读写控制线相连。512k×16位SRAM芯片的容量可以满足装置的需求，尤其是对高频局部放电信号监测数据存储的需求。

如图10所示，所述的通讯单元主要包括RS-485收发器U31和光耦隔离器件U32、U33、U34和反相器U35。通过通信单元实现本装置与监测监控网络的兼容性集成连接，用于数据的集中处理、特性分析和资源共享。RS-485收发器U31通过光耦隔离器件U32、U33、U34和反相器U35与微处理器U1的串口SCIRXDA端、SCITXDA端和GPIOA4端相连，进行数据通讯。