一种变压器保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力变压器保护技术领域，尤其涉及一种变压器保护装置及方法。

背景技术

变压器是电力系统中一种重要的电气设备，在交流电能输送中承担电压、电流等变换作用。随着电力工业的发展输送容量越来越大，电力系统发故障时产生的短路电流也越来越大，流经变压器的外部短路电流对变压器绕组产生冲击，导致变压器绕组发生匝间短路及匝间间歇性放电故障。如不能及时将已经发生故障变压器从电力系统中隔离，会影响电力系统的稳定性和安全性的，为了电力系统安全可靠的运行，需要配置相应保护在变压器发生故障初始阶段就发现并作出相应的判断及动作将故障变压器隔离。

目前变压器发保护有两大类，一类是电量保护，如差动保护、过电流保护等；另一类是非电量保护，如瓦斯保护和温度保护、压力保护。

变压器采用以上两类保护时存在以下缺陷：

1、差动保护、过电流等电量保护，为保证动作选择性躲过变压器保护区外故障，其动作门槛电流较大，变压器绕组发生匝间短路初始阶段其短路电流较小，因此达不到差动保护、过电流保护动作门槛。变压器绕组匝间短路发展到严重的匝间短路或者发展到相间短路时短路电流才能超过差动保护、过电流保护动作门槛相应的保护才能动作隔离故障变压器。所以变压器的差动保护、过电流保护对于变压器绕组保护存在一定的保护死区，只有故障严重了才能反应，对电力系统及变压器安全运行造成较大危害。

2、变压器瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护，重瓦斯保护变压器内部发生严重故障时利用油流和气流冲动挡板而动作，绕组发生匝间短路初始阶段产生的油流和气流不足以推动挡板，因此重瓦斯存在死区。轻瓦斯收集变压器发生故障时产生的电弧分解变压器油产生气体而动作，在变压器发生匝间故障初始阶段产生的气体较少，收集气体需要较长时间，因此轻瓦斯动作时限变长导致变压器从轻微故障演变为严重故障，对电力系统及变压器安全运行造成较大危害。

3、变压器温升和油压变压保护是当变压器发生故障时产生电弧燃烧及短路电流产生大量热量引起变压器油温及油压升高构成的一种保护，在变压器发生匝间故障初始阶段因短路电流及电弧较小，变压器温度及压力变化较慢动作时限较长导致变压器从轻微故障演变为严重故障，对电力系统及变压器安全运行造成较大危害。

4、变压器瓦斯保护、温度及压力保护只能反应在油箱内发生了故障，无法识别出是哪一相绕组哪个位置发生了故障，这对变压器故障查找及维护造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器保护装置及方法，从而解决了现有变压器绕组发生匝间、层间、相间短路初始阶段无法检测的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种变压器保护装置，包括：

摄像头，所述摄像头至少采用一个，所述摄像头为防油摄像头，所述摄像头用于对变压器箱体内的线圈绕组的外表面进行监测；

光敏阵列探针板，所述变压器保护装置至少采用一个所述光敏阵列探针板，所述光敏阵列探针板用于对变压器箱体内的线圈绕组的内表面进行监测；

图像识别处理模块，其与所述摄像头电连接，所述图像识别处理模块用于对所述摄像头拍摄的图片数据进行处理；以及

控制模块，其分别与所述光敏阵列探针板、图像视频处理模块以及变压器用的断路器执行机构电连接，所述控制模块用于对所述光敏阵列探针板和图像视频处理模块监测的数据进行处理和对变压器用的断路器执行机构控制。

进一步的，还包括报警模块，所述报警模块与控制模块电连接。

进一步的，所述摄像头安装在所述变压器箱体内，使所述摄像头能够监测到变压器的线圈绕组的外表面。

进一步的，所述光敏阵列探针板安装在变压器的铁心和线圈绕组形成的间隙空间内，且所述光敏阵列探针板的光敏阵列朝向所述线圈绕组。

进一步的，所述光敏阵列探针板的底部设置在变压器的铁心和线圈绕组间的长条形间隙之间。

进一步的，所述光敏阵列探针板包括：

探针板；

电路板，其设置在所述探针板的上方；

光敏模块，多个所述光敏模块以阵列的形式组合形成光敏阵列，所述光敏阵列设置在所述电路板的顶部；

信号处理模块，其设置在所述电路板的顶部，所述信号处理模块与所有的光敏模块电连接，用于对所述光敏模块检测的感光状态进行处理和信号传输；以及

中央处理模块，其设置在所述电路板的顶部，所述中央处理模块通分别与信号处理模块和控制模块电连接，用于对所述信号处理模块传输的数据进行处理及信号传输。

一种变压器保护方法，所述变压器保护方法应用所述的变压器保护装置，包括以下步骤：

通过摄像头对变压器箱体内的线圈绕组的外表面进行监测；

图像识别处理模块根据摄像头监测的图像数据进行处理，得到绕组的外表面状态结果；

通过光敏阵列探针板对变压器箱体内的线圈绕组的内表面进行监测；

所述光敏阵列探针板把各个光敏模块的电信号收集后，通过光敏阵列探针板的信号处理模块进行处理，得到绕组的内表面状态结果；

控制模块根据所述绕组的外表面状态结果和内表面状态结果判断绕组是否出现故障，若出现故障，则发出报警信号和断路器执行信号，否则无需处理；

S6、报警模块根据所述报警信号进行报警，变压器用的断路器执行机构根据所述断路器执行信号控制变压器停止工作。

进一步的，所述图像识别处理模块的处理得到绕组的外表面状态结果包括以下步骤：判断接收的所有图像数据中是否存在光斑像素，若存在光斑像素，则绕组的内表面出现故障，并将光斑像素、光斑像素的数量以及光斑像素的位置传送至控制模块；若不存在光斑像素，则发送绕组的外表面状态无故障信号。

进一步的，所述信号处理模块进行处理得到绕组的内表面状态结果包括以下步骤：判断光敏模块是否有感应到电弧光照，若感应到电弧光照，则将检测到所述电弧光照的相邻的光敏模块的强度和数量与相应的电弧光照并作为感应信号，把所述感应信号后再传送给控制模块；若未感应到电弧光照，则发送绕组的内表面状态无故障信号。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的变压器保护装置及方法，包括：摄像头、光敏阵列探针板、图像识别处理模块以及控制模块，摄像头为防油摄像头，摄像头用于对变压器箱体内的线圈绕组的外表面进行监测；光敏阵列探针板用于对变压器箱体内的线圈绕组的内表面进行监测；图像识别处理模块与摄像头电连接，图像识别处理模块用于对摄像头拍摄的图片进行处理；控制模块分别与光敏阵列探针板和图像视频处理模块电连接，用于对光敏阵列探针板和图像视频处理模块监测的数据进行处理，通过摄像头和光敏阵列探针板对变压器的绕组进行监测，通过设置图像处理模块和控制模块实现对变压器的绕组状态进行监测，通过控制模块对变压器绕组状态发出报警信号和动作信号将变压器从电力系统中隔离，解决了现有变压器绕组发生匝间、层间、相间短路初始阶段无法检测的缺点，确保电力系统安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的变压器保护装置的电路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光敏阵列探针板的最优的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光敏阵列探针板的电路图；

图4是本发明实施例提供的变压器保护装置的安装结构示意图；

图5是本发明实施例提供的变压器保护装置的安装结构示意图；

其中：1、探针板；2、多层电路板；3、信号处理模块；4、中央处理模块；5、光敏模块；6、RS485总线接口；7、摄像头；8、光敏阵列探针板；9、图像识别处理模块；10、控制模块；11、变压器箱体；12、铁心；13、线圈绕组；14、散热器；15、报警模块；16、断路器执行机构。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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的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。

图1示出了本发明所提供的变压器保护装置的电路结构示意图，变压器保护装置包括：摄像头7、光敏阵列探针板8、图像识别处理模块9以及控制模块10。

摄像头7至少采用一个，摄像头7为防油摄像头7，摄像头7用于对变压器箱体11内的线圈绕组13的外表面进行监测；

光敏阵列探针板8至少采用一个，光敏阵列探针板8用于对变压器箱体11内的线圈绕组13的内表面进行监测；

图像识别处理模块9与摄像头7连接，图像识别处理模块9用于对摄像头7拍摄的图片数据进行处理（例如：否检测到电弧、电弧的光强度、光斑面积大小、光斑位置坐标等数据，可以根据需要进行设置）；

控制模块10别与光敏阵列探针板8和图像视频处理模块连接，控制模块10用于对光敏阵列探针板8和图像视频处理模块监测的数据进行处理。

此外，控制模块10还与断路器执行机构16连接，通过控制模块10对所述断路器执行机构16进行控制。

其中一个实施例，防油摄像头7采用的型号为海康威视工业摄像头7MV-CE200-11UM，图像识别处理模块9采用的型号为英特尔微型主机NUC10i7FNH，控制模块10采用的型号为西门子S7-200SMART系列的6ES72881SR200AA0。

其中一个实施例，变压器保护装置还包括报警模块15，报警模块15与控制模块10连接，用于根据控制模块10发出的信号进行报警。报警模块15采用采用的型号为工业声光报警器QTXF-01KT。

摄像头7和光敏阵列探针板8的数量由实际变压器箱体11内部结构决定，安装原则是尽可能全方位多角度的监测线圈绕组13的外表面和内表面。

优选地，摄像头7安装在变压器箱体11内，使摄像头7能够监测到变压器的线圈绕组13的外表面。例如，安装在变压器箱体11内的顶部、变压器箱体11内的底部、变压器箱体11内的顶部和底部或安装在绕组四周的变压器箱体11的内部。

优选地，光敏阵列探针板8安装在变压器的铁心12和线圈绕组13形成的间隙空间内，且所述光敏阵列探针板8的光敏阵列朝向线圈绕组13。

图2示出了光敏阵列探针板8的最优的结构示意图，光敏阵列探针板8包括：探针板1、电路板、信号处理模块3、中央处理模块4以及光敏模块5。

探针板1由高强度钢板加工而成，探针板1作为基板，基板用于支撑固定电路板。

电路板设置在探针板1的上方，电路板用于对光敏模块5、信号处理模块3、中央处理模块4以及相应的电气连接提供安装位置；具体的，图1实施例中，电路板采用多层电路板2，多层电路板2设置在探针板1基板上，多层电路板2的底层不布置线路，且底层全部绝缘，多层电路板2的底层通过螺钉或者胶水粘贴与探针板1基板连接；多层电路板2用于为安装信号处理模块3、光敏模块5及与控制系统提供电气连接。

多个光敏模块5设置在多层电路板2的顶层，且所有光敏模块5均通过多层电路板2与信号处理模块3电连接。其中，光敏模块5采用光敏电阻或光敏传感器等。

信号处理模块3设置在多层电路板2的顶层，且信号处理模块3分别与多层电路板2的光敏模块5和中央处理模块4电连接，信号处理模块3用于对光敏器件检测的感光状态进行处理以及通过CAN总线与中央处理模块4通信。

中央处理模块4设置在多层电路板2的顶层，且中央处理模块4与信号处理模块3通过CAN总线连接，且中央处理模块4与控制系统通过RS485总线进行连接；

其中一个实施例，探针板1为扁平的长方体结构；探针板1和多层电路板2的大小一致。探针板1的长度根据变压器的铁心12高度设定，例如：探针板1的长度与变压器的铁心12高度一致、探针板1的长度是变压器的铁心12高度的2/3。

光敏模块5以阵列的方式设置在多层电路板2的上。阵列包括：单阵列、双阵列、三阵列或四阵列等。

采用多个信号处理模块3时，将多个信号处理模块3设置在光敏模块5中间，形成一列排布。

图2示出了光敏阵列探针板8最优的一个实施例，探针板1为扁平的长方体结构，探针板1和多层电路板2的大小一致，使得整个光敏阵列探针板8为条状，扁平的长方体结构使得整个光敏探针板1的整体结构小，方便安装；多层电路板2的底层通过螺钉或者胶水粘贴的形式固定在探针板1基板的上方，信号处理模块3固定在多层电路板2的顶层，中央处理模块4固定在多层电路板2的顶层，光敏模块5以阵列的形式形成光敏矩阵固定在多层电路板2的顶层，为了美观及方便安装，信号处理模块3安装在光敏矩阵的间隙中，采用多个信号处理模块3则多个信号处理模块3形成一列设置在光敏矩阵的间隙中，信号处理模块3的数量根据光敏模块5的数量决定。

图3示出了光敏阵列探针板8的电路图最优的一个实施例，光敏模块5采用光敏电阻，每个光敏电阻均串联一个标准电阻进行分压，具体为光敏电阻的一端接地，光敏电阻的另一端与标准电阻的一端连接，标准电阻的另一端接电源，光敏电阻的另一端与信号处理模块3采用的单片机的A/D接口连接，信号处理模块3与中央处理模块4之间通信均采用CAN总线通信方式，即信号处理模块3采用的单片机采用的型号为STM32F042F6P6，STM32F042F6P6采用TSSOP20封装形式，占用体积小，便于安装在长条形的小面积多层电路板2顶层；STM32F042F6P6具有9个12位的ADC采用通道，可以连接9个光敏模块5，因此，每9个光敏模块5与1个信号处理模块3连接，多个信号处理模块3与一个中央处理模块4连接即可实现整个光敏阵列探针板8的电气连接；STM32F042F6P6具有CAN总线接口，通过STM32F042F6P6与中央处理模块4进行CAN总线通信，CAN总线通信可挂接的通信单元没有限制，在本系统的通信速率较低的情况下完全满足数量要求。中央处理模块4采用高性能单片机STM32F103RBT6，中央处理模块4通过CAN总线通信方式连接到各个信号处理模块3，获取所有光敏模块5的感光状态，进行识别变压器的工作状态，且通过RS485总线与控制系统、后台等通信，其中，RS485总线接口6设置在探针板1顶部的一端。

光敏阵列探针板8使用时，将光敏阵列探针板8安装于变压器的铁心12和线圈绕组13间的长条形间隙，光敏阵列探针板8的光敏模块5对变压器线圈绕组13内表面进行监测，光敏阵列探针板8的工作原理为：光敏电阻与标准电阻进行串联分压得到取样电压，取样电压送到信号处理模块3进行A/D转换，由信号处理模块3实时监测各个光敏电阻的感光状态后传输至中央处理模块4，中央处理模块4根据光敏电阻的感光状态进行后续处理，例如，根据单个光敏器件的感光状态和附近相邻光敏器件的感光状态，判断分析出变压器线圈绕组13是否发生短路故障，并根据光敏器件的编号得出变压器线圈绕组13中发生短路故障的位置以及是匝间短路还是层间短路还是相间短路等。最后单片机将识别结果传送给控制系统，由控制系统统一控制。从而能在变压器故障初期就发现故障，发出报警信号和动作信号将变压器从电力系统中隔离，确保电力系统安全可靠运行。

对本发明变压器保护装置的工作原理进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：

图4和图5示出了变压器保护装置的其中一个实施例的结构示意图，变压器箱体11的外周设有散热器14，摄像头7安装位置是变压器箱体11内部的顶部四周，数量是12个，多角度全方位监测线圈绕组13的外表面；安装光敏阵列探针板8的位置为正六边形柱状铁心12的六个柱面，每个柱面安装一个光敏阵列探针板8。图像识别处理模块9和控制模块10安装在变压器外壳的外置电气箱。

一种变压器保护方法应用与上诉的变压器保护装置，具体包括以下步骤：

S1、通过摄像头7对变压器箱体11内的线圈绕组13的外表面进行监测。

S2、图像识别处理模块9根据摄像头7监测的图像数据进行处理，得到绕组的外表面状态结果；

其中，图像识别处理模块9的处理得到绕组的外表面状态结果包括：判断接收的所有图像数据中是否存在光斑像素，若存在光斑像素，则绕组的内表面出现故障，并将光斑像素、光斑像素的数量以及光斑像素的位置传送至控制模块10；若不存在光斑像素，则发送绕组的内表面状态无故障信号。

S3、通过光敏阵列探针板8对变压器箱体11内的线圈绕组13的内表面进行监测。

S4、所述光敏阵列探针板8把各个光敏模块5的电信号收集后，通过光敏阵列探针板8的信号处理模块3进行处理，得到绕组的内表面状态结果；

其中，信号处理模块3进行处理得到绕组的内表面状态结果包括：判断光敏模块5是否有感应到电弧光照，若感应到电弧光照，则将检测到所述电弧光照的相邻的光敏模块5的强度和数量与相应的电弧光照并作为感应信号，把所述感应信号后再传送给控制模块10；若未感应到电弧光照，则发送绕组的外表面状态无故障信号。

S5、控制模块10根据所述绕组的外表面状态结果和内表面状态结果判断绕组是否出现故障，若出现故障，则发出报警信号和断路器执行信号，否则无需处理。

S6、报警模块15根据所述报警信号进行报警，变压器用的断路器执行机构16根据所述断路器执行信号控制变压器停止工作，从而对变压器故障初期进行停止工作，放置变压器更严重的损坏，减少经济损失和安全事故。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。