CN103983840A - 一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置及采用该装置进行在线监测的方法 - Google Patents

一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置及采用该装置进行在线监测的方法 Download PDF

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朱学成
罗永芬
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Abstract

一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置及采用该装置进行在线监测的方法,属于高电压设备和试验技术领域。解决了电力系统无法实时准确地掌握绝缘子的实际状态的问题。本发明在最靠近杆塔的绝缘子铁帽附近的伞裙上粘接一个金属箔的开口截流环,用以引出泄漏及电晕脉冲电流,由在开口截流环和地之间串接一个低值取样电阻,将电流信号转换为电压信号,这电压信号经带泄漏及闪络脉冲电流预处理电路放大后发送至高速A/D转换电路,另对现场微气候参量进行低速模数转换。FPGA控制电路控制移动通讯模块将数据发送至上位机。实现了对绝缘子实际状态的实时准确地监测。本发明适用于测量交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流。

Description

一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置及采用该装置进行在线监测的方法
技术领域
[0001 ] 本发明属于高电压设备和试验技术领域。
背景技术
[0002] 高压绝缘子是电力系统中使用量最大的部件之一,而且并联在电网和地之间,为典型的外绝缘。湿气、冰雪和污秽在绝缘子表面的沉积,以及绝缘子的劣化和老化,引起绝缘子的泄漏和电晕电流急剧增加并导致输电电能的损失,缺陷严重时在工作电压下、特别是出现各种过电压下引起绝缘子闪络,该故障对电力系统的安全可靠运行有较大的负面影响。统计表明,大面积闪络事故始终是导致我国电网大范围停电的首要原因。
[0003] 针对绝缘子的电流泄漏和闪络,电力系统一般采取增加爬电比距、采用耐污绝缘子、在其表面涂憎水性防污涂料、对绝缘子进行定期清扫或冲洗等措施。这些措施在实际运行中有一定的作用,但减少闪络的效果仍不理想。究其原因,主要是上述措施的实施周期均需要根据现场情况和维护人员巡视的结果来确定,而现场情况的变化以及人为因素,电力系统无法实时准确地掌握绝缘子的实际状态。因此,针对绝缘子的泄漏电流和闪络的监测技术和系统展开研究,具有工程实际意义。
[0004] 绝缘子的泄漏电流和闪络的监测系统一般包括微电流传感、预处理电路、采集电路和控制电路、上下位机通讯电路和供电电路等。
[0005] 绝缘子的泄漏电流及其中的闪络脉冲电流的导出方法,有通过在绝缘子串的接地端串入穿芯式电流互感器导出的,也有在最末端的绝缘子伞裙下部卡入集电环,在集电环和接地端的引线中串入穿芯式电流互感器导出的。穿芯式电流互感器铁芯材料有采用坡莫合金的,也有采用铁氧体材料的。但是电流互感器的精度并不能覆盖全频带,因为铁芯材料的磁性能的局限性,若采用坡莫合金的铁芯材料则只能在低频段保证精度,若采用铁氧体材料则很难检出低频的微弱电流信号且相频特性差。在最末端的绝缘子伞裙下部卡入集电环,或者减少了一个绝缘子使绝缘子串的实际爬距减少,或者另外增加一个绝缘子导致增加了现场施工难度和工作量。现行集电环为闭环,这会感应体电流和位移电流,可致集电环电气状态变化。
[0006] 对互感器检出的泄漏电流信号转换为电压信号有称阻抗网络匹配的后一般经放大调理送至模数转换电路。也有在增益放大后经过硬件积分触发数字触发器来快速示警绝缘子闪络。然而现行调理放大电路中的前置放大器的增益非常高,很容易产生大的直流失调电压导致电路输出饱和。
[0007] 采集电路和控制电路目前主要采用带模数变换电路的低功耗单片机。单片机内置的模数变换电路的采样频率较低,不能准确地采样最高频率可达数兆赫兹的闪络脉冲电流。
[0008] 除就地处理泄漏电流信息外,可使用有线或无线通信方式和上位机联系。有线通信方式如CAN现场总线、RS-485总线和PSTN公用电话网。无线通信方式如使用公用移动通信网GPRS/GSM或CDMA和3G、无线传感器网络WSN技术及其它无线通信方式。
[0009] 测量终端供电方式有采用交流220V的,有采用锂电池的,有采用太阳能的,有经电流互感器直接从高压线电流中获取电能的。
[0010] 由于绝缘子泄漏电流和所处微环境有关,相当多的监测系统还有测量现场温度、湿度、风速、风向和雨量等环境参数。
[0011] 由于泄漏电流信号在一般情况下通常很小为微安、毫安级,而在线监测系统工作在绝缘子周边的强电磁场环境下,以及器件本身的热噪声干扰影响,因而测得的泄漏电流信号含有噪声并给后续计算造成了影响,所以监测系统会采用降噪技术,如小波分析、数学形态学、总体经验模态分解(EEMD)等方法。这时的降噪处理主要用于分析泄漏电流工频及附近信号。若还要分析闪络形成的脉冲电流,则需要在不同频段对信号分解,在高频段分析闪络。
[0012] 根据泄漏电流,尤其是结合微气候参量,目前有采用模糊数学、小波模糊神经网络等技术分析判断绝缘子状态。
[0013] 综上所述,由于现场情况的变化以及人为因素,电力系统无法实时准确地掌握绝缘子的实际状态。
发明内容
[0014] 本发明为了解决电力系统无法实时准确地掌握绝缘子的实际状态的问题,提出了一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置及采用该装置进行在线监测的方法。
[0015] 本发明所述一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置,该装置包括泄漏及闪络脉冲电流预处理电路、高速A/D转换电路、FPGA控制电路、GPRS/GSM通讯模块、温度传感器、湿度传感器、低速A/D转换电路、上位机和开口截流环;
[0016] 开口截流环固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽下沿的伞裙的外侧,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的一个信号输入端连接开口截流环,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的另一个信号输入端接地;
[0017] 泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的泄漏及闪络信号输出端连接高速A/D转换电路的模拟信号输入端,高速A/D转换电路的数字信号输出端连接FPGA控制电路的泄漏及闪络信号输入端;
[0018] 温度传感器的温度信号输出端连接低速A/D转换电路的一个模拟信号输入端,湿度传感器的湿度信号输出端连接低速A/D转换电路的另一个模拟信号输入端,低速A/D转换电路的数字信号输出端连接FPGA控制电路的环境信号输入端,FPGA控制电路的一个数据信号输出与控制信号输入端连接GPRS/GSM通讯模块的数据信号输入与控制信号输出端,GPRS/GSM通讯模块与移动基站进行无线数据传输,移动基站的数据输入输出端通过网线与上位机的数据输入输出端连接。
[0019] 采用上述一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置进行泄漏及电晕脉冲电流在线监测的方法,该方法的具体步骤为:
[0020] 步骤一、将开口截流环固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽下沿的伞裙的外侦牝泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的一个信号输入端连接开口截流环,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的另一个信号输入端接地;[0021] 步骤二、将通过泄漏及闪络脉冲电流预处理电路采集泄漏及电晕脉冲电流,并将泄漏及电晕脉冲电流经高速A/D转换电路发送至FPGA控制电路;
[0022] 步骤三、采用温度传感器和湿度传感器采集绝缘子所处环境的温湿度信息,并将采集的温湿度信息经低速A/D转换电路7进行模数转换后发送至FPGA控制电路;
[0023] 步骤四、FPGA控制电路通过GPRS/GSM通讯模块将泄漏及电晕脉冲电流通过移动基站发送至上位机,实现对交流绝缘子的泄漏及电晕脉冲电流在线监测。
[0024] 本发明所述交流绝缘子泄漏及闪络脉冲电流的在线监测装置。该装置在最靠近杆塔的绝缘子铁帽附近的伞裙上粘接一个金属箔的开口截流环,用以引出泄漏及电晕脉冲电流,由在开口截流环和杆塔地之间串接一个低值取样电阻,将电流信号转换为电压信号,这电压信号经带泄漏及闪络脉冲电流预处理电路放大后发送至高速A/D转换电路,另对现场微气候参量进行低速模数转换。现场可编程门阵列FPGA控制电路将转换出的数字信号存入静态随机存储器,控制移动通讯模块将数据发送至上位机。上位机计算出泄漏及闪络脉冲电流等数据,并判断绝缘子串的状态,实现了对绝缘子实际状态的实时准确地监测。且准确率与现有监控装置相比,同比提高了 10%。
附图说明
[0025] 图1为本发明所述的交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置的结构示意图;
[0026] 图2为具体实施方式二所述的泄漏及闪络脉冲电流预处理电路的原理示意图。具体实施方式
[0027] 具体实施方式一、结合图1说明本实施方式,本实施方式所述一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置,该装置包括泄漏及闪络脉冲电流预处理电路1、高速A/D转换电路2、FPGA控制电路3、GPRS/GSM通讯模块4、温度传感器5、湿度传感器6、低速A/D转换电路7、上位机13和开口截流环16 ;
[0028] 开口截流环16固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽17下沿的伞裙15的外侦牝泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的一个信号输入端连接开口截流环16,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的另一个信号输入端接地,
[0029] 泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的泄漏及闪络信号输出端连接高速A/D转换电路2的模拟信号输入端,高速A/D转换电路2的数字信号输出端连接FPGA控制电路3的泄漏及闪络信号输入端;
[0030] 温度传感器5的温度信号输出端连接低速A/D转换电路7的一个模拟信号输入端,湿度传感器6的湿度信号输出端连接低速A/D转换电路7的另一个模拟信号输入端,低速A/D转换电路7的数字信号输出端连接FPGA控制电路3的环境信号输入端,FPGA控制电路3的一个数据信号输出与控制信号输入端连接GPRS/GSM通讯模块4的数据信号输入与控制信号输出端,GPRS/GSM通讯模块4与移动基站8进行无线数据传输,移动基站8的数据输入输出端通过网线与上位机13的数据输入输出端连接。
[0031] 本发明选取最靠近杆塔的绝缘子,尽量减少对爬电距离的影响,在紧邻铁帽的伞裙外表面用导电胶粘接一个开口的金属箔截流环。在截流环和铁帽间并联一个阻值非常小的取样电阻,该电阻可以直接是前级反相放大器的输入电阻,这远小于截流环和铁帽之间伞裙的表面电阻或体电阻,则泄漏及电晕脉冲电流由原来的从伞裙表面流向地电位的铁帽,改为从截流环经过取样电阻流向铁帽。对采样电阻取样,保证了获取信号的频率特性。
[0032] 并且采用开口截流环,避免了截流环感应绝缘子内流过的位移电流和体电流在截流环上形成可致集电环电气状态变化的环流。
[0033] 选择现场可编程门阵列FPGA控制电路作为控制单元,而高速、低速模数转换电路选择一片独立芯片,高速模数转换电路采集泄漏和脉冲电流经泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I放大后的电压信号,多通道低速模数转换电路采集湿度、温度等传感信号。
[0034] FPGA控制电路除控制模数转换电路外,将转换出的数字信号存入静态随机存储器SRAM,并控制移动通讯模块将数据发送至上位机。上位机计算泄漏及电晕脉冲电流等数据,并判断绝缘子串的状态。
[0035] 具体实施方式二、结合图2说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置的进一步说明,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I包括前置放大器A1、单位增益缓存器A2、反转积分器A3、电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电阻R4、取样电阻R5和电容C ;
[0036] 前置放大器A1的负相信号输入端连接米样电阻R5的一端,米样电阻R5的另一端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的一个信号输入端,前置放大器A1的正相信号输入端同时连接电阻Rl的一端和电阻R2的一端,电阻Rl的另一端接地,电阻Rl的另一端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的另一个信号输入端,电阻R2的另一端连接反转积分器A3的信号输出端,电容C的一端连接反转积分器A3的输出端,反转积分器A3的正相信号输入端接地,反转积分器A3的负相信号输入端同时连接电容C的另一端和电阻R4的一端,电阻R4的另一端同时连接单位增益缓存器A2的信号输出端和电阻R3的一端,单位增益缓存器A2的信号输入端连接前置放大器A1的信号输出端,电阻R3的另一端连接前置放大器A1的负相信号输入端,单位增益缓存器A2的信号输出端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的泄漏及闪络信号输出端。
[0037] 本实施方式所述电路包括放大单元和积分单元两部分。负反馈电流输入前置放大器A1和单位增益的缓冲器A2构成放大单元。前置反相放大器A1的反相输入端电阻即取样电阻,也可取消该电阻,这时反相输入端的阻值很小的等效输入电阻即是截流环和铁帽之间的取样电阻。缓冲器A2是单位增益的电流负反馈放大器。积分单元A3使用反转积分器,将缓冲器输出信号进行充分积分即检出直流失调信号发送至前置放大器A1正相输入端以消除直流失调电压。
[0038] 具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二或所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置的进一步说明,口截流环16采用导电胶粘接在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽17下沿的伞裙15的外侧。
[0039] 具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式三所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置的进一步说明,该装置还包括静态随机存储器12,FPGA控制电路3的另一个数据信号输出端连接静态随机存储器12的数据信号输入端。
[0040] 具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式三所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置的进一步说明,该装置还包括太阳能电池板9、电源转换与控制电路10和锂电池11,太阳能电池板9的电能信号输出端连接电源转换与控制电路10的电能信号输入端连接,电源转换与控制电路10的电流信号输出端同时连接泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的电源信号输入端、FPGA控制电路3的电源信号输入端和GPRS/GSM通讯模块4的电源信号输入端连接,电源转换与控制电路10的充放电信号端连接锂电池11锂电池的充放电信号端。
[0041] 具体实施方式六、本实施方式是采用具体实施方式一所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置进行在线监测的方法,该方法的具体步骤为:
[0042] 步骤一、将开口截流环16固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽17下沿的伞裙15的外侧,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的一个信号输入端连接开口截流环16,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I的另一个信号输入端接地;
[0043] 步骤二、将通过泄漏及闪络脉冲电流预处理电路I采集泄漏及电晕脉冲电流,并将泄漏及电晕脉冲电流经高速A/D转换电路2发送至FPGA控制电路3 ;
[0044] 步骤三、采用温度传感器5和湿度传感器6采集绝缘子所处环境的温湿度信息,并将采集的温湿度信息经低速A/D转换电路7进行模数转换后发送至FPGA控制电路3 ;
[0045] 步骤四、FPGA控制电路3通过GPRS/GSM通讯模块4将泄漏及电晕脉冲电流通过移动基站发送至上位机,实现对交流绝缘子的泄漏及电晕脉冲电流在线监测。

Claims (6)

1.一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置,其特征在于,该装置包括泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)、高速A/D转换电路⑵、FPGA控制电路(3)、GPRS/GSM通讯模块(4)、温度传感器(5)、湿度传感器(6)、低速A/D转换电路(7)、上位机(13)和开口截流环(16); 开口截流环(16)固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽(17)下沿的伞裙(15)的外侧,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的一个信号输入端连接开口截流环(16),泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的另一个信号输入端接地; 泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的泄漏及闪络信号输出端连接高速A/D转换电路(2)的模拟信号输入端,高速A/D转换电路⑵的数字信号输出端连接FPGA控制电路(3)的泄漏及闪络信号输入端; 温度传感器(5)的温度信号输出端连接低速A/D转换电路(7)的一个模拟信号输入端,湿度传感器出)的湿度信号输出端连接低速A/D转换电路(7)的另一个模拟信号输入端,低速A/D转换电路(7)的数字信号输出端连接FPGA控制电路(3)的环境信号输入端,FPGA控制电路(3)的一个数据信号输出与控制信号输入端连接GPRS/GSM通讯模块(4)的数据信号输入与控制信号输出端,GPRS/GSM通讯模块(4)与移动基站(8)进行无线数据传输,移动基站(8)的数据输入输出端通过网线与上位机(13)的数据输入输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置,其特征在于,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路⑴包括前置放大器(A1)、单位增益缓存器(A2)'反转积分器(A3)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、取样电阻R5和电容C ; 前置放大器(A1)的负相信号输入端连接米样电阻R5的一端,米样电阻R5的另一端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的一个信号输入端,前置放大器(A1)的正相信号输入端同时连接电阻Rl的一端和电阻R2的一端,电阻Rl的另一端接地,电阻Rl的另一端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的另一个信号输入端,电阻R2的另一端连接反转积分器(A3)的信号输出端,电容C的一端连接反转积分器(A3)的输出端,反转积分器(A3)的正相信号输入端接地,反转积分器(A3)的负相信号输入端同时连接电容C的另一端和电阻R4的一端,电阻R4的另一端同时连接单位增益缓存器(A2)的信号输出端和电阻R3的一端,单位增益缓存器(A2)的信号输入端连接前置放大器(A1)的信号输出端,电阻R3的另一端连接前置放大器(A1)的负相信号输入端,单位增益缓存器(A2)的信号输出端为泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的泄漏及闪络信号输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置,其特征在于,口截流环(16)采用导电胶粘接在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽(17)下沿的伞裙(15)的外侧。
4.根据权利要求3所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置,其特征在于,该装置还包括静态随机存储器(12),FPGA控制电路(3)的另一个数据信号输出端连接静态随机存储 器(12)的数据信号输入端。
5.根据权利要求3所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置,其特征在于,该装置还包括太阳能电池板(9)、电源转换与控制电路(10)和锂电池(11),太阳能电池板(9)的电能信号输出端连接电源转换与控制电路(10)的电能信号输入端连接,电源转换与控制电路(10)的电流信号输出端同时连接泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的电源信号输入端、FPGA控制电路(3)的电源信号输入端和GPRS/GSM通讯模块(4)的电源信号输入端连接,电源转换与控制电路(10)的充放电信号端连接锂电池(11)锂电池的充放电信号端。
6.采用权利要求1所述的一种交流绝缘子泄漏及电晕脉冲电流的在线监测装置进行在线监测的方法,其特征在于,该方法的具体步骤为: 步骤一、将开口截流环(16)固定安装在杆塔横担端第一片绝缘子铁帽(17)下沿的伞裙(15)的外侧,泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的一个信号输入端连接开口截流环(16),泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)的另一个信号输入端接地; 步骤二、将通过泄漏及闪络脉冲电流预处理电路(I)采集泄漏及电晕脉冲电流,并将泄漏及电晕脉冲 电流经高速A/D转换电路⑵发送至FPGA控制电路(3); 步骤三、采用温度传感器(5)和湿度传感器(6)采集绝缘子所处环境的温湿度信息,并将采集的温湿度信息经低速A/D转换电路(7)进行模数转换后发送至FPGA控制电路(3);步骤四、FPGA控制电路(3)通过GPRS/GSM通讯模块(4)将泄漏及电晕脉冲电流通过移动基站发送至上位机,实现对交流绝缘子的泄漏及电晕脉冲电流在线监测。
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