CN104089569A - 基于电容耦合的多功能变压器信号传感器及信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，包括一圈金属薄带、插头座和固定夹件，所述插头座用于连接外部电缆，所述外部电缆用于传递扫描信号，所述插头座与金属薄带电连接，所述外部电缆通过插头座与金属薄带电连接；所述固定夹件用于固定金属薄带和插头座。测量时将该传感器包裹在变压器套管外表面末屏靠近法兰处。本发明利用基于电容耦合原理的多功能变压器信号传感器，便于安装在现有运行变压器等线圈类设备上用于在线频率响应法检测绕组设备变形情况。本发明中多功能变压器信号传感器的安装不改变原有变压器的结构，安装简单，对原有变压器的绝缘等要求影响很小。

Description

基于电容耦合的多功能变压器信号传感器及信号采集方法

技术领域

本发明属于电力系统电气设备在线检测技术领域，具体涉及一种基于电容耦合的多功能变压器信号传感器。

背景技术

变压器是电力系统最重要的电气设备之一，其安全稳定工作对于确保整个电力系统的安全可靠运行具有重要的意义。在变压器的运输、运行等过程中，都会因为其绕组遭受到外部机械力、电动力的作用而发生变形故障。变压器绕组变形不但会导致变压器抗短路能力强度下降，还会破坏其内部绝缘而导致其他故障的发生。因此，实时掌握变压器内部绕组状况，在其发生严重故障前做出预警，对于确保变压器安全正常工作具有重要的意义。目前，国内外学者变压器绕组变形检测方法方面做出了大量的研究，具体有短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应法、振动法和超声波法等。频率响应分析法，因其在变压器绕组变形检测中具有检测灵敏度高、现场使用方便、可在变压器不吊罩的情况下判断变压器绕组变形等优点而在电力行业得到广泛应用。而应用频率响应法检测变压器绕组变形是在变压器退出运行的情况下实施的，难以做到在线实时检测，导致无法在变压器运行情况下实时掌握内部绕组的状态，不能及时发现绕组的危险性变形，很有可能导致变压器突发性故障。制约频率响应法在线应用的主要是扫频信号难以在线施加到绕组上和响应信号难以在线测量。

因此，如果能够研制出扫频信号注入传感器和响应信号测量传感器，对于频率响应法的在线应用，具有重要的实用意义。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于电容耦合原理的多功能变压器信号传感器。本发明具有结构简单、不改变变压器结构、对变压器影响小的优点。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，包括一圈金属薄带、插头座和固定夹件，所述插头座用于连接外部电缆，所述外部电缆用于传递扫描信号，所述插头座与金属薄带电连接，所述外部电缆通过插头座与金属薄带电连接；所述固定夹件用于固定金属薄带和插头座。

进一步，所述固定夹件为由两个半工字型组件拼接而成的工字型夹件，所述半工字型组件包括顶面部、肋部和底面部，所述肋部垂直连接顶面部与底面部；所述顶面部呈弧形状，弧度与变压器套管相匹配；所述底面部上设置有通孔，所述通孔用于匹配固定插头座的螺栓。

进一步，还包括方形卡槽，所述方形卡槽用于固定两半工字型组件的肋部。

进一步，还包括热缩管，所述金属薄带置于热缩管内部。

一种基于电容耦合的多功能变压器信号采集方法，将传感器紧密包裹在变压器套管外表面末屏靠近法兰处，扫频信号U_e经耦合电容C_C施加到变压器套管内部金属导杆上，之后信号分别沿金属导杆向上至高压母线和沿金属导杆向下至变压器绕组上；高压母线阻抗为Z_grid，变压器绕组等效阻抗为Z_tw，导杆经周围介质和地之间会形成一个电容为C_bt；流经耦合电容、高压母线、变压器绕组和导杆对地电容的电流分别为I_c、I_grid、I_tw、I_bt，则耦合到变压器绕组首端的电压U_C为 $U_c=\frac{Z_{\mathrm{grid}}//Z_{\mathrm{tw}}//Z_{C_{\mathrm{bt}}}}{Z_{C_C}+Z_{\mathrm{grid}}//Z_{\mathrm{tw}}//Z_{C_{\mathrm{bt}}}}\·U_e.$

进一步，将传感器与变压器套管中心金属导杆形成的电容C_C视为高压臂，在变压器套管外部连接一电容C_s，将电容C_s视为低压臂，所述电容C_C与电容C_s串联构成电容分压器，分压信号经同轴电缆首尾两端匹配的结构引出，匹配电阻等于同轴电缆的波阻抗，变压器套管中心金属导杆的电压为U₁，分压信号电压为U₂，则电容分压器的分压比为

进一步，所述分压器的低压臂为若干数量的同型号电容并联而成，所述电容的首尾两端分别焊接在铜质材料圆盘上，所述圆盘的直径为40～100mm、高为1～5mm，所述低压臂电容和耦合电容通过同轴电缆连接。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明利用基于电容耦合原理的多功能变压器信号传感器，便于安装在现有运行变压器等线圈类设备上用于在线频率响应法检测绕组设备变形情况。

2、本发明中多功能变压器信号传感器的安装不改变原有变压器的结构，安装简单，对原有变压器的绝缘等要求影响很小。

3、本发明中结合低压臂部分构建的电容分压器，能够测量到频带很宽的信号。通过设置合适的分压比，能够测量变压器运行电压和遭受的雷电过电压、操作过电压等信号。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于电容耦合原理的多功能变压器信号传感器的原理图；

图2为基于电容耦合原理的多功能变压器信号传感器的结构图；

图3为本发明中信号通过传感器注入原理图；

图4为本发明中分压器功能实现的原理图；

图5为本发明中分压器低压臂电容的排列方式图；

图6为本发明中方形卡槽结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

变压器的套管分为电容套管和纯瓷套管。电容套管由内绝缘和外绝缘构成，其内绝缘为圆柱形油纸电容芯子，并填充着绝缘油，外绝缘为瓷套。电容套管外缠绕的金属薄带和套管导杆、套管内部电容芯子3共同构成复合电容结构。纯瓷套管由金属导杆2、一层外套厚瓷套和中间空隙填充的绝缘油构成。纯瓷套管外缠绕的金属薄带和套管导杆以及他们之间的陶瓷、绝缘油构成电容结构。因此，扫频信号能够通过所述传感器耦合到套管内部的导杆作为绕组首端的激励信号。

如图1～3所示，一种基于电容耦合的多功能变压器信号传感器1，包括一圈金属薄带5、主要包括插头座6、插头外壳、固定夹件7。所述插头座用于连接外部电缆，所述外部电缆用于传递扫描信号，所述插头座与金属薄带电连接，所述外部电缆通过插头座与金属薄带电连接；所述固定夹件用于固定金属薄带和插头座。所述的插座头由不锈钢或铝制成，由一块(30～120)mm×(15～50)mm×(1～5)mm的立方体薄板和一个直径8～20mm，高度20～40mm的圆柱体焊接而成，圆柱体底部圆面焊接在立方体薄板(30～120)mm×(15～50)mm一面的正中心，顶部圆面至圆柱体内部开一个直径3～5mm，高度3～6mm的圆柱形孔，用以连接外部信号电缆的香蕉头，圆柱体外侧面具有螺纹，用以与所述的插头外壳连接。立方体薄板上具有2～8个通孔，用以将所述的插头座固定在所述的固定夹件上。所述的插头外壳与所述的插头座通过螺纹进行连接，所述的插头外壳由不锈钢或铝制成，其形状为2～3个圆柱体按直径大小依次连接，圆柱体直径10～22mm，高度25～70mm，内部为中空圆柱体形，壁厚1-4mm，内壁具有螺纹，所述的插头外壳与所述的插头座对接后，能对信号电缆的香蕉头进行防雨防尘保护。

所述固定夹件为由两个半工字型组件拼接而成的工字型夹件，起到固定连接所述的插头座和所述的铜带的作用；所述半工字型组件包括顶面部、肋部和底面部，所述肋部垂直连接顶面部与底面部。

半工字型组件肋部厚3～12mm，竖直方向高20～80mm，顶面部和底面部为(15～60)mm×(15～30)mm，此面开有1～4个通孔以方便与所述的插头座通孔匹配连接，半工字型组件的顶面部呈圆弧形状，弧度与所要安装的变压器的套管的直径相匹配，弧长15～80mm。两个半工字型组件拼接成所述的固定夹件，并将铜带的两端置于所述的固定夹件的内侧面。所述的铜带材料为紫铜，形状为带状，长度依变压器套管的周长而定，宽度10～40mm，厚1～5mm，所述的铜带缠绕在变压器套管靠近法兰附近的外绝缘层上，铜带两端分别与所述的固定夹件以及所述的插头座连接，其两个端部分别沿着半工字型组件的内侧面固定，并在所述半工字型组件底面部交汇后置于半工字型组件与所述的插头座之间，通过螺丝将所述的插头座、铜带和固定夹件固定在一起，以保证所述的插头座与所述的铜带良好接触；所述的固定夹件的半工字型组件呈弧形一侧固定于套管外绝缘层上的铜带之上，以保证固定夹件牢固地固定于变压器套管外绝缘层上。

如图6所示，该传感器还包括方形卡槽，所述方形卡槽用于固定两半工字型组件的肋部。所述的方形卡槽由固定部分8和支撑部分9组成，固定部分由三块长方形塑料板构成一个楔形部件，其内部尺寸与固定夹件竖直相匹配，其壁厚2～10mm；支撑部分是一块玉固定部分底部面积相同的长方形塑料，通过螺丝与固定部分连接。所述的方形卡槽安装于固定夹件的竖直部分，以保证两个半工字型组件拼接牢固。

该传感器还包括热缩管，所述金属薄带置于热缩管内部。所述的热缩管为市购材料，由PVC组成，用于将所述的铜带置于热缩管内部，起到防尘防雨防闪络的作用。

使用上述传感器进行信号采集的方法，将传感器紧密包裹在变压器套管外表面末屏靠近法兰处，扫频信号U_e经耦合电容C_C施加到变压器套管内部金属导杆上，之后信号分别沿导杆向上至高压母线和沿金属导杆向下至变压器绕组上；高压母线阻抗为Z_grid，变压器绕组等效阻抗为Z_tw，导杆经周围介质和地之间会形成一个电容为C_bt；流经耦合电容、高压母线、变压器绕组和金属导杆对地电容的电流分别为I_c、I_grid、I_tw、I_bt，则耦合到变压器绕组首端的电压U_C为 $U_c=\frac{Z_{\mathrm{grid}}//Z_{\mathrm{tw}}//Z_{C_{\mathrm{bt}}}}{Z_{C_C}+Z_{\mathrm{grid}}//Z_{\mathrm{tw}}//Z_{C_{\mathrm{bt}}}}\·U_e.$

如图4所示，在本实施例中，将传感器与变压器套管中心金属导杆形成的电容C_C视为高压臂，在变压器套管外部连接一电容C_s，将电容C_s视为低压臂，所述电容C_C与电容C_s串联构成电容分压器，分压信号经同轴电缆首尾两端匹配的结构引出，匹配电阻等于同轴电缆的波阻抗，变压器套管中心金属导杆的电压为U₁，分压信号电压为U₂，则电容分压器的分压比为 $\frac{U_1}{U_2}=\frac{2(C_C+C_s)}{C_C}.$

如图5所示，所述分压器的低压臂部分为若干数量的同型号电容并联而成，为减小电路电感，采用同轴结构排列。所述低压臂的电容的首尾两端分别焊接在铜质材料圆盘上，所述圆盘的直径为40～100mm、高为1～5mm。所述低压臂电容和耦合电容通过同轴电缆连接。

本发明中结合低压臂部分构建的电容分压器，能够测量到频带很宽的信号。通过设置合适的分压比，能够测量变压器运行电压和遭受的雷电过电压、操作过电压等信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，其特征在于：包括一圈金属薄带、插头座和固定夹件，所述插头座用于连接外部电缆，所述外部电缆用于传递扫描信号，所述插头座与金属薄带电连接，所述外部电缆通过插头座与金属薄带电连接；所述固定夹件用于固定金属薄带和插头座。

2.根据权利要求1所述的基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，其特征在于：所述固定夹件为由两个半工字型组件拼接而成的工字型夹件，所述半工字型组件包括顶面部、肋部和底面部，所述肋部垂直连接顶面部与底面部；所述顶面部呈弧形状，弧度与变压器套管相匹配；所述底面部上设置有通孔，所述通孔用于匹配固定插头座的螺栓。

3.根据权利要求2所述的基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，其特征在于：还包括方形卡槽，所述方形卡槽用于固定两半工字型组件的肋部。

4.根据权利要求3所述的基于电容耦合的多功能变压器信号传感器，其特征在于：还包括热缩管，所述金属薄带置于热缩管内部。

5.一种利用权利要求1-4任意一项所述信号传感器进行信号采集方法，其特征在于：将传感器紧密包裹在变压器套管外表面末屏靠近法兰处，扫频信号U_e经耦合电容C_C施加到变压器套管内部金属导杆上，之后信号分别沿金属导杆向上至高压母线和沿金属导杆向下至变压器绕组上；高压母线阻抗为Z_grid，变压器绕组等效阻抗为Z_tw，导杆经周围介质和地之间会形成一个电容为C_bt；流经耦合电容、高压母线、变压器绕组和导杆对地电容的电流分别为I_c、I_grid、I_tw、I_bt，则耦合到变压器绕组首端的电压U_C为

6.根据权利要求5所述的信号采集方法，其特征在于：将传感器与变压器套管中心金属导杆形成的电容C_C视为高压臂，在变压器套管外部连接一电容C_s，将电容C_s视为低压臂，所述电容C_C与电容C_s串联构成电容分压器，分压信号经同轴电缆首尾两端匹配的结构引出，匹配电阻等于同轴电缆的波阻抗，变压器套管中心金属导杆的电压为U₁，分压信号电压为U₂，则电容分压器的分压比为

7.根据权利要求6所述的信号采集方法，其特征在于：所述电容分压器的低压臂由若干数量的同型号电容并联而成，所述电容的首尾两端分别焊接在铜质材料圆盘上，所述圆盘的直径为40～100mm、高为1～5mm，所述低压臂电容和耦合电容通过同轴电缆连接。