CN104215842A - 一种基于套管的变压器在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于套管的变压器在线监测系统，所述的系统包括变压器；与变压器相连接的套管，具体包括外瓷套、导杆及法兰，在导杆和法兰之间设置有电容芯子，电容芯子包裹在导杆上，法兰与电容芯子的末屏相连；传感器单元，与套管相连接，用于采集套管输出的末屏电压，并通过电缆将末屏电压传送到后台监测装置；套管的一次出线与母线相连接；电压互感器，与母线相连接，用于测量母线的电压，并通过电缆传送至后台监测装置；所述的后台监测装置，与电缆相连接，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压，根据所述的末屏电压以及所述母线的电压进行在线监测。可以定量判断容性设备的绝缘性能以及动态分析其绝缘变化的趋势。

Description

一种基于套管的变压器在线监测系统

技术领域

本发明关于电力系统中的变压器技术领域，特别是关于变压器的在线监测技术领域，具体的讲是一种基于套管的变压器在线监测系统。

背景技术

电力行业是国民工业的先行行业，电力行业的稳定发展是国民经济可持续发展的基础。变压器是电力系统的重要组成部分，其运行状态直接影响系统的安全性。随着超高压和特高压技术的迅速发展，电网容量加大和覆盖面增广，它的故障可能对电力系统和用户造成重大的危害和影响。

套管被广泛应用于电力系统中的把电流引入或引出变压器等金属外壳的电力设备，同时起到机械支撑作用。目前电力变压器常用的套管类型是油纸电容式套管，其结构模型如图2所示，由图2可知，套管由外瓷套203、电容芯子202、导杆201及安装法兰204等组成。套管在导杆201和法兰204之间加入电容芯子202作为内绝缘，电容芯子202为多层电缆纸浸以矿物油包裹在导杆201上，层间有金属极板使套管内部和表面的电场均匀化，防止发生滑闪，可以等效为一串同轴圆柱形电容器串联。在套管法兰上一般有一只测量小套管，该小套管与电容芯子的末屏相连，变压器运行时接地，检修时供试验使用。将电容式套管等效为集中参数模型如图3所示，R1为导杆对套管末屏的绝缘电阻，R2为套管末屏对地的等效电阻，C1为导杆对套管末屏的等效电容，C2为套管末屏对地的杂散。其中R1和R2一般为数百兆欧，可视为开路。

现有技术中，套管介质损耗监测一般采用过电压电流零点时差比较法，通过比较施加于套管上的电压和电流过零时刻，求得两者之间的相位差，从而计算介质损耗角。这种方法多采用穿心式结构的电流传感器测量电流，无论有源还是无源，提取微弱电流信号的稳定性、准确性问题难以得到较为妥善的解决。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于套管的变压器在线监测系统，为变压器在线监测提供帮助，利用了变压器套管的电容特性，采用分压器分压的信号采集方式，简单地实现了包括套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测多种功能的在线监测。

本发明的目的是，提供一种基于套管的变压器在线监测系统，所述的系统包括变压器；与所述的变压器相连接的至少一个套管，具体包括外瓷套、导杆及法兰，在所述导杆和所述法兰之间设置有电容芯子，所述电容芯子包裹在所述导杆上，所述法兰与所述电容芯子的末屏相连；传感器单元，与所述的套管相连接，用于采集所述套管输出的末屏电压，并通过电缆将所述的末屏电压传送到后台监测装置；所述套管的一次出线与母线相连接；电压互感器，与所述的母线相连接，用于测量所述母线的电压，并通过所述的电缆传送至后台监测装置；所述的后台监测装置，与所述的电缆相连接，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压，根据所述的末屏电压以及所述母线的电压进行在线监测。

优选的，所述的传感器单元的电容值大于所述套管的末屏对地的杂散电容值。

优选的，所述的系统还包括与所述的电缆相连接的电子装置，用于将所述的末屏电压以及所述母线的电压传送至所述的后台监测装置。

优选的，所述的后台监测装置具体包括：接收单元，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压；向量夹角确定单元，用于确定所述的末屏电压以及所述母线的电压之间的向量夹角；正切值确定单元，用于根据所述的向量夹角确定与所述的向量夹角对应的正切值；介质损耗确定单元，用于根据所述的向量夹角对应的正切值、所述的传感器单元以及所述的套管确定所述套管的介质损耗。

优选的，所述的后台监测装置具体包括：接收单元，用于接收所述的末屏电压；等效电容确定单元，用于根据所述的末屏电压确定所述导杆对所述套管末屏的等效电容；平均电容确定单元，用于根据多个套管对应的等效电容确定平均电容；电容变化值确定单元，用于确定各个等效电容与所述的平均电容的变化量；报警单元，用于当所述的变化量超出预先设定的阈值时，发生阈值警告。

优选的，所述的套管为电容型套管。

优选的，所述的电缆为同轴电缆。

优选的，所述的后台监测装置为计算机。

优选的，所述的后台监测装置为变电站控制平台。

本发明的有益效果在于，提出了一种电压测量和过零比较法相结合的测量方法实现介质损耗监测，可以定量判断容性设备的绝缘性能以及动态分析其绝缘变化的趋势，为变压器在线监测提供帮助，利用变压器套管的电容特性，采用分压器分压的信号采集方式，简单地实现了包括套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测多种功能的在线监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为智能化电子装置IED的电路原理图；

图2为现有技术中的套管的结构简图；

图3为现有技术中的套管的等效电路图；

图4为本发明实施例的套管介质损耗监测原理图；

图5为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统的实施方式一的结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统的实施方式二的结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中后台监测装置的实施方式一的结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中后台监测装置的实施方式二的结构框图；

图9为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中套管与传感器单元的电路原理图；

图10为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中后台监测装置的实施方式三的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做出创造性劳动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。

本发明实施例提供了一种基于套管的变压器在线监测系统，为变压器在线监测提供帮助，利用了变压器套管的电容特性，采用分压器分压的信号采集方式，简单地实现了包括套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测多种功能的在线监测。

图5为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统的实施方式一的结构框图，由图5可知，在实施方式一中，所述的系统具体包括：

变压器100；

与所述的变压器相连接的至少一个套管200，图2为套管的结构简图，由图2可知，套管具体包括外瓷套203、导杆201及法兰204，在所述导杆201和所述法兰204之间设置有电容芯子202，所述电容芯子202包裹在所述导杆201上，所述法兰204与所述电容芯子202的末屏相连；套管在导杆201和法兰204之间加入电容芯子作为内绝缘，电容芯子为多层电缆纸浸以矿物油包裹在导杆上，层间有金属极板使套管内部和表面的电场均匀化，防止发生滑闪，可以等效为一串同轴圆柱形电容器串联。在本发明的其他实施方式中，套管法兰上一般有一只测量小套管，该小套管与电容芯子的末屏相连，变压器运行时接地，检修时供试验使用。将电容式套管等效为集中参数模型如图3所示，R1为导杆对套管末屏的绝缘电阻，R2为套管末屏对地的等效电阻，C1为导杆对套管末屏的等效电容，C2为套管末屏对地的杂散。其中R1和R2一般为数百兆欧，可视为开路。

在具体的实施方式中，套管可根据实际的适用场景设置一个或多个，如在单相变压器上设置一个套管，在三相变压器上设置三个套管。本发明的套管为电容型套管

传感器单元300，与所述的套管200相连接，用于采集所述套管输出的末屏电压，并通过电缆600将所述的末屏电压传送到后台监测装置700。在本发明中，所述的传感器单元的电容值远大于所述套管的末屏对地的杂散电容值。本发明的电缆为同轴电缆。

图9为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中套管与传感器单元的电路原理图，由图9可知，传感器单元300部分的实现是采用电容分压原理。传感器单元中的电容C_M通过套管末屏引出线与套管末屏对地杂散电容C₂并联，与套管主电容C₁串联分压。为了保护电容C_M不承受过高的脉冲电压，在其两端并入过压避雷器SA。电容C_M上的电压通过匹配阻抗和同轴电缆送出。电容C_M设计值应远大于C₁和C₂，以保证C_M上的电压适合进行测量。

所述套管的一次出线与母线400相连接；

电压互感器500，与所述的母线400相连接，用于测量所述母线的电压，并通过所述的电缆600传送至后台监测装置700，在具体的实施方式中，电压互感器500可通过母线PT来实现。

所述的后台监测装置700，与所述的电缆600相连接，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压，根据所述的末屏电压以及所述母线的电压进行在线监测。

图6为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统的实施方式二的结构框图，由图6可知，在实施方式二中，所述的系统除了实施方式一中的部件之外，还包括与所述的电缆600相连接的电子装置800，用于将所述的末屏电压以及所述母线的电压传送至所述的后台监测装置。在具体的实施方式中，电子装置800可通过智能化电子装置（IED）来实现，可通过通讯规约、调制解调器或局域网等方式传送至后台监测装置。

图1为智能化电子装置IED的电路原理图，由图1可知，智能化电子装置（IED）主要包括微处理器芯片及其各种外围电路、可编程逻辑控制器及其各种外围电路、DSP数字信号处理芯片，可以在变压器现场就地实现智能化、信息化，将监测信息转换成便于传输的信号形式，加上保护措施以防止传输过程中的外界干扰，通过通讯规约、调制解调器或局域网等方式传送至后台监测装置。

本发明利用套管的特殊结构为变压器在线监测提供帮助，包括套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测。这些监测将通过一套整体的流程在同台变压器上实现。

本发明提供的系统可实现如下在线监测目的：套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测。下面逐一进行说明。

套管介质损耗监测

图7为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中后台监测装置的实施方式一的结构框图。在该实施方式中，所述的后台监测装置具体包括：

接收单元701，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压；

向量夹角确定单元702，用于确定所述的末屏电压以及所述母线的电压之间的向量夹角；

正切值确定单元703，用于根据所述的向量夹角确定与所述的向量夹角对应的正切值；

介质损耗确定单元704，用于根据所述的向量夹角对应的正切值、所述的传感器单元以及所述的套管确定所述套管的介质损耗。

本发明的后台监测装置可为计算机。在其他实施方式中，所述的后台监测装置还可为变电站控制平台。

也即套管介质损耗监测的实现方法如下：后台监测装置通过母线PT获得高压母线上的电压，通过传感器单元获得套管末屏分压电容C_M的电压，再通过过零比较方法得到电压和电压的向量夹角，设为，即可计算得到正切值。由于电容C_M设计值远大于C₂，忽略通过C₂的电流，认为通过C₁和C_M的电流均为，则由图4所示的套管介质损耗监测原理图中向量关系可知；

由于电容C_M设计值远大于C₁，因此上式可简化为：

即可求得套管的介质损耗正切值。在电力行业中，介质损耗都是通过其正切值来表示的。本方法有效避开了电流小信号的采集，实现简单，抑制谐波和噪声干扰能力强，算法精度高。

套管电容量监测

图8为本发明实施例提供的一种基于套管的变压器在线监测系统中后台监测装置的实施方式二的结构框图，由图8可知，在该实施方式中，所述的后台监测装置具体包括：

接收单元701，用于接收所述的末屏电压；

等效电容确定单元705，用于根据所述的末屏电压确定所述导杆对所述套管末屏的等效电容；

平均电容确定单元706，用于根据多个套管对应的等效电容确定平均电容；

电容变化值确定单元707，用于确定各个等效电容与所述的平均电容的变化量；

报警单元，用于当所述的变化量超出预先设定的阈值时，发生阈值警告。

也即套管电容量监测的实现方法为：正常情况下套管的电容量是较为稳定的数值，而在发生电容屏击穿、绝缘受潮、绝缘劣化、套管缺油等问题时，电容量会增大或减小，且电容的变化量至少在1%以上，以电容屏击穿问题为例，各电压等级典型套管的电容屏击穿一层所引起的套管电容变化率便达到1.4%以上，如表1所示。将本发明的系统装置安装在变压器三相套管上，如图10所示，根据各相电压传感器输出量U_M计算套管电容C₁，比较一相得电容与其它两相电容的平均值（在本发明的其他实施方式中，也可先确定三相电容的平均值，再分别确定各相电容与平均电容的变化ΔC），得到套管电容的变化ΔC。通常由于不平衡电压和温度变化，电容变化ΔC在0.4%范围，所以信噪比对可靠地采集绝缘状态是足够的，可以将报警的阈值设置为1%。

表1

额定电压（kV）	电容屏层数	ΔC
			123	28	3.6%
245	42	2.4%
			400	60	1.7%
550	70	1.4%

一次侧过电压信号监测

一次侧过电压信号监测的实现方法为：过电压录波装置通常针对35kV以下电压等级的配电网设计，大多采用电压互感器PT、电阻或电容分压器采集过电压信号。由于普通PT的频率响应不够，对许多快速变化的过电压不能监测，而电阻或电容分压器长时间并联在系统中消耗许多能量，且增加运维工作量，给系统安全带来潜在风险。本发明装置利用套管本身的电容特性，实现对过电压信号的采集，由于套管的高电阻、低介损特性，不存在长期运行的发热及可靠性问题。电压传感器单元实现高达几MHz的带宽，使得它不仅能量测量运行电压，也能检出过电压，后台监测单元对采集到的信号进行处理和记录。

局部放电监测

局部放电监测的实现方法为：变压器内部局部位置因气泡、杂质、毛刺等缺陷造成的局部放电，时间短，能量小，但其形成的高频脉冲电流可通过绕组、铁芯、箱体之间电容以及套管电容耦合。在传感器单元中，采用宽频带电流传感器对通过电容C_M的接地电流进行测量，通过后台监测装置记录并观察接地电流中的局部放电脉冲信号，传感器基于罗氏线圈原理，采用磁耦合方式，检测回路与高压回路之间无直接电联系。

套管末屏断线或接触不良缺陷监测

套管末屏断线或接触不良缺陷监测的实现方法为：当出现套管末屏断线或接触不良，由于断开点的电容量远小于套管电容量，因此理论上末屏对地电压将上升至很高，引起在末屏断开处发生对地的持续性或间歇性放电，也可能会在末屏外的绝缘层中产生局部放电。目前鲜有相关的带电检测手段对套管末屏放电进行检测。本发明装置通过局部放电监测的方法，可同样监测套管末屏放电，末屏放电电流脉冲信号的强度明显大于变压器局部放电，经标定后的视在局部放电通常在几百pC至几千pC范围，而末屏放电采集到的放电量可达到几十万pC量级。

下面结合具体的实施例，对本发明提供的一种基于套管的变压器在线监测系统做详细说明。

以110kV变压器为例，图9中，一台变压器的110kV套管电容C₁为232pF，末屏对地杂散电容C₂为783.5pF。传感器单元中的电容C_M选择255nF，采用10个电容值为25.5nF的电容并联，并使电容按照同轴圆柱结构排列以减小传感器的等效杂散电感。估算电容C_M上的电压。过压避雷器SA选用金属氧化物阀片MOV和气体放电管的混合保护，动作电压为800V。将电容C_M、过压避雷器SA、前端匹配电阻R_p共同密封于铝合金外壳中，金属外壳接地屏蔽外界噪声干扰。选用带宽为10～20MHz、响应速度小于1ns、灵敏度为2mV、脉冲测量范围为2mV～4000mV，屏蔽性良好的穿心式电流传感器用于局部放电脉冲信号测量。后台监测装置与示波器功能相似，实现示波录波功能，以及阈值告警功能。

综上所述，本发明的有益成果是：提供了一种基于套管的变压器在线监测系统，为变压器在线监测提供帮助，利用变压器套管的电容特性，采用分压器分压的信号采集方式，简单地实现了包括套管介质损耗监测、套管电容量监测、一次侧过电压信号监测、局部放电监测、套管末屏断线或接触不良缺陷监测多种功能的在线监测装置和方法。提出了一种电压测量和过零比较法相结合的测量方法实现介质损耗监测，可以定量判断容性设备的绝缘性能以及动态分析其绝缘变化的趋势。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例系统中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各系统的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-OnlyMemory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于套管的变压器在线监测系统，其特征是，所述的系统包括：变压器；

与所述的变压器相连接的至少一个套管，具体包括外瓷套、导杆及法兰，在所述导杆和所述法兰之间设置有电容芯子，所述电容芯子包裹在所述导杆上，所述法兰与所述电容芯子的末屏相连；

传感器单元，与所述的套管相连接，用于采集所述套管输出的末屏电压，并通过电缆将所述的末屏电压传送到后台监测装置；

所述套管的一次出线与母线相连接；

电压互感器，与所述的母线相连接，用于测量所述母线的电压，并通过所述的电缆传送至后台监测装置；

所述的后台监测装置，与所述的电缆相连接，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压，根据所述的末屏电压以及所述母线的电压进行在线监测。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传感器单元的电容值大于所述套管的末屏对地的杂散电容值。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的系统还包括与所述的电缆相连接的电子装置，用于将所述的末屏电压以及所述母线的电压传送至所述的后台监测装置。

4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征是，所述的后台监测装置具体包括：

接收单元，用于接收所述的末屏电压以及所述母线的电压；

向量夹角确定单元，用于确定所述的末屏电压以及所述母线的电压之间的向量夹角；

正切值确定单元，用于根据所述的向量夹角确定与所述的向量夹角对应的正切值；

介质损耗确定单元，用于根据所述的向量夹角对应的正切值、所述的传感器单元以及所述的套管确定所述套管的介质损耗。

5.根据权利要求1或3所述的系统，其特征是，所述的后台监测装置具体包括：

接收单元，用于接收所述的末屏电压；

等效电容确定单元，用于根据所述的末屏电压确定所述导杆对所述套管末屏的等效电容C₁；

平均电容确定单元，用于根据多个套管对应的等效电容确定平均电容；

电容变化值确定单元，用于确定各个等效电容与所述的平均电容的变化量；

报警单元，用于当所述的变化量超出预先设定的阈值时，发生阈值警告。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的套管为电容型套管。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的电缆为同轴电缆。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的后台监测装置为计算机。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的后台监测装置为变电站控制平台。