CN104764411B - 保护间隙测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种保护间隙测量装置及方法，所述保护间隙测量装置包括光学测距单元、间隙距离匹配单元、控制单元和壳体，控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元，间隙距离匹配单元连接至光学测距单元，其中壳体包括固定段和匹配段；间隙距离匹配单元连接至壳体，根据控制单元的控制改变壳体匹配段的移动距离；光学测距单元测量壳体匹配段的移动距离。利用本发明的保护间隙测量装置及方法，能够实现保护间隙的在线监测，保证测量的安全性与精度要求。

Description

保护间隙测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高电压与绝缘技术领域，特别是涉及到绝缘设备过电压保护技术领域。

背景技术

在电网中普遍存在大量中性点不接地运行的变压器设备，当发生雷击或者短路、断线故障都会造成中性点过电压，为限制此类变压器中性点过电压的发生，一般采取装设保护间隙或者同时并联装设保护间隙和金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistors，MOV)的措施。

所谓保护间隙，是由两个金属电极构成的一种简单的防雷保护装置。其中一个电极固定在绝缘子上，与带电导线相接，另一个电极通过辅助间隙与接地装置相接，两个电极之间保持规定的间隙距离。保护间隙构造简单，维护方便，但其自行灭弧能力较差。其间隙的结构有棒型、球型和角型三种。棒型间隙的伏秒特性较陡，不易与设备的绝缘特性配合；球型间隙虽然伏秒特性最平坦，保护性能也很好，但它与棒型间隙一样，都存在着间隙端头易烧伤的缺点，烧伤后间隙距离增大，不能保证动作的准确性；角型间隙放电时，电弧会沿羊角迅速向上移动而被拉长，因而容易自行灭弧，间隙不会严重烧伤，所以，近年来角型间隙被广泛用于配电线路和配电设备的防雷保护。由于一般保护间隙的间隙距离较小(8～25mm)，易为昆虫、鸟类或其他外物偶然碰触而引起短路，因此常在接地引下线上串接一个小角型辅助间隙。在正常情况下，保护间隙对地是绝缘的，并且绝缘强度低于所保护线路的绝缘水平，因此，当变压器端口遭受过电压波入侵并在在保护间隙两端产生超出绝缘耐受水平的过电压时，保护间隙击穿以限制过电压幅值，从而保护与之并联绝缘结构，进而起到保护电气设备的作用。

在变压器实际运行过程中，由于多方面因素，会导致保护间隙整定距离改变，严重时，甚至无法起到保护作用，使变压器正常运行存在安全隐患。为保证中性点间隙起到良好的过电压限制作用，需要对保护间隙长度进行相对频繁的监测。另一方面，出于对电力系统运行可靠性的考虑，通常不允许因为保护间隙长度测量而停运变压器，又因经济原因，对于普通保护间隙不宜装设在线检测装置。因此，对保护间隙长度的带电测量成为变压器日常检修项目中必不可少的一个环节。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种保护间隙测量装置及方法，该保护间隙测量装置及方法满足以下的要求：

1)出于系统电能质量以及供电可靠性的考虑，保护间隙测量装置及方法必须带电在线运行；

2)变压器中性点保护间隙多装设于高于地面2-3m处，同时考虑变压器运行时，操作人员的安全距离要求，需采用远距离测量手段；

3)保护间隙的击穿电压与间隙宽度有着密切的关系，并且对间隙宽度变化非常敏感，因此要求本发明保护间隙测量装置及方法精度高，测量误差为±2mm以内；

4)出于日常检修考虑，需要保护间隙测量装置及方法易于操作，同时能够相对快速测量以确保常规检修、维护的工作效率。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种保护间隙测量装置，包括光学测距单元、间隙距离匹配单元、控制单元和壳体，控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元，间隙距离匹配单元连接至光学测距单元，其中，

壳体包括固定段和匹配段；

间隙距离匹配单元连接至壳体，根据控制单元的控制改变壳体匹配段的移动距离；

光学测距单元测量壳体匹配段的移动距离。

其中所述光学测距单元包括光学发射元件、位置敏感探测器、信号处理电路、震荡电路、稳压电路和输出电路，其中，

光学发射元件和位置敏感探测器安装于壳体的固定段；

震荡电路连接至光学发射元件、位置敏感探测器；

稳压电路连接至位置敏感探测器；

信号处理电路连接至位置敏感探测器和输出电路；

稳压电路连接至信号处理电路。

特别地，所述光学测距单元的光学发射元件为红外发射单元，相应地，所述位置敏感探测器为红外测距传感器。

另外，所述间隙距离匹配单元包括步进电机、传动齿轮组、匹配段连接杆，壳体匹配段内表面上有接触槽，其中，

步进电机与传动齿轮组耦合，带动匹配段连接杆旋转；

匹配段连接杆上下端与壳体匹配段内表面上的接触槽啮合，带动壳体匹配段沿远离或接近壳体固定段的方向移动。

所述步进电机的步进角度与光学测距单元的测量时序匹配。

所述壳体密封隔光封装光学测距单元、间隙距离匹配单元和控制单元，且所述壳体内表面具有金属屏蔽层。

所述壳体由聚氯乙烯材料制成，壳体外部涂有绝缘漆，且所述壳体内表面的金属屏蔽层为锡箔纸层。

控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元的信号线缆具有金属屏蔽层，控制单元外部具有金属屏蔽盒，且控制单元进行单端接地。

另外所述保护间隙测量装置还包括操作杆，所述操作杆连接至壳体。

一种保护间隙测量方法，所述方法包括以下步骤：

将壳体的固定段接触至保护间隙的一端；

通过间隙距离匹配单元移动壳体匹配段，直至壳体匹配段接触保护间隙的另一端；

光学测距单元发射光学测距信号并根据位置敏感探测器接收到的信号，确定壳体匹配段移动的距离，由此确定保护间隙的长度。

通过采用本发明的保护间隙测量装置及方法，具有以下技术效果：

1)本发明保护间隙测量装置及方法利用光学测距单元对间隙距离进行测量，因此能够保证安全性与精度要求；

2)通过间隙距离匹配单元对保护间隙距离进行长度匹配，获得当前间隙距离信息，能够实现在线监控；

3)本发明保护间隙测量装置及方法利用隔光屏蔽的壳体对测量和信号单元进行光、电磁屏蔽，相关信号传输线缆进行电磁屏蔽，减少环境因素影响；

4)本发明保护间隙测量装置及方法利用绝缘壳体对操作人员及测量装置进行过电压防护。

因此，本发明保护间隙测量装置及方法较好地解决了电力变压器保护间隙带电测量所需的高精度测量、远距离操作、数据传输及显示、以及复杂气候环境下应用等难题。在具体实施方式中，本发明保护间隙测量装置及方法测量误差小于±1mm，操作点距离保护间隙水平距离3m以上，为电力变压器中性点保护间隙调整优化提供了重要的现场运行依据。

附图说明

图1为本发明实施方式中保护间隙测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施方式中保护间隙测量装置的透视图。

图3为本发明实施方式中保护间隙测量装置的光学测距单元的结构示意图。

图4为本发明实施方式中保护间隙测量装置的间隙距离匹配单元的结构示意图。

图5本发明实施方式中保护间隙测量装置的光学测距单元和步进电机的动作时序示意图。

图6为本发明实施方式中保护间隙测量装置的外壳的透视图。

图7为本发明实施方式中保护间隙测量装置的标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图1所示，本发明实施方式中保护间隙测量装置包括一种保护间隙测量装置，包括光学测距单元、间隙距离匹配单元、控制单元和壳体，控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元，间隙距离匹配单元连接至光学测距单元，其中，

壳体包括固定段和匹配段；

间隙距离匹配单元连接至壳体，根据控制单元的控制改变壳体匹配段的移动距离；

光学测距单元测量壳体匹配段的移动距离。

如图1中所示，壳体封装光学测距单元、控制单元和间隙距离匹配单元。间隙距离匹配单元根据保护间隙的实际距离，以及控制单元发送来的控制信号控制壳体匹配段的移动，当壳体匹配段不移动时，发送测量信号给光学测距单元。

光学测距单元进行光学测距后，将距离信号发送给控制单元，控制单元经过计算获得测量结果——保护间隙长度。

具体而言，如图2所示，保护间隙1具有分离的两端，使用本发明实施方式中的保护间隙测量装置时，首先将壳体4固定段42接触至保护间隙1的一端，然后利用间隙距离匹配单元3控制壳体4匹配段41向保护间隙1的另一端移动，直至壳体4匹配段41接触到保护间隙1的另一端，壳体4匹配段41停止移动时，发送测量信号给光学测距单元2。

光学测距单元2由此测量壳体4匹配段41的移动距离，并将距离信号发送给控制单元，控制单元经过计算获得保护间隙1的实际长度。

由于光学测距单元2、间隙距离匹配单元3和控制单元均封装在壳体4中，因此避免了光学测距单元2、间隙距离匹配单元3和控制单元受到测量现场环境电磁干扰环境的影响，提高了保护间隙测量装置的精度。

在本发明一个具体实施方式中，光学测距单元2的结构示意图如图3所示，具体而言，光学测距单元2包括光学发射元件、位置敏感探测器、信号处理电路、震荡电路、稳压电路和输出电路，

光学发射元件和位置敏感探测器安装于壳体4的固定段42，光学发射元件进一步包括LED和LED驱动电路；

震荡电路连接至光学发射元件、位置敏感探测器；

稳压电路连接至位置敏感探测器；

信号处理电路连接至位置敏感探测器和输出电路；

稳压电路连接至信号处理电路。

其工作原理是：通过LED驱动电驱动LED向系统外部发射测量光线，在抵达测量端点后，光线返回，由位置敏感探测器(Position sensitive detector，PSD)接收并通过信号处理电路将该信号转换成控制电路可处理的模拟信号。LED和位置敏感探测器及信号处理电路的同步信号由单元中的震荡电路统一控制，参考电压信号及供能由稳压电路提供，为保证带负载能力，信号处理电路产生的模拟信号经过输出电路后发送给控制单元。

在一个更加具体的实施方式中，所述光学测距单元的光学发射元件为红外发射单元，相应地，所述位置敏感探测器为红外测距传感器。这样光学测距单元测量到的距离精度更高。

红外测距传感器的灵敏度及测距范围根据运行现场变压器保护间隙实际安装配置设计图纸决定。以110kV电力变压器中性点保护间隙为例，为满足不同电磁环境下对中性点绝缘的有效保护，通常保护间隙长度在100mm-140mm之间。由于保护间隙触头半径与间隙设计距离之小于6％，将该类间隙作为棒-棒间隙近似处理，100mm-140mm棒-棒空气间隙1atm下击穿电压变化率为1.1kV/mm，故传感器距离测量精度应在±1.5mm内。在一个具体的应用示例中，采用的红外测距传感器型号为GP2Y0A21YK0F，该传感器测量误差±0.3mm，测量范围为100mm-800mm。

在一个具体实施方式中，间隙距离匹配单元3的透视图如图4所示，间隙距离匹配单元3包括步进电机31、传动齿轮组32、匹配段连接杆33，壳体4匹配段41内表面上有接触槽43，其中，

步进电机31与传动齿轮组32耦合，步进电机31根据控制单元的控制指令确定其自身旋转方向及角度；

传动齿轮组32与匹配段连接杆33配合，带动匹配段连接杆33旋转；

匹配段连接杆33上下端与壳体4匹配段41内表面上的接触槽43啮合，因此匹配段连接杆33旋转时，利用接触槽带动壳体4的匹配段41沿远离或接近壳体4的固定段42的方向移动。

间隙匹配单元3可应用传统手动机械控制结构或者电子机械控制结构，控制壳体4的匹配段41移动，实现与保护间隙1两端的匹配。在一个更加具体的实施例中，以110kV电力变压器中性点保护间隙距离为标准，由于步进电机31输出仅由脉冲个数控制，控制精度由测量装置响应时间唯一确定。根据具体实施方式中采用的光学测距单元2的工作时序图，本发明保护间隙测量装置稳定工作后的响应时间最大为5ms，采用的ULN2003步进电机的步进角度为5.625x1/64。

本发明的保护间隙测量装置光学测距单元2的时序图如图5所示，其中所述步进电机31的步进角度与光学测距单元的测量时序匹配。

大型电力变压器除少数封闭于气体绝缘开关装置(Gas Insulation Switchgear，GIS)中外，大多数尚装设于变电站户外。因此保护间隙测量装置工作环境因素复杂，虽然本发明保护间隙测量装置的光学测量单元2在设计上已经尽量避免环境因素影响，但实际测量环境仍然可能难以保证其稳定工作，因此将整个光学测量单元2封闭于隔光屏蔽的壳体4中，尽可能降低环境光线对测距单元影响。

另一方面，大部分中性点保护间隙处于复杂电磁环境中，组成本发明保护间隙测量装置光学测距单元2和间隙距离匹配单元3的电子元器件，以及各单元间的信号传输均需要进行电磁屏蔽以确保安全稳定准确运行。在隔光屏蔽的壳体4内部，在不影响电路信号传输结构前提下，敷设锡箔纸44，对构成各单元的电子元件进行电磁屏蔽；控制单元也须装设于金属屏蔽盒内，以除去电磁干扰；控制单元连接至光学测距单元2和间隙距离匹配单元3的信号线缆采用带金属屏蔽层结构，并在控制单元进行单端接地处理实现电磁屏蔽。

另外，运行中的电力变压器中性点可能因故障或不对称运行产生对地高电位，因此本发明保护间隙测量装置中的所有单元运行均需接地，在接地连接处和测量系统固定端会产生相应电位差，造成绝缘击穿损坏测量系统，严重时可能沿操作杆发生沿面放电威胁操作人员人身安全。因此隔光屏蔽的壳体4采用轻质聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)材料制作，壳体4外部均匀涂布绝缘漆进行系统绝缘包护，确保人身及设备安全。本发明实施方式中保护间隙测量装置的壳体4透视图如图6所示。

在本发明一具体实施方式中，保护间隙测量装置还包括操作杆，所述操作杆连接至壳体4。

与本发明的保护间隙测量装置相对应，本发明还包括一种保护间隙测量方法，所述方法包括以下步骤：

将壳体4的固定段42接触至保护间隙1的一端；

通过间隙距离匹配单元3移动壳体4匹配段41，直至壳体4匹配段41接触保护间隙1的另一端；

光学测距单元2发射光学测距信号并根据位置敏感探测器接收的信号，确定壳体4匹配段41移动的距离，由此确定保护间隙1的长度。

在本发明具体实施方式中，参考国家电网公司《110kV、220kV变电站典型设计一次部分中性点间隙组合设备安装图》以及现场运行经验，获得光学测距单元2的测距范围，并根据间隙击穿试验确定测量精度。根据需要的测量指标选取或制作光学测距单元2，在使用前须进行必要的校准。

另外，根据保护间隙1的实际长度、光学测距单元2响应时间等设计间隙距离匹配单元3。光学测距单元2获得的距离信号，通过控制单元反馈给间隙距离匹配单元3。间隙距离匹配单元3动作会造成测距信号改变，以此建立各单元间光、电测量控制信号反馈控制。间隙距离匹配单元3的动作信号由信号线缆直接引入隔光屏蔽的壳体4内，在控制单元内部将控制信号转化成相应控制量，由传动装置将控制量反映于壳体4匹配段41前后位移动作，实现间隙距离匹配单元3的匹配功能。

间隙距离匹配单元3制作完成后，需要确定其灵敏度。

间隙距离匹配单元3和光学测距单元2封装于隔光屏蔽的壳体4内部，不宜经常拆卸，因此具体实施例中内部信号及供能线缆由末端开口处引出，在控制单元处统一采用6V电源供电。

本发明实施方式中保护间隙测量装置装配完成后将会因间隙距离匹配单元3、壳体4带来结构误差进而影响测量精度，因此需对保护间隙测量装置整体进行标定，可采用如下方法：

摆放保护间隙测量装置如图7所示，并调整控制单元使保护间隙测量装置达到最小长度，用游标卡尺或其他测距方式确定此时距离，在控制单元中设定该状态下的显示距离为标准测量的长度。再次调整控制单元，使保护间隙测量装置到达任意非最短测距位置，将此时控制单元显示和实测值进行对比，获得保护间隙测量装置的整体灵敏度。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种保护间隙测量装置，包括光学测距单元、间隙距离匹配单元、控制单元和壳体，控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元，间隙距离匹配单元连接至光学测距单元，其中，

壳体包括固定段和匹配段；

间隙距离匹配单元连接至壳体，根据控制单元的控制改变壳体匹配段的移动距离；所述间隙距离匹配单元包括步进电机、传动齿轮组、匹配段连接杆，壳体匹配段内表面上有接触槽，其中，

步进电机与传动齿轮组耦合，带动匹配段连接杆旋转；

匹配段连接杆上下端与壳体匹配段内表面上的接触槽啮合，带动壳体匹配段沿远离或接近壳体固定段的方向移动；

光学测距单元测量壳体匹配段的移动距离；

所述光学测距单元包括光学发射元件、位置敏感探测器、信号处理电路、震荡电路、稳压电路和输出电路，其中，

光学发射元件和位置敏感探测器安装于壳体的固定段；

震荡电路连接至光学发射元件、位置敏感探测器；

稳压电路连接至位置敏感探测器；

信号处理电路连接至位置敏感探测器和输出电路；

稳压电路连接至信号处理电路。

2.根据权利要求1中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，所述光学测距单元的光学发射元件为红外发射单元，相应地，所述位置敏感探测器为红外测距传感器。

3.根据权利要求1中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，所述步进电机的步进角度与光学测距单元的测量时序匹配。

4.根据权利要求1中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，所述壳体密封隔光封装光学测距单元、间隙距离匹配单元和控制单元，且所述壳体内表面具有金属屏蔽层。

5.根据权利要求4中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，所述壳体由聚氯乙烯材料制成，壳体外部涂有绝缘漆，且所述壳体内表面的金属屏蔽层为锡箔纸层。

6.根据权利要求1中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，控制单元连接至光学测距单元和间隙距离匹配单元的信号线缆具有金属屏蔽层，控制单元外部具有金属屏蔽盒，且控制单元进行单端接地。

7.根据权利要求4中所述的保护间隙测量装置，其特征在于，所述保护间隙测量装置还包括操作杆，所述操作杆连接至壳体。