CN106199346A - 用于监视电网中局部放电的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视AC电网中局部放电的设备，所述监视设备被安装在配有连接于AC网络的一个相(5)的真空瓶(10)的开关装置中。所述监视设备包括面向真空瓶(10)定位的局部放电检测器以及接收代表电容传感器(20)所检测的局部放电的第一信号、并且接收代表AC电网的电压(31)的第二信号的电子处理单元。所述处理单元包含能够根据第一信号和第二信号确定局部放电是源于真空瓶(10)中真空度的降低还是源于在真空瓶(10)外部的不同原因的判别装置。

Description

用于监视电网中局部放电的设备

技术领域

本发明涉及一种用于监视出现在中电压或者高电压AC电网(主要是三相网络)中的局部放电的设备。

更具体地讲，本发明涉及通过气体或者固体绝缘器或者通过气体与绝缘壁的组合所绝缘的类型的诸如真空开关或者断路器的开关装置，而且其设计主要旨在区分源于真空开关或者断路器中真空度的降低的局部放电和源于任何其它原因的局部放电。

背景技术

监视连接于中电压或者高电压电网的断路器的真空瓶中的真空度的质量，以确保断路器的正确操作，是人们所熟悉的，例如，参见文献US4103291和EP2463883。为此，监视系统通常使用面对真空瓶放置、并且与适当的电子装置相关联的电容传感器，所述传感器能够检测所述瓶处的局部放电。操作基于真空的介电特性。如果瓶中真空度降低，则瓶子内部出现火花放电，于是面对瓶子放置的电容传感器中流动的电流生成传感器能够检测的脉冲。因此流经这一电容传感器的电流能够提供代表所述瓶的真空状态的信息。

然而，这些监视系统不区别这种电容传感器可以检测的局部放电的不同的类型。如以上所提到的，局部放电的第一类型是其上安装了传感器的断路器的真空瓶中真空度的降低。然而，这种电容传感器也可以检测其它类型的局部放电，而且这些其它类型的局部放电可能源于在断路器外部的电网的部件，例如，电网的电缆或者连接于电网的其它装置。应该加以注意的是，这些其它类型的局部放电包括因空气中的电晕效应所导致的放电，或者浮动电位(也称为空气中的浮动部分)处(例如，在电缆等处)的导电部分之间的放电。

于是，当前的监视系统可以检测可能错误地归咎于真空断路器中的真空度降低的局部放电，而实际上它们源于一个外部源。这未优化这些开关装置的效率与维护。

在文献JP2014216208A中，一种算法，对所检测的局部放电进行操作，一方面针对双倍网频的频率进行滤波，另一方面针对10kHz～100kHz的频带进行滤波，于是，当两方面均提供了一个超过某一阈值的信号时，所述算法确定为真空度的降低，其既不需要考虑信号的极性，也不考虑相对网络电压的相位角。

于是，本发明的一个目的是，克服以上所提到的缺陷，并且以可能的、最简单的方式最好地区别所检测的局部放电的不同的类型。由于本发明，电装置的操作与维护将得以优化，因为将能够辨别出现在真空断路器中真空度的实际降低和局部放电的其它源之间的差别。

发明内容

通过一种用于监视AC电网中局部放电的设备实现这一目的，把所述监视设备安装在配有连接于AC网络的一个相的真空瓶的开关装置中。所述监视设备包括面向真空瓶定位的局部放电检测器，以及接收代表所述检测器所检测的局部放电的第一信号、并且接收代表真空瓶中的电压的第二信号的电子处理单元。根据本发明，电子处理单元包含用于在预定时间段期间计数第一信号上局部放电所生成的脉冲的计数装置，并且包含能够计算相对第二信号的第一信号的所述脉冲的相位角、而且能够根据所述相位角的值确定局部放电是否源于真空瓶中真空度的降低的判别装置。

由于这一相位角，当该相位角处于-20°和+20°之间时，判别装置确定局部放电源于真空瓶中真空度的降低。超出这些值的范围，局部放电源于除真空瓶中真空度的降低之外的原因。例如，当相位角处于250°和290°之间时，局部放电源于电晕效应，以及当相位角处于170°和210°之间时，局部放电源于浮动电位处的导电部分之间的作用。

根据一个优选实施例，检测器是电容传感器，其包含通过绝缘层与接地的第二导电表面相隔离的第一导电表面，第一导电表面面对真空瓶定位。

而且，当第一信号上的局部放电所生成的负脉冲的数目大于正脉冲的数目时，判别装置也能够确定局部放电源于真空瓶中真空度的降低。

本发明还涉及断路器的开关装置或者开关类型，包含针对多相AC电网的每一个相的真空瓶，而且还包括针对每一个相位的这种监视设备。

本发明还涉及一种用于监视AC电网中局部放电的方法，在这种监视设备中实现所述方法。所述监视方法允许根据相位角确定局部放电的源。

附图说明

在以下参照附图所进行的详细描述中，将可以看到其它特性，其中：

-图1描述了在瓶中真空度降低的情况下具有面对所述瓶放置的电容传感器的开关装置的真空瓶的简化框图，

-图2示出了在局部放电出现在所述瓶之外的情况下的真空瓶的同样的简化框图，

-图3-图5示出了以直方图的形式表示针对3种类型的局部放电(即，图3的真空度的降低、图4的电晕效应以及图5的浮动电位处的导电部分)的给定周期上的局部放电的次数的时序图，

-图6是示出了可以出现在一个相位中的3种类型的局部放电的极坐标图，以及图7和8分别示出了针对2个其它相位的所述相同的极坐标图。最后，图9示出了针对所有3个相位的单一传感器的情况。

具体实施方式

参照图1，开关装置，例如开关或者断路器，的真空瓶10包含连接于多相AC电网的一个相5的两个接触电极12和13(其中，两个之一可移动地打开或者关闭触点)。在图1中的实施例中，浮动电位处的一个金属屏蔽11环绕电极12、13，从而在电极12、13和这一金属屏蔽11之间形成‘真空’电容器14。很好地定义了电容器14的值，而且其明显依赖于真空瓶10的设计。然而，在不存在这种金属屏蔽11的情况下，也能够为在电极12、13和真空瓶10的内壁16之间所确定的电容器14拟想这种金属屏蔽11。

根据本发明的监视设备包括局部放电检测器，其面对真空瓶定位，即将其定位在能够检测出现在真空瓶中的局部放电的位置。这种检测器可以是以下所描述的电容传感器或者是能够检测真空瓶中局部放电的任何其它类型的检测器。

在所述优选实施例中，检测器为电容传感器20，电容传感器20包含通过绝缘层互相隔离的第一导电表面21和第二导电表面22。面对真空瓶10的金属屏蔽11定位第一导电表面21，从而在第一导电表面21和面对其的真空瓶的金属屏蔽11之间形成第一电容器24。把第二导电表面22连接于地2，从而在第一导电表面21和连接于地2的第二导电表面22之间形成第二电容器25。

图1和2还示出对于存在于相5和地2之间、并且在真空瓶10外部的各种绝缘部分的等效的图。按串行连接于相5和地2之间的两个电容器8、9的形式简单概略地描述了这些绝缘部分。

当真空瓶10中出现真空的部分降低时，在电极12、13和金属屏蔽11之间、在所述瓶的内部出现火花放电17，于是电容器14间歇地短路。每一次火花放电都增加了电容传感器20的电容器24和电容器25上的电压。电压的这一增加与通过电容传感器的、沿相5至地2方向的电流脉冲I₁密切相关，如图1中的箭头所指示的。假设这些电流脉冲I₁与火花放电同相。

相反，当局部放电7发生于真空瓶10外部时，如图2中所指示的，例如，在电容器9处概略地加以表示的，这些放电断续地增加电容器8上的电压，而且伴随有通过电容器8和9的、沿相5至地2的方向流动的电流脉冲I₂，如图2中的箭头所指示的。这些电流脉冲I₂沿地2至相5的方向向后循环通过电容传感器20。于是，这些电流脉冲I₂呈与电流脉冲I₁相反的方向，并且降低了电容传感器20的电容器25上的电压。假设它们具有与电流脉冲I₁相反的相位。这对应于电流脉冲I₁和I₂之间180°的相位偏移。这一相位偏移有助于区别局部放电的源。

所述监视设备还包括一个电子处理单元，未在图中加以表示，由电缆将其连接于电容传感器20的第一导电表面21。所述处理单元接收代表流经传感器20的电流的变化的第一信号，于是，当出现局部放电时能够检测电流脉冲I₁或者I₂。另外，所述处理单元还从电网接收代表电压和其频率的第二信号(例如，在所述优选实施例中，为相位和地之间的电压31)。可以从电压测量变换器或者直接从电容传感器20方便地获得电压31。由于这一第二信号，所述处理单元能够在第一信号的帮助下很好地同步所检测的局部放电，从而能够确定所检测的局部放电和真空瓶10的相位-地电压之间的相位偏移。按等效的方式，所述监视设备能够接收代表两个相位之间的电压而不是相位-地电压的第二信号或者代表3个相位中的另一个与地之间的电压的信号。

所述处理单元包含计数装置，所述计数装置用于在一个足够长以获得有意义的测量结果、并且明显克服了可能的干扰的预定时间段期间，在第一信号的帮助下，计数所检测的局部放电。实际上，局部放电在第一信号上引发脉冲，这些脉冲相对电网的50Hz频率非常短暂、而且在网络周期期间极多次出现。因此，较佳的做法是对它们进行计数，以能够更好地利用它们。一个时间段的示例是，在100个20毫秒(针对50Hz AC网络)的周期的一个循环期间对局部放电进行计数。对于真空度的降低的诊断，这一2秒的时间段是足够的。然而，为了避免任何的不稳定，最好在100个周期的5个测量循环的重复之后确认真空度的降低的诊断。每一个测量循环的重复的频度是可变的。所述频度可以为最大每2秒或者通常为每分钟。因此，这把真空度的降低的诊断的时间段从最少10秒改变为通常的5分钟。显然，也可以想象其它的时间段，即用于积累较大数目的测量结果的明显较长的时间段。

图3-图5中的图中示出了处理单元所执行的计算的结果。这些图为直方图，它们根据局部放电相对所测量的相位-地电压31的相位偏移，给出了在所述预定时间段期间所检测的局部放电的次数。于是，这些直方图确定了专门针对每一种类型的局部放电的特征图。通过分析这些图，能够标识监视设备所检测的局部放电的类型，特别是能够把因面向电容传感器20定位的真空瓶10中真空度的降低所导致的局部放电与因另一种原理所导致的局部放电加以区别。

在这些图中，横坐标对应于从0°到360°度(被划分为10°的段)的整个周期上所测量的电压V(参照数字为31)的相位角。纵坐标对应于针对具有相位-地电压31并且根据放电的极性或者符号的相位偏移的每一个10°段、在测量的所述预定时间段期间所计数的局部放电的次数。实际上，是根据局部放电是正还是负，即根据局部放电所生成的以及第一信号中所检测的脉冲是正还是负分别计数局部放电，把它们计数为正或者负。

于是，可以把一个单一的相位角赋予所有所检测到的局部放电。较佳的做法是，使用第一谐波相位，通过正和负脉冲之和的傅里叶变换获得这一相位角。作为选择，如在所有图上可以看出的，正和负局部放电的次数呈现随机性，可以通过其特征为相位角的主中心值的高斯曲线描述这一点；可以通过遵从相关计数的每一分布的傅里叶变换获得这一相位角。

所述处理单元包含计算相对相位-地电压31的第二正弦信号的第一信号的脉冲的相位角的判别装置。这些脉冲的相对相位-地电压的相位偏移将足以区别第一信号上所检测的局部放电的源，并且显著确定局部放电是否源于真空瓶10中真空度的降低。因此，本发明所提供的方案使用起来非常简单，因为相位角的值允许确定所检测的局部放电的不同的可能源，而无需较复杂的计算，如以下章节中所描述的。

于是，图3中的图示出了局部放电的这样一种情况：所述局部放电源于面对电容传感器定位的所述瓶中真空度的降低，如图1中所描述的。在这一情况下，这些局部放电所生成的脉冲在所述周期的0°处的过渡的附近(即，当相对相位-地电压31相位角主要在-20°和+20°之间时)为正，并且在所述周期的180°处的过渡的附近为负。在传感器20处，在这一情况下，负脉冲的数目远多于正脉冲的数目。这意味着，在这一情况下，监视设备中所实现的监视方法确定当相位角主要在-20°和+20°之间时，局部放电源于真空瓶10中真空度的降低。

图4中的图示出了在真空瓶10外部并且源于空气中的电晕效应的局部放电。在这一情况下，在相位-地电压31的最大值期间，这些局部放电所生成的脉冲最大。在所述周期的90°处的过渡的附近，即在70°和110°之间，在源(由电容器9概略地加以表示的)处脉冲为正，但在电容传感器20处被检测为负。在所述周期的270°角度的附近，即当相位角相对相位-地电压31主要在250°和290°之间时，在源处脉冲为负，但在电容传感器20处被检测为正。很容易确定，由部分正和负放电组成的信号关于电压31的工业频率相位相反。在传感器20处，在这一情况下，正脉冲的数目明显多于负脉冲的数目。这意味着，在这一情况下，当相位角主要在250°和290°之间时，监视设备中所实现的监视方法确定局部放电源于电晕效应。

图5的图中示出了在真空瓶10外部并且出现在浮动电位处(例如，出现在电缆处)的导电部分之间的局部放电，如图2中所描述的。在所述周期的50°处的过渡的附近，即在30°和70°之间，在源(由电容器9概略地加以表示的)处脉冲为正，但被电容传感器20检测为负。在所述周期的190°角度的附近，即当相位角相对相位-地电压31主要在170°和210°之间时，在源处脉冲为负，但被电容传感器20检测为正。很容易确定，由部分正和负放电组成的信号关于电压31的工业频率相位偏移并且与因图3中真空度的降低所导致的局部放电相反。在传感器20处，在这一情况下，正脉冲的数目多于负脉冲的数目。这意味着，在这一情况下，当相位角主要在170°和210°之间时，监视设备中所实现的监视方法确定局部放电出现在浮动电位处的导电部分之间。

图6是极坐标图，其覆盖了图3-图5的结果，示出了可以出现在电网的相位之一中的3种类型的局部放电。每一种类型的局部放电由围绕这些局部放电所生成的正脉冲的相位角的一个主中心值的值的锥面加以表示。于是，锥面41表示源于所述瓶中真空度的降低的局部放电，因为其中心环绕等于0°的相位角。锥面51表示源于空气中的电晕效应的局部放电，因为其中心环绕等于270°的相位角。锥面61表示源于浮动电位处的导电部分的局部放电，因为其中心环绕等于190°的相位角。

在上述图中，考虑到脉冲应该主要位于具有40°宽度的锥面中(即，主中心值大约+/-20°左右)。然而，根据所进行的测量的质量，可以把这一锥面充分延伸至主中心值大约+/-30°左右，因为这将始终能够充分确定电容传感器20所检测的局部放电的源。例如，如果正脉冲的相位角处于0°左右-30°和+30°之间，则也将把局部放电视为源于所述瓶中真空度的降低。这意味着，在这一情况下，当相位角主要处于-30°和+30°之间时，监视设备中所实现的监视方法确定局部放电源于真空瓶10中真空度的降低。

在以上所描述的优选实施例中，可以通过所有局部放电的傅里叶变换获得相位角，其提供了用于计算相位角的相关的参数，因为通常这足以确定局部放电的源，特别是足以区别它们是否源于面向传感器定位的瓶中的真空度的降低。于是，这使得获得监视设备中所实现的一个非常简单的方法成为可能。然而，如果需要的话，其它参数也可能是有用的。

例如，所述其它参数可以包括表示局部放电的不对称性的参数Q。可以把参数Q简化为传感器20处预定时间段期间检测的正脉冲数目和负脉冲数目之间的比率(参见EdwardGulski的文献“Computer-Aided Recognition of PD Using Statistical Tools”，Delft大学出版社，荷兰，1991年10月14日)。例如，真空瓶中真空度的降低对应于小于一个约等于1的预定阈值的Q比率，即，当负脉冲的数目大于正脉冲的数目时。相反，由于在真空瓶的外部原因所导致的局部放电导致给出一个高于这一阈值的Q比率，即，当正脉冲的数目大于负脉冲的数目时。另外，因电晕效应所导致的局部放电具有显著高于因浮动电位处的导电部分所导致的局部放电的Q比率。这意味着，在这一情况下，当第一信号上的局部放电所生成的负脉冲的数目大于正脉冲的数目时，监视设备中所实现的监视方法确定局部放电源于真空瓶10中真空度的降低。

所述监视设备可用于针对真空断路器的三相AC网络，因此真空断路器包含3个真空瓶以及3个电容传感器。较佳的做法是，令这种真空断路器使用具有3个电容传感器、但只具有单一的共享电子数据处理单元的监视设备。于是，这一处理单元从每一个相位上的电容传感器接收表示局部放电的第一信号，并且还针对每一个真空瓶接收表示真空瓶和地之间的电压的第二信号。在这一情况下，真空断路器的处理单元生成与图6中的3个图相同的3个图，即每一个真空瓶一个图。

还以简化的方式考虑了：处理单元仅接收代表真空瓶之一和地之间的电压的单一的第二信号，这简化了监视设备的设计。在这一情况下，真空断路器的处理单元为第一真空瓶生成与图6相同的第一图，为第二真空瓶生成第二类似的图，但偏移了120°，如图7中所指示的，以及为第三真空瓶生成第三类似的图，但偏移了240°，如图8中所指示的。

最后，图9描述了一个极坐标图，其覆盖了与图6中相同的结果，但针对三相断路器的3个相位介绍它们。这一示例对应于其中监视设备包括针对断路器的3个真空瓶的单一的传感器以及代表真空瓶之一和地之间的电压的单一的第二信号的情况。锥面41、51、61对应于电网的第一相位，锥面42、52、62对应于电网的第二相位以及锥面43、53、63对应于电网的第三相位，3个锥面的这些组分别对应于相位的所述瓶中真空度的降低、电晕效应以及浮动电位处的导电部分。在这一示例中，最好能够把锥面的宽度收缩至大约30°，即将它们收缩至主中心值的大约+/-15°左右，以避免重叠，以及能够较好地区分各个部分。

可以把所述处理单元并入在所安装的(例如，安装在真空断路器的前部分的DIN轨道上)、并且也合并了针对所述处理单元的电源的电子模块。所述处理单元包含用于数字化、滤波以及放大源于传感器的模拟信号的已知装置，当然还包含用于存储所接收的信息与/或所计算的信息的存储器。而且，所述电子模块还可以包含人机接口以及有线或者无线网络通信接口，以能够报告和传输监视设备所检测的事件/警报。

Claims (14)

1.一种用于监视AC电网中局部放电的设备，所述监视设备被安装在配有连接于AC网络的一个相(5)的真空瓶(10)的开关装置中，所述监视设备包括：

-面向真空瓶(10)定位的局部放电检测器，

-接收代表所述检测器所检测的局部放电的第一信号、并且接收代表AC电网的电压(31)的第二信号的电子处理单元，

其特征在于，该处理单元包含用于在预定时间段期间计数第一信号上局部放电所生成的脉冲的计数装置，并且包含能够计算相对第二信号的所述脉冲的相位角、而且能够根据所述相位角的值确定局部放电是否源于真空瓶(10)中真空度的降低的判别装置。

2.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，局部放电检测器是电容传感器(20)，其包含通过绝缘层与接地的第二导电表面(22)相隔离的第一导电表面(21)，第一导电表面(21)被面对真空瓶(10)定位。

3.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，当相位角处于-20°和+20°之间时，判别装置确定局部放电源于真空瓶(10)中真空度的降低。

4.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，当相位角处于250°和290°之间时，判别装置确定局部放电源于电晕效应。

5.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，当相位角处于170°和210°之间时，判别装置确定局部放电出现在浮动电位处的导电部分之间。

6.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，当相位角处于-30°和+30°之间时，判别装置确定局部放电源于真空瓶中真空度的降低。

7.根据权利要求1所述的监视设备，其特征在于，当第一信号上的局部放电所生成的负脉冲的数目大于正脉冲的数目时，判别装置确定局部放电源于真空瓶(10)中真空度的降低。

8.一种包含针对多相AC电网的每一个相的真空瓶的开关装置，其特征在于，开关设备包括根据以上权利要求之一的针对每一个相的监视设备。

9.一种用于监视AC电网中局部放电的方法，所述方法在根据权利要求1或者2的一个的监视设备中实现。

10.根据权利要求9所述的用于监视局部放电的方法，其特征在于，当相位角处于-20°和+20°之间时，监视方法确定局部放电源于真空瓶(10)中真空度的降低。

11.根据权利要求9所述的用于监视局部放电的方法，其特征在于，当相位角处于250°和290°之间时，监视方法确定局部放电源于电晕效应。

12.根据权利要求9所述的用于监视局部放电的方法，其特征在于，当相位角处于170°和210°之间时，监视方法确定局部放电出现在浮动电位处的导电部分之间。

13.根据权利要求9所述的用于监视局部放电的方法，其特征在于，当相位角处于-30°和+30°之间时，监视方法确定局部放电源于真空瓶(10)中真空度的降低。

14.根据权利要求9所述的用于监视局部放电的方法，其特征在于，当第一信号上的局部放电所生成的负脉冲的数目大于正脉冲的数目时，监视方法确定局部放电源于真空瓶(10)中真空度的降低。