CN106483432A - 使用电阻衰减法的局部放电检测 - Google Patents

使用电阻衰减法的局部放电检测 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种局部放电检测屏，包括高压电阻分压器。所述高压电阻分压器可以降低由过电压盘产生的冲击过电压的电压峰值。所述高压电阻分压器还可以包括具有第一电阻的高压侧和具有第二电阻的低压侧。

Description

使用电阻衰减法的局部放电检测
背景技术
局部放电(Partial discharge)指的是当绝缘系统处于高电压的作用下时，装置(例如电机)的电绝缘系统中局部的介质击穿(localized dielectric breakdown)。所述击穿由绝缘系统中的一个或者一个以上裂纹、空穴、或者夹杂物产生。局部放电对所述装置产生小的但是影响重大的损伤，预示着所述绝缘系统开始失效，这有可能在未来将导致灾难性的损害。正因如此，最好能够检测到局部放电，以便在这样的损害发生之前，就可以对绝缘系统进行维修或者更换。
发明内容
此处的实施方式涉及一种包括高压电阻分压器的局部放电检测屏。所述高压电阻分压器可以降低由过电压盘产生的冲击过电压的峰值电压。所述高压电阻分压器还可以包括具有第一电阻的高压侧和具有第二电阻的低压侧。
附图说明
附加的特征和有益效果通过本发明公开的技术实现。本发明其它的实施方式和方面在这里详细描述。为了更好的理解本发明的有益效果和特征，下面参考说明书和附图。
作为本发明的主题在说明书概括的权利要求书中详细指出并作为保护范围。前述的内容和其它特征、以及本发明的有益效果在以下的细节说明和附图中将很清楚，在所述附图中：
图1为按照本发明实施例的用于检测局部放电的系统的示意图；
图2为按照本发明实施例的系统的局部放电检测屏的示意图；以及
图3为按照本发明实施例的高压电阻分压器的示意图。
具体实施方式
此处描述的实施例涉及利用阻抗衰减的局部放电检测。更详细的，此处描述的实施例涉及用于冲击激励下电感线圈中高频局部放电信号(signature)的阻抗采样操作(resistive pickup operation)。
局部放电检测是一种比较困难的测量，体现在不同的装置中保持一致表现的方面，因为主测试单元和激励过电压冲击(stimulating surge impulse)强度中存在差异。此外，对于不同装置的不同的检测操作基于捕捉及分析的信号频率产生不同的结果。例如，同期利用天线、硬线(hard-wired)连接电容、或者硬线电流变换器(currenttransformer)的检测方法不能在多种装置中得到一致的表现结果，因为天线是与发射采样(emissionpick-up)方向性地相关的，硬线连接电容或者电流变换器都具有在分析前排除了大量信号信息的确定的频率参数。
此处描述的实施方式建立一种阻抗衰减概念，利用高压精密电阻器，其能够实现廉价的及更有效的局部放电信号检测。例如，完整的频谱可以通过无电感(non-inductive)厚层电阻，带来数字化和分析时易管理的完整的信号(这与同期在分析前排除大量信号信息的检测方法相反)。
下面将会领会到，此处描述的实施方式将会降低制造成本，因为无电感厚层电阻器是一种廉价的构件，测试时装置需要更少的装配和准备工作。进一步地，所述无电感厚层电阻不会被方向性地影响或者受信号接收问题影响，其能实现为更灵活和多样化分析的数字处理参数的快速配置。
现在转到图1，大体上展示了按照本发明实施例的局部放电检测的系统100的示意图，所述系统包括装置110和主单元115。
所述装置110为包括电绝缘部的处于局部放电检测中的构件。所述装置110例如为电机定子(motor stator)。在应用中，电机定子可以用于机车发动机、动力装置、发电机等。电机定子可以配置成开放的框架(open frame)或者配置成被封闭的(encased)设计，安装或者没有安装转子。例如，所述电机转子可以包括形式绕组线圈：在被插入电机定子的槽中并被连接到端子之前，所述线圈被成形、浸渍、及绝缘化。电机测试(也就是为了测试局部放电)通常在电机转子的制造和维修中执行。进一步地，测试可在电机定子或者整个装置110的个体线圈上进行。
所述主单元115为配置成执行所述装置110的局部放电离线检测的测试构件。所述主单元115包括继电器矩阵(relay matrix)120、过电压盘(surge board，又称“过电压发生器”)130、局部放电检测屏(partial discharge detection board)150。所述主单元115利用高电压导线连接至所述装置110，如图示的通过测试引线A、B、C和线路侧连接(line sideconnection，接地端)D。另外，所述主单元115的构件为内部连接，例如，通过线连接E。
在操作中，当所述装置110处于离线时，所述主单元115向所述装置110施加过电压冲击(举例来说，通过其中一个测试引线A、B、或者C施加过电压冲击，而其余两个测试引线通过线路侧连接D接地)。所述过电压冲击可以具有从0kV至15kV的电压，其能够储存在电容中并由电容释放。在一个例子中，可以在等于或者不足100毫微秒(ns)内到达15kV的过电压冲击。使用过电压冲击产生反射波形，主单元115通过提供所述冲击的测试引线A、B、或者C接收来自所述装置110的所述反射波形。
所述反射波形，在一个例子中为阻尼正弦波(damped sinusoid)，包括由所述过电压冲击引发的局部放电。也就是，也就是说，反射波形可以包含对应过电压冲击峰值电压(peak voltage ofthe surge impulse)的尖峰电压(spike voltage)，其后跟随以响应电压(ringvoltages，又称“震荡电压”)。可以在所述峰值电压内检测到局部放电。进一步地，所述滑环电压还可以包括后续尖峰电压(subsequent spike voltage)，在该后续尖峰电压中可以检测到后续局部放电(subsequentpartial discharge)。注意，响应电压响应于峰值电压，可持续数百微秒，相对而言比峰值电压要长，取决于具体装置110。
所述继电器矩阵120为所述主单元115的构件，其包括一个或者一个以上的继电器。所述继电器矩阵120配置成在测试引线A、B、C之间切换连接至所述装置110。例如，如图1中展示的，所述继电器矩阵120可以在三个测试引线A、B、C之间切换以对应于所述装置110的三个电气相位。所述测试引线A、B、C可以包括弹簧夹(alligator clip)，所述弹簧夹直接连接至所述装置110的端子和所述主单元115。在这种形式的绕组线圈情况下，所述测试引线可以直接连接至所述线圈自身。注意到，因为同时物理地连接至所述装置110和所述主单元115，所述测试引线通过所述继电器矩阵120分别(例如，每次一个)电连接至所述装置110，从而所述过电压冲击通过单一路径到达所述装置110。所述继电器矩阵120还是接地端的所述线路侧连接D的接收点。在操作中，不论哪个测试引线A、B、或C是被激活的，从所述过电压产生的任何反射波形都通过相同的测试引线被所述继电器矩阵120接收。以这样的方式，所述继电器矩阵120可以通过所述线连接E向所述局部放电检测屏150提供所述反射波形。
所述过电压盘130为所述主单元115的构件，其配置成向所述装置110提供过电压冲击(举例来说，通过线连接E、所述继电器矩阵120、被连接上的所述测试引线A、B、或C)。在一些实施例中，所述过电压盘130可以包括由高压电源充电的高压电容器。所述过电压盘130还可以包括触发所述高压电容器的高压堆叠(highvoltage stack)。例如，一旦所述高压电容器通过所述高压电源充满至所述峰值电压，所述高压堆叠触发所述高压电容器通过所述线连接E、所述继电器矩阵120、所述连接上的测试引线A、B、或C向所述装置110快速放电，从而传递所述过电压冲击。如同上面记载的，所述过电压冲击产生反射波形，经过所述连接上的测试引线A、B、或C、所述继电器矩阵120、所述线连接E到所述局部放电检测屏150。
所述局部放电检测屏150为所述主单元115的构件，其配置成接收并处理所述反射波形以检测局部放电。所述局部放电检测屏150可以包括现场可编程逻辑门阵列(fieldprogrammable gate arrays，简称FPGA)158。现场可编程门阵列158是经由可编程逻辑块的阵列(an array ofprogrammable logic blocks)和分层次的可重构互连(a hierarchyofreconfigurable interconnects)而配置的集成电路，所述分层次的可重构互连允许可编程逻辑块的阵列“连接在一起(wired together)”。例如，所述现场可编程逻辑门阵列158可以配置为包括补偿启发方法(compensation heuristic)，其可以在所述反射波形内调整局部放电值。大体上，所述补偿启发方法可以载入至另外的主单元的现场可编程逻辑门阵列，使得能够对补偿进行设置(举例来说，使得所述局部放电信号能够标准化)以测试所述装置110。所述局部放电检测屏150还可以包括形成分压器的一个或者一个以上电阻器(举例来说，电阻分压器)、一个或者一个以上的运算放大器(operational amplifier)、微控制器以及将这些项目相互连接至彼此的总线。
现在将对照图2描述所述局部放电检测屏150。在图2中，所述局部放电检测屏150的高压电阻分压器220接收输入信号，比如反射波形。根据接收的反射波形，所述高压电阻分压器220将所述反射波形降低至对于所述局部放电检测屏150的所有低压构件均可用和安全的电压水平。所述电压水平(举例来说，衰减水平)还可以由通过所述局部放电检测屏150的继电器控制的增益级(gain stage)确定(举例来说，所述局部放电检测屏150可以包括四个衰减所述反射波形的增益级)。例如，所述局部放电检测屏150配置成识别所述反射信号对于所述局部放电检测屏150的低压构件来说是否为过大的信号，并自动地在所述增益级之间切换以基于该识别进一步地衰减所述反射信号。
接下来，所述局部放电检测屏150的运算放大器230(举例来说，单位增益运算放大器：unity gain operation amplifier)作为缓冲器并将所述反射波形与所述局部放电检测屏150的其他部分隔离。接着，所述运算放大器230可以向所述反射波形提供上限(upperlimit)，例如通过将带宽限制至235MHz。
所述反射波形随后传递到所述模数转换电路240进行模数转换采样。所述模数转换电路240包括模数驱动电路和模数转换器，后两者共同将所述反射波形处理为所述现场可编程逻辑门阵列158可接收的数字信号。注意到，在模数转换采样之前，晶体振荡器245设定所述模数转换电路240的采样频率。为了设定所述采样频率，所述晶体振荡器245通过利用振荡晶体的机械谐振(mechanical resonance)使得所述模数转换电路240能够按照该晶体的谐振频率重建数字形式的所述反射波形。注意到在所述模数转换采样之前没有执行滤波操作。例如，晶体振荡器245对高达235兆赫兹的所有频率进行训练。同样，注意，在这个阶段，所述局部放电检测屏150不能区分幅值以外的频率信息，因为奈奎斯特频率(Nyquistfrequency)以上的信号混叠(signal aliasing)，也就是说，可以根据所述采样频率在频谱中设置所述频率的上限，如采样频率的一半。
一旦所述反射波形通过所述模数转换电路240转换为数字信号，所述数字信号被传递至所述现场可编程逻辑门阵列158。所述现场可编程逻辑门阵列158可以包括执行所述补偿启发方法的虚拟元件(virtual component)，如滤波器250、微控制器255、比较器260、计数器270。所述数字信号可以在所述模数转换电路240和所述现场可编程逻辑门阵列158之间通过总线(如12位总线)传递。
注意到，传递到所述现场可编程逻辑门阵列158的所述数字信号依赖于多个对于在装置110上执行的特定测试独特的因素。所述多个因素为在不同的条件下为相同的波形产生不同的信号幅值的一组不同增益和未知因素。所述多个因素的例子包括执行的测试的最大电压、高压衰减阻抗(high voltage attenuation impedance，例如：对于12kV或以下的测试为100kΩ，对于15kV的测试为200kΩ)、所述分压器的低压阶段增益(所述增益通过所述现场可编程逻辑门阵列158根据从所述模数转换器的溢出信号设置)、所述局部放电检测屏150的部件间的任何不一致等。
所述数字信号传递至所述现场可编程逻辑门阵列158时具有噪音。接下来，所述现场可编程逻辑门阵列158的所述滤波器250隔离具有噪音的数字信号的高频信息，从而这些高频信息可以经过所述现场可编程逻辑门阵列158进行进一步的分析。例如，所述过电压冲击具有100毫微秒的脉冲前沿时间(rise time)，范围在20MHz至235MHz之间的无线电频率构件可以经过所述现场可编程逻辑门阵列158进行进一步的分析。另外，通过利用具有截止频率为20MHz的数字的100极的有限冲击响应高通滤波器(finite impulse responsehighpass filter)，如滤波器250，任何范围在20MHz以下的波形都完全地排除。
滤波之后，所述现场可编程逻辑门阵列158可以利用从所述微控制器255的输入端来标准化从所述滤波器250接收的数字信号。所述输入端可以为补偿输入因子(compensation inputmultiplier，也被称为补偿值)，其在所述局部放电检测屏150的校准操作中是由用户定义的。在校准操作过程中补偿值因子的定义或者设置确保所述局部放电的毫伏值在多个主单元中看起来是一样的。所述校准操作，大体上，包括制造所述主单元155过程中，在所述局部放电屏150的微控制器中设置所述补偿值。
所述现场可编程逻辑门阵列158可以进一步利用所述比较器260检查所述数字信号的等级，这种检查基于所述微控制器255的所述补偿输入因子结合所述滤波器250的被隔离的高频信息。所述比较器260配置成通过将每个等级与阈值输入(threshold input)进行比较来检查所述数字信号的等级。当所述比较器260确定所述数字信号的等级超过了所述输入临值，所述比较器260向所述现场可编程逻辑门阵列158的所述计数器270发送信号，促使所述计数器270增加计数。每个增加计数对应于在从所述滤波器250接收的数字信号内检测到布局放电。所述计数器的值为标准化的数量，其传递至所述局部放电检测屏150的微控制器255。
所述微控制器255向主控制器提供所述计数值(举例来说，所述标准化局部放电信号)用于显示。所述主控制器为包括显示器、处理器、存储器的计算装置，其配置为接收并显示所述标准化的局部放电信号。以这种方式，所述现场可编程逻辑门阵列158可以向不同的主控制器单元提供所述局部放电信号，所述不同的主控制其单元为接收到的所述局部放电信息显示相同的数值，不管是何种控制器单元类型。
现在转到图3，提供了所述高压电阻分压器220和所述运算放大器230，两者使得阻抗拾波方法能够实现。大体上，通过高压电阻分压器220和所述运算放大器230执行的所述阻抗采样方法参与检测所述装置110(举例来说，线圈/定子)中由高压过电压冲击(举例来说，上面描述的冲击过电压)激励的局部放电。
注意到同期的检测方法在分析之前通过模拟滤波移除所述冲击过电压排除了大量信号信息(因而阻止了所述冲击过电压的完整频谱进入所述局部放电检测屏150)。相比之下，阻抗拾波方法使得所述冲击过电压计入所述局部放电检测屏150，因为通过所述局部放电检测屏150执行的数字滤波可以以比模拟滤波更高的精度移除所述冲击过电压。接下来，所述局部放电检测屏150可以捕捉到所述冲击过电压的完整频率。
在图3中，所述高压电阻分压器220利用第一电阻310和第二电阻320执行阻抗拾波操作。
所述第一电阻310为所述高压电阻分压器220的高压侧，能够基于主单元115的类型在结构方面有差异。例如，在高压，15kV主单元中，所述电阻310可以包括两个串联的100kΩ无电感电阻器(从而提供共计200kΩ的阻抗)。作为一种选择，在低压主单元中，如4kV、6kV、或12kV应用，所述第一电阻310可以包括100kΩ的无电感电阻。
所述第二电阻320为所述高压电阻分压器220的低压侧，其可以包括连接至接地端330的低值增益电阻(lowvalue gain resistor)。所述运算放大器230包括设置为接地端350的缓冲宽带运算放大器(buffering wide bandwidth operational amplifier)340。
在反射电压冲击(举例来说，反射波形)中检测所述局部放电在衰减之前的短时间内可达15kV的峰值。衰减通过第一电阻310和低值增益电阻(举例来说，所述第二电阻320)保持最大+/-1V的输入信号至缓冲宽带运算放大器340(如上面描述的，为了信号分析，其随后被数字化并传递至所述现场可编程逻辑门阵列158)。
通过利用高压精确电阻，上面的利用阻抗衰减概念的实施例的技术效果和益处包括廉价和更高效地检测局部放电信号，使完整的频谱能够通过高压精确电阻以将完整的信号降至对数字化和分析易管理的电压水平(举例来说，利用所述阻抗衰减概念使得相对于同期的采样方法来说更广的频率段通过)。进一步地，通过利用所述阻抗衰减概念，上面实施例的技术效果和益处包括使得所述局部放电检测屏能直接与所述过电压盘一起集成与相同的主单元中，使得过电压波形和所述局部放电波形(举例来说，冲击过电压和反射波形)可以由相同的主单元进行分析和比较
上面描述的实施例的技术效果和益处还包括降低制造成本，因为所述高压精确电阻是一种廉价的构件，其对于测试的装置来说需要更少的安装和准备工作。此外，所述高压精确电阻不会被方向性地影响或者受信号接收问题影响，其能实现为更灵活和多样化分析的数字处理参数的快速配置(举例来说，由于处理和无滤波或被改变的输入信号的数字性质，特征频谱分析更具可配置性。)。
本发明可以是为系统、方法、和/或计算机程序产品。所述计算机程序产品可以包括其中具有使处理器执行本发明的方面的用于计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或媒体)。所述计算机可读存储介质可以是能够保持和存储由执行装置使用的指令的有形设备。
此处使用的术语是仅为了描述特定的实施方式而非意在限制本发明。本文的单数形式“一个”、“所述”或“该”旨在也包括复数形式，除非文中清楚地指出它意。还要进一步的理解，本说明书中使用的术语“包括”指的是存在陈述的特征、整体、步骤、操作、构件、和/或部件，但是不排除存在或者附加其他的特征、整体、步骤、操作、构件、和/或部件。
尽管本发明仅结合一定数量的实施例进行详细描述，应当容易理解本发明并不局限于这些公开的实施例。准确的说，本发明可以进行修改以包括任意数量的此处没有描述的变形、修改、替换、或者等同设置，但是其对应于本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种局部放电检测屏，包括配置为降低由过电压盘产生的冲击过电压的电压峰值的高压电阻分压器，所述高压电阻分压器包括：
具有第一电阻的高压侧；和
具有第二电阻的低压侧。
2.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述第一电阻包括100kΩ的无电感电阻器。
3.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述局部放电检测屏集成在低压主单元中。
4.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述第一电阻包括两个串联的100千欧的无电感电阻器。
5.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述第一电阻包括200千欧的阻抗。
6.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述局部放电检测屏集成在高压15kV的主单元中。
7.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述所述第二电阻包括接地的低值增益电阻器。
8.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述高压电阻分压器使得所述局部放电检测屏和所述过电压盘能够直接集成在主单元中。
9.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻保持最大+/-1V的输入信号至运算放大器，所述运算放大器将反射波形与所述局部放电检测屏的其余部分隔离，所述运算放大器为反射波形提供上限，所述上限为235MHz。
10.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述局部放电检测屏包括被设置为接地的运算放大器。
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