CN108761297B - 一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪，包括故障信号检测单元、前置放大单元、峰值保持单元和数据采集处理单元；所述故障信号检测单元包括两故障信号监测端子，所述前置放大单元包括运算放大器A1和A2，所述峰值保持单元包括运算放大器A3和A4，运算放大器A1、A2的输出端与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连，运算放大器A3的同向输入端和运算放大器A4的反向输入端接地；该运算放大器A3、A4的输出端与数据采集处理单元相连，同时，二极管D1经电容C1后接地。本发明能够直接检测电力电抗器匝间短路或匝间局部放电等故障，可以实时监测电抗器的运行时的健康状态。
Description
技术领域
本发明涉及电抗器的局部放电故障监测领域，尤其涉及一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪。
背景技术
大型干式空心电抗器在无功补偿和限制短路电流以及抑制高次谐波等方面起着不可或缺的作用。而在现有技术中，由于电抗器长期工作在高电压环境，而且电流大，发热显著，因此电抗器经常出现局部放电故障，长期局部放电容易引发绕组匝间绝缘损坏甚至匝间短路、着火燃烧、绕组熔断等严重故障。因此，开展干式空心电抗器局部放电的在线检测工作，及时发现其绝缘隐患，可以有效避免恶性事故，增强电网的安全稳定性。
目前，对干式空心电抗器的故障检测方法有：温度检测法、烟雾检测法、绝缘检测法、电气量参数检测法、差动检测法等。
温度检测法通过温度传感器测量电抗器的温度，从而可以分析电抗器的故障位置，但是温度传感器有以下缺点：1.存在延时特性，需要故障后温度上升才能检测。2.需要很多传感器。3.温度还受到气候、光照、风速等因素的影响，不准确。
烟雾检测法主要是通过对发生故障的干式空心电抗器施加高频脉冲电压，使故障点产生烟雾，从而判断故障位置。但该方法存在以下缺点：1.只适用于已经退出运行的故障设备定位。2.受外界环境影响较大，产生的烟雾不易收集，从而导致的不准确，实时性低。
绝缘检测法主要通过施加脉冲电压检测匝间绝缘缺陷，但是该方法只能做离线检测。
电气量参数检测法主要包括电流测量法以及阻抗测量法，但由于电抗器未发生故障之前本身的电阻值以及电流值就很小，发生故障之时电气量参数变化也是微乎其微，导致对电气量参数进行检测的效果不是很理想，灵敏度低，可靠性差。
专利201110437995.4和201120546993.4，公开了一种差动式电力电抗器故障在线监测电路。但此检测电路需要对每根汇流母排安装一个电流互感器。电力电抗器额定工况下，母排电流极大，这无疑对检测的电流互感器具有极特殊的要求，如要具有良好的一致性和线性响应特性等。而电流互感器由于在制造和安装过程中不可能完全一样，其对故障信号的响应情况也不一样，影响对故障的准确检测性, 成本也较高。
因此，有必要开发一种经济、灵敏度高、可靠性高的检测电路器，可实时监测干式空心电抗器的运行状态，以提高电力系统的稳定性和可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪，能够直接检测电力电抗器匝间短路或匝间局部放电等故障，成本低、响应可靠、迅速，可以实时监测电抗器的运行时的健康状态。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪，其特征在于：包括故障信号检测单元、前置放大单元、峰值保持单元和数据采集处理单元；
所述故障信号检测单元包括两故障信号监测端子，两故障信号监测端子分别与一同轴电缆相连，在两同轴电缆上分别套设有一屏蔽环，该屏蔽环接地；
所述前置放大单元包括运算放大器A1和A2，两同轴电缆分别与电容C3和C4的一端相连，电容C3的另一端同时与滑动变阻器R7和电阻R8相连，电容C4的另一端同时与滑动变阻器R12和电阻R13相连，电阻R8和R13分别与运算放大器A1和A2的反向输入端相连，滑动变阻器R7和R12接地；与电阻R8和R13分别并联有二极管TVS1和TVS2，所述二极管TVS1的一端接地，另一端与运算放大器A1的反向输入端相连，二极管TVS2的一端接地，另一端与运算放大器A2的反向输入端相连；在运算放大器A1反向输入端与输出端之间设有电阻R9，在运算放大器A2反向输入端与输出端之间设有电阻R14；该运算放大器A1和A2的同向输入端分别经电阻R10和R11后接地；
所述峰值保持单元包括运算放大器A3和A4，运算放大器A1的输出端经电阻R15后同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连，运算放大器A2的输出端经电阻R16后也同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连；运算放大器A3的同向输入端和运算放大器A4的反向输入端分别经电阻R18和R21后接地；在运算放大器A3的反向输入端和输出端之间设有电阻R17，该运算放大器A3的输出端与二极管D1相连，该二极管D1经电阻R19后与数据采集处理单元相连，同时，二极管D1经电容C1后接地；在运算放大器A4的同向输入端和输出端之间设有电阻R20，该运算放大器A4的输出端与二极管D2相连，该二极管D2经电阻R22后与数据采集处理单元相连，同时，二极管D2经电容C2后接地。
进一步地，所述数据采集处理单元由具有A/D转换功能的单片机及外围元件组成；运算放大器A3和A4的输出端分别经D1、R19和D2、22后与单片机的A/D接口相连。
进一步地，所述CPU型号为Nrf24le1芯片或STC15系列芯片。
进一步地，所述数据采集处理单元还包括一警示器，该警示器与CPU相连。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明在检测过程中能够对故障信号直接检测，能直接检测电力电抗器匝间短路或匝间局部放电等故障，成本低、响应可靠、迅速，灵敏度高，实时性好，能够实时监测电抗器的运行时的健康状态。
2、本发明不仅可以离线测试，也可以在线实时监测电抗器的运行状态，同时能够对电抗器的运行状态进行快速响应。
3、本发明通过峰值保持单元和数据采集单元采集对角两个汇流母排的高频信号，提取两组信号的特征量，故障前，两组信号的强度几乎相同，其幅值、相位差值接近零；故障时，高频信号会流入其中一个母排，再“分流”到其它几根母排，导致对角两个母排的高频信号强度差异很大，其幅值和相位也会相差很大；因此，能够及时判断电抗器的故障组别。
4、本发明利用电力电抗器汇流母排分支数一般为四个或四个以上的对称性，然后提取对角的两个汇流母排的高频信号进行对比、分析，填补了目前干式空心电抗器从内部结构出发对电抗器进行故障检测的空白。
附图说明
图1为本发明使用时的电路原理图。
图2为监测过程中电抗器的接线图。
图中：1—故障信号检测单元，11—故障信号监测端子，12—同轴电缆，13—屏蔽环，2—前置放大单元，3—峰值保持单元，4—数据采集处理单元，5—警示器，6—干式空心电抗器，7—汇流母排。
其中，L1～L6各绕组等效电抗。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1、图2，一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪，包括故障信号检测单元1、前置放大单元2、峰值保持单元3和数据采集处理单元4。
所述故障信号检测单元1包括两故障信号监测端子11，两故障信号监测端子11分别与一同轴电缆12相连，在两同轴电缆12上分别套设有一屏蔽环13，该屏蔽环13接地。使用过程中，将两故障信号监测端子11与干式空心电抗器6的位于对角两个汇流母排7的相对应的位置相连；这样，故障时，高频信号会流入其中一个母排，再“分流”到其它几根母排，导致对角两个母排的高频信号强度差异很大，其幅值和相位也会相差很大，从而快速检测出故障信号。
所述前置放大单元2包括运算放大器A1和A2，两同轴电缆12分别与电容C3和C4的一端相连，电容C3的另一端同时与滑动变阻器R7和电阻R8相连，电容C4的另一端同时与滑动变阻器R12和电阻R13相连，电阻R8和R13分别与运算放大器A1和A2的反向输入端相连，滑动变阻器R7和R12接地；与电阻R8和R13分别并联有二极管TVS1和TVS2，所述二极管TVS1的一端接地，另一端与运算放大器A1的反向输入端相连，二极管TVS2的一端接地，另一端与运算放大器A2的反向输入端相连；在运算放大器A1反向输入端与输出端之间设有电阻R9，在运算放大器A2反向输入端与输出端之间设有电阻R14；该运算放大器A1和A2的同向输入端分别经电阻R10和R11后接地。
所述峰值保持单元3包括运算放大器A3和A4，运算放大器A1的输出端经电阻R15后同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连，运算放大器A2的输出端经电阻R16后也同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连；运算放大器A3的同向输入端和运算放大器A4的反向输入端分别经电阻R18和R21后接地；在运算放大器A3的反向输入端和输出端之间设有电阻R17，该运算放大器A3的输出端与二极管D1相连，该二极管D1经电阻R19后与数据采集处理单元4相连，同时，二极管D1经电容C1后接地；在运算放大器A4的同向输入端和输出端之间设有电阻R20，该运算放大器A4的输出端与二极管D2相连，该二极管D2经电阻R22后与数据采集处理单元4相连，同时，二极管D2经电容C2后接地。
其中，所述数据采集处理单元4由具有A/D转换功能的单片机及外围元件组成；运算放大器A3和A4的输出端分别经D1、R19和D2、22后与单片机的A/D接口相连。具体实施时，所述CPU型号为Nordic公司的Nrf24le1或STC公司的单周期指令STC15系列芯片；其技术成熟，计算效率高并且稳定性好，扩展性腔。为进一步提高监测效果，所述数据采集处理单元4还包括一警示器5，该警示器5与CPU相连；这样，当出现故障时，就能够快速、及时地提醒工作人员。
实际检测过程中，通过脉冲信号发生器对干式空心电抗器6的（进线母排和出线母排）提供高频信号，然后将两故障信号监测端子11与干式空心电抗器6的位于对角两个汇流母排7的相对应的位置相连即可。当干式空心电抗器6内部发生匝间放电时，无论是某绕组内部、还是两绕组间的局部放电故障，均可以把参与局部放电的两个接点分别等效为每个接点对地的局部放电故障，每个等效局部放电故障信号的高频部分会以脉冲波的形式在绕组中传播。如果电抗器完全对称，则由进出线折射出去的信号，无论其是否发生多次折反射，在各对角母排上的响应信号相同，可以相互抵消。而直接连接故障绕组的母排与其对角母排信号有较大差异；当波由故障点经绕组传播到绕组所在汇流母排7再继续传播到电抗器进、出线与各母排的汇集点；在此汇集点处，由于进出线与各母排的特征阻抗不相等，即此汇集点特征阻抗不连续，波在此点会发生折射和反射过程。故障绕组所在母排的检测点的总故障信号是前行波和反射波的叠加；与故障绕组所在母排对称的母排的检测点上，检测到的对应故障信号是折射波。根据传输线原理或者其推论：彼德逊法则，总故障信号与折射波信号两者幅度差异极大；而由进、出线和其余各母排的折射波再经多次折、反射后，在以上两检测点获得的信号幅度和相位相同，可以抵消；直接由进、出线传导入以上两检测点获得的信号幅度和相位也相同。此时，通过一样长度的同轴电缆12线连接对角汇流母排7的信号，并差动放大；当其值超过某预定限值，数据采样处理单元输出故障报警信号，通过信号特征量的变化差异即可判别电抗器的故障组别。
前置放大单元2有滤波、比例调节放大等功能，对故障信号检测单元1返回的故障信号进行高频成分分拣、并放大，以控制干扰而获得去噪的故障信号，以便于进一步处理。峰值保持单元3接收到前置放大单元2的输出信号后，分别由两路运放进行正、反相放大驱动，并把放大值利用高速二极管和电容器进行峰值暂时保持，为最后的数据处理单元提供稳定可靠的数据。
数据采集处理单元4由具有A/D转换的单片机及外围元件组成，A/D转换接口对峰值保持单元3输入的两路波形时间序列进行A/D采集、数据分析处理、最后输出故障报警等。当进行A/D转换时，A/D接口作为模拟量输入端口使用，在当次转换结束后，该端口作为输出端口使用，输出低电平，使得峰值保持单元3的电容器放电，待电容起放电到规定值1后，该端口又恢复A/D转换功能，预备下次转换;A/D转换、电容器放电这两个过程循环。如果A/D采集的数值大于规定值2后，单片机驱动报警环节动作。当电抗器正常工作时，无论外部是否有故障，故障信号波由进出线袭来，各对角汇流母排7信号强度基本相同；对于峰值保持单元3，外部信号同步，无输入信号，数据采集处理单元4不输出故障警报。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种基于高频信号的干式空心电抗器局部放电故障在线监测仪，其特征在于：包括故障信号检测单元、前置放大单元、峰值保持单元和数据采集处理单元；
所述故障信号检测单元包括两故障信号监测端子，两故障信号监测端子分别与一同轴电缆相连，在两同轴电缆上分别套设有一屏蔽环，该屏蔽环接地；
所述前置放大单元包括运算放大器A1和A2，两同轴电缆分别与电容C3和C4的一端相连，电容C3的另一端同时与滑动变阻器R7和电阻R8相连，电容C4的另一端同时与滑动变阻器R12和电阻R13相连，电阻R8和R13分别与运算放大器A1和A2的反向输入端相连，滑动变阻器R7和R12接地；与电阻R8和R13分别并联有二极管TVS1和TVS2，所述二极管TVS1的一端接地，另一端与运算放大器A1的反向输入端相连，二极管TVS2的一端接地，另一端与运算放大器A2的反向输入端相连；在运算放大器A1反向输入端与输出端之间设有电阻R9，在运算放大器A2反向输入端与输出端之间设有电阻R14；该运算放大器A1和A2的同向输入端分别经电阻R10和R11后接地；
所述峰值保持单元包括运算放大器A3和A4，运算放大器A1的输出端经电阻R15后同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连，运算放大器A2的输出端经电阻R16后也同时与运算放大器A3的反向输入端和运算放大器A4的同向输入端相连；运算放大器A3的同向输入端和运算放大器A4的反向输入端分别经电阻R18和R21后接地；在运算放大器A3的反向输入端和输出端之间设有电阻R17，该运算放大器A3的输出端与二极管D1相连，该二极管D1经电阻R19后与数据采集处理单元相连，同时，二极管D1经电容C1后接地；在运算放大器A4的同向输入端和输出端之间设有电阻R20，该运算放大器A4的输出端与二极管D2相连，该二极管D2经电阻R22后与数据采集处理单元相连，同时，二极管D2经电容C2后接地；
所述数据采集处理单元由具有A/D转换功能的单片机及外围元件组成；所述单片机型号为Nrf24le1芯片或STC15系列芯片；运算放大器A3和A4的输出端分别经D1、R19和D2、R22后与单片机的A/D接口相连；所述数据采集处理单元还包括一警示器，该警示器与单片机相连。
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