CN109765465A - 一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，包括高压开关柜及设置在高压开关柜内的电压互感器，还包括设置在高压开关柜内的高压开关柜母线室、仪表室、局部放电辐射电磁波检测单元、微型柔性罗氏线圈、运行电量检测单元、信号调理电路、信号采集单元、中央处理及显示单元、电源模块、信号传输线、馈线电缆带电指示灯、馈线电缆和取电电容；其中局部放电辐射电磁波测量单元它能够感知设备内部绝缘缺陷处发生的局部放电，微型柔性罗氏线圈安装在馈线电缆的带电指示灯的一个引脚上，它们的输出都经过信号电缆输入到仪表外壳内的绝缘状态参量测量模块，将绝缘状态信息以简单明了的方式呈现在仪表的显示器上。本发明体积小、重量轻，易于现场安装。
Description
技术领域
本发明涉及电力仪表的技术研究、仪表设计、生产及其应用领域，特别是一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表。
背景技术
多年来配电系统中所用的电力仪表，都是用来测量及监测高压开关柜、环网柜及箱式变电站等设备的运行电压、电流、频率及开关开合状态等参量。随着电子技术、信息技术的快速发展，改进传统仪表的性能和功能、增强其电子化水平，已经成为电力仪表发展的时代要求和主要趋势。在国家提高电网供电可靠性的政策及商业背景下，开发具有设备绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表具有重要的意义。
高压开关柜、环网柜及箱式变电站中绝缘故障是常见的故障形式之一，大多是制造中或安装运行中形成绝缘缺陷所致。 近20年来国内外电力部门多采用手持式局部放电检测仪，以定期巡检的运维方式通过测量开关柜、环网柜或箱变外表面的暂态地电波来监测设备的绝缘状态。这种方法存在诸多不足：
（1）耗费过多时间和人力资源；
（2）只能短时定期测试，存在漏检的情况；
（3）信噪比低，外部电磁干扰造成误判的情况。
鉴于当前国内外应用和技术现状，迫切需要一种能够弥补现有测试方法的不足，具有设备绝缘状态在线监测功能的新型电力仪表，提升相关电力设备的安全运行水平和电力仪表的电子化水平。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，能够长期监测开关柜及馈线中是否存在局部放电，还能够判断局部放电的严重程度，为安排检修提供了重要依据。
本发明采用以下方案实现：一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，包括高压开关柜及设置在高压开关柜内的电压互感器，其特征在于：还包括设置在高压开关柜内的高压开关柜母线室、仪表室、局部放电辐射电磁波检测单元、微型柔性罗氏线圈、运行电量检测单元、信号调理电路、信号采集单元、中央处理及显示单元、电源模块、信号传输线、馈线电缆带电指示灯、馈线电缆和取电电容；
所述局部放电辐射电磁波检测单元安装在所述高压开关柜母线室的底板上；所述微型柔性罗氏线圈安装在所述仪表室馈线电缆带电指示灯的一侧管脚上；所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元均设置在所述仪表室内；
所述信号调理电路包括局部放电辐射电磁波检测调理电路、微型柔性罗氏线圈检测调理电路和运行电量检测调理电路；所述信号采集单元分别与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路、所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路和所述运行电量检测调理电路通过所述信号传输线相连；所述信号采集单元还与所述中央处理及显示单元通过信号传输线通信相连；所述电源模块分别与所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元通过普通绝缘导线相连，并为所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元提供电能；
所述局部放电辐射电磁波检测单元与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路通信相连，用以将所述高压开关柜母线室局部放电辐射的电磁信号传输到所述局部放电辐射电磁波检测调理电路，经过所述局部放电辐射电磁波检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述微型柔性罗氏线圈与所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路通信相连，用以将所述馈线电缆中的局部放电电磁信号传输到所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路，经过所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述运行电量检测单元与所述运行电量检测调理电路通信相连，用以将高压开关柜内的电压互感器的输出电压信号，传输到所述运行电量检测调理电路，经过运行电量检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述信号采集单元将接收到的所述局部放电辐射电磁波检测调理电路传输的信号、所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路传输的信号和所述运行电量检测调理电路传输的信号发送到所述中央处理及显示单元，用以对高压开关柜和所述馈线电缆的电能质量和绝缘状态进行评估。
进一步地，所述局部放电辐射电磁波检测单元包括电容偶极子天线、绝缘底板和BNC接头；利用PCB板技术将所述电容偶极子天线直接附着在所述绝缘底板表面，所述BNC接头与所述绝缘底板连接，在所述绝缘底板的侧面通过所述BNC接头将所述电容偶极子天线的输出信号引出。
进一步地，所述微型柔性罗氏线圈检测单元包括绕制线圈、橡胶骨架、橡胶外壳和BNC接头；所述绕制线圈紧密绕制在所述橡胶骨架周围，所述橡胶外壳紧密包裹所述绕制线圈和所述骨架，所述绕制线圈与所述BNC接头连接，并通过所述BNC接头将所述绕制线圈的两个输出端引出。
进一步地，所述运行电量检测单元包括分压器和BNC接头；将高压开关柜自带的电压互感器的输出端与所述分压器电性相连，所述分压器的低压臂与所述BNC接头相连。
进一步地，所述信号采集单元采用的是采样频率2.5GS/s，采样位数16位的三通道数据采集卡。
进一步地，所述中央处理及显示单元包括嵌入式微处理器、液晶显示屏、按键和外壳；所述嵌入式微处理器置于所述外壳内，并在所述外壳开口处引出嵌入式微处理器的I/O口，所述液晶屏显示屏和所述按键均与所述嵌入式微处理器的I/O口相连。
进一步地，所述电源模块采用的是AC-DC模块，单路220V交流输入，12V直流电平输出。
进一步地，所述中央处理及显示单元，对高压开关柜和所述馈线电缆的电能质量和绝缘状态进行评估具体为：所述中央处理及显示单元根据所述运行电量检测单元测量到的电压波形得到运行电量的电压大小、频率和谐波成分等重要参量，进而得到此时的电能质量；所述中央处理及显示单元根据所述局部放电辐射电磁波检测单元所检测到数据获取此时高压开关柜中是否存在局部放电并获取局部放电的大小；所述中央处理及显示单元根据微型罗氏线圈的检测数据获取此时馈线电缆中是否存在局部放电并获取局部放电的大小。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明中的局部放电辐射电磁波检测单元集成在一个PCB板子上，作为一个插件，直接嵌入现有电气仪表外壳的空余插槽中，方便、经济实用。
2、本发明体积小、重量轻，易于现场安装。
3、本发明不仅能够长期监测开关柜及馈线中是否存在局部放电，还能够判断局部放电的严重程度，为安排检修提供了重要依据。
附图说明
图1为本发明实施例的系统构成图。
图2为本发明实施例的局部放电辐射电磁波检测单元结构示意图。
图3为本发明实施例的微型柔性罗氏线圈的结构示意图。
图4为本发明实施例的信号调理电路原理图。
图5为本发明实施例的高压开关柜结构图。
图中，1为高压开关柜，2为高压开关柜母线室，3为局部放电辐射电磁波检测单元，4为信号传输线，5为仪表室，6为信号调理电路，7为中央处理及显示单元，8为微型柔性罗氏线圈，9为馈线电缆，10为馈线电缆带点指示灯，11为取电电容，12为电源模块，13为运行电量检测单元，14为信号采集单元，15为电压互感器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，包括高压开关柜1及设置在高压开关柜内的电压互感器15，其特征在于：还包括设置在高压开关柜1内的高压开关柜母线室2、仪表室5、局部放电辐射电磁波检测单元3、微型柔性罗氏线圈8、运行电量检测单元13、信号调理电路6、信号采集单元14、中央处理及显示单元7、电源模块12、信号传输线4、馈线电缆带电指示灯10、馈线电缆9和取电电容11；
所述局部放电辐射电磁波检测单元3安装在所述高压开关柜1母线室的底板上；所述微型柔性罗氏线圈8安装在所述仪表室5馈线电缆9带电指示灯10的一侧管脚上；所述信号调理电路6、所述信号采集单元14和所述中央处理及显示单元7均设置在所述仪表室5内；
所述信号调理电路6包括局部放电辐射电磁波检测调理电路、微型柔性罗氏线圈8检测调理电路和运行电量检测调理电路；所述信号采集单元14分别与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路、所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路和所述运行电量检测调理电路通过所述信号传输线4相连；所述信号采集单元14还与所述中央处理及显示单元7通过信号传输线4通信相连；所述电源模块12分别与所述信号调理电路6、所述信号采集单元14和所述中央处理及显示单元7通过普通绝缘导线相连，并为所述信号调理电路6、所述信号采集单元14和所述中央处理及显示单元7提供电能；
所述局部放电辐射电磁波检测单元3与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路通信相连，用以将所述高压开关柜1母线室局部放电辐射的电磁信号传输到所述局部放电辐射电磁波检测调理电路，经过所述局部放电辐射电磁波检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元14；所述微型柔性罗氏线圈8与所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路通信相连，用以将所述馈线电缆9中的局部放电电磁信号传输到所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路，经过所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元14；所述运行电量检测单元13与所述运行电量检测调理电路通信相连，用以将高压开关柜1内的电压互感器15的输出电压信号，传输到所述运行电量检测调理电路，经过运行电量检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元14；所述信号采集单元14将接收到的所述局部放电辐射电磁波检测调理电路传输的信号、所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路传输的信号和所述运行电量检测调理电路传输的信号发送到所述中央处理及显示单元7，用以对高压开关柜1和所述馈线电缆9的电能质量和绝缘状态进行评估。
在本实施例中，如图2所示，所述局部放电辐射电磁波检测单元33包括电容偶极子天线、绝缘底板（PCB底板）和BNC接头；利用PCB板技术将所述电容偶极子天线直接附着在所述绝缘底板表面，所述BNC接头与所述绝缘底板连接，在所述绝缘底板的侧面通过所述BNC接头将所述电容偶极子天线的输出信号引出。
在本实施例中，所述电容偶极子单元由导电性能良好的铜制成，电极形状呈对顶点三角形，底边长0.8cm，高1.4cm。绝缘底板由绝缘性能良好的环氧树脂制成，形状呈长方形，长4cm，宽2cm。
在本实施例中，如图3所示，所述微型柔性罗氏线圈8检测单元包括绕制线圈、橡胶骨架、橡胶外壳和BNC接头；所述绕制线圈紧密绕制在所述橡胶骨架周围，所述橡胶外壳紧密包裹所述绕制线圈和所述骨架，所述绕制线圈与所述BNC接头连接，并通过所述BNC接头将所述绕制线圈的两个输出端引出。
在本实施例中，所述绕制线圈由线径为0.2mm的漆包线绕制而成，线圈匝数480匝。所述骨架由柔性橡胶制成圆环状，小径0.05cm，大径0.5cm。所述外壳由柔性橡胶制成圆环状，小径0.07cm，大径0.5cm。
在本实施例中，所述运行电量检测单元13包括分压器和BNC接头；将高压开关柜1自带的电压互感器15的输出端与所述分压器电性相连，所述分压器的低压臂与所述BNC接头相连。
在本实施例中，所述信号采集单元14采用的是采样频率2.5GS/s，采样位数16位的三通道数据采集卡。
在本实施例中，所述中央处理及显示单元7包括嵌入式微处理器、液晶显示屏、按键和外壳；所述嵌入式微处理器置于所述外壳内，并在所述外壳开口处引出嵌入式微处理器的I/O口，所述液晶屏显示屏和所述按键均与所述嵌入式微处理器的I/O口相连。
在本实施例中，所述电源模块12采用的是AC-DC模块，单路220V交流输入，12V直流电平输出。
在本实施例中，所述中央处理及显示单元7，对高压开关柜和所述馈线电缆的电能质量和绝缘状态进行评估具体为：所述中央处理及显示单元7根据所述运行电量检测单元13测量到的电压波形得到运行电量的电压大小、频率和谐波成分等重要参量，进而衡量（评估）此时的电能质量；所述中央处理及显示单元7根据所述局部放电辐射电磁波检测单元3所检测到数据获取并判断此时高压开关柜中是否存在局部放电并获取局部放电的大小；所述中央处理及显示单元7根据微型罗氏线圈8的检测数据获取并判断此时馈线电缆中是否存在局部放电，并获取局部放电的大小。
特别的，在本实施例中，如图4所示，所述局部放电辐射电磁波检测调理电路即所述局部放电辐射电磁波测量单元的信号调理电路6由模拟前置放大器、低通滤波器和高通滤波器组成。所述模拟前置放大器由超低噪声的高频放大器ADA4899-1组成，放大倍数100倍。所述低通滤波器由超低噪声的高频放大器ADA4899-1组成，放大倍数1，-3dB带宽50MHz，-20dB带宽100MHz。所述高通滤波器由超低噪声的高频放大器ADA4899-1组成，放大倍数1，-3dB带宽50kHz，-20dB带宽10kHz。
如图4所示，所述微型柔性罗氏线圈8检测调理电路即所述微型柔性罗氏线圈8的信号调理电路6由模拟前置放大器、低通滤波器和高通滤波器组成。所述模拟前置放大器由射频运算放大器ADMV7710组成，放大倍数50倍。所述低通滤波器由射频运算放大器ADMV7710组成，放大倍数1，-3dB带宽1GHz，-20dB带宽2GHz。所述高通滤波器由射频运算放大器ADMV7710组成，放大倍数1，-3dB带宽300MHz，-20dB带宽200MHz。
如图4所示，所述运行电量检测调理电路即所述运行电量检测模块的信号调理电路6由模拟前置放大器和低通滤波器组成。所述模拟前置放大器由超低噪声超低失真运算放大器AD4807-1组成，放大倍数1倍。所述低通滤波器由超低噪声超低失真运算放大器AD4807-1组成，放大倍数1，-3dB带宽100 Hz，-20dB带宽200Hz。
特别的，在本实施例中，如图5所示，局部放电辐射电磁波的测量单元安装在高压开关柜1母线室的底板上，信号传输线4沿着柜体角落和弱电线槽一起走线，最后将信号传送到位于仪表室5面板的信号调理及采集单元、中央处理及显示单元7和电源模块12。开关柜母线室局部放电辐射的电磁信号可以直接被电容偶极子单元拾取，其它小室内的信号会沿着开关等载流导体传播到母线室，间接被偶极子单元拾取，实现了开关柜内所有设备绝缘状态的全面覆盖。微型柔性罗氏线圈8安装在开关柜仪表室5馈线电缆9带电指示灯10的一侧管脚上，信号传输线4将信号传送到位于仪表室5面板的信号调理单元及采集和分析单元，馈线电缆9中的局部放电信号经过馈线电缆9带电指示器的取电电容11后，耦合到带电指示灯连接回路，能够被微型柔性罗氏线圈8拾取，实现了对高压开关柜1馈线电缆9的绝缘状态监测。
特别的，本实施例能够在线监测开关柜与馈线电缆99中是否存在局部放电。装置具有简单、经济、安全的特点，能够安装在开关柜的内部长期工作，抗干扰能力强，在开关柜的研究、设计及生产应用领域都具有应用前景。
特别的，本实施例通过集成具有设备绝缘状态检测功能的模块，增强和丰富了现有电力仪表的功能及产品类型。不仅具有常见电力仪表的功能，而且具有设备绝缘状态在线监测功能，其开发和应用必将提升电力仪表的电子化水平和电力设备的安全运行水平。
特别的，本实施例中仪表的传感单元与高压部分电气隔离，局部放电辐射电磁波检测单元3直接安装在电力设备的接地壳体上，处于低电位，微型柔性罗氏线圈8安装在带电指示器的管教上，处于低电位，运行电量单元的分压器安装在电压互感器15的输出端，处于地电位，能够保障仪表运行的安全和操作人员的安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，包括高压开关柜及设置在高压开关柜内的电压互感器，其特征在于：还包括设置在高压开关柜内的高压开关柜母线室、仪表室、局部放电辐射电磁波检测单元、微型柔性罗氏线圈、运行电量检测单元、信号调理电路、信号采集单元、中央处理及显示单元、电源模块、信号传输线、馈线电缆带电指示灯、馈线电缆和取电电容；
所述局部放电辐射电磁波检测单元安装在所述高压开关柜母线室的底板上；所述微型柔性罗氏线圈安装在所述仪表室馈线电缆带电指示灯的一侧管脚上；所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元均设置在所述仪表室内；
所述信号调理电路包括局部放电辐射电磁波检测调理电路、微型柔性罗氏线圈检测调理电路和运行电量检测调理电路；所述信号采集单元分别与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路、所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路和所述运行电量检测调理电路通过所述信号传输线相连；所述信号采集单元还与所述中央处理及显示单元通过信号传输线通信相连；所述电源模块分别与所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元相连，并为所述信号调理电路、所述信号采集单元和所述中央处理及显示单元提供电能；
所述局部放电辐射电磁波检测单元与所述局部放电辐射电磁波检测调理电路通信相连，用以将所述高压开关柜母线室局部放电辐射的电磁信号传输到所述局部放电辐射电磁波检测调理电路，经过所述局部放电辐射电磁波检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述微型柔性罗氏线圈与所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路通信相连，用以将所述馈线电缆中的局部放电电磁信号传输到所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路，经过所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述运行电量检测单元与所述运行电量检测调理电路通信相连，用以将高压开关柜内的电压互感器的输出电压信号，传输到所述运行电量检测调理电路，经过运行电量检测调理电路进行信号放大和滤波，并将调理后的信号发送到所述信号采集单元；所述信号采集单元将接收到的所述局部放电辐射电磁波检测调理电路传输的信号、所述微型柔性罗氏线圈检测调理电路传输的信号和所述运行电量检测调理电路传输的信号发送到所述中央处理及显示单元，用以对高压开关柜和所述馈线电缆的电能质量和绝缘状态进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述局部放电辐射电磁波检测单元包括电容偶极子天线、绝缘底板和BNC接头；所述电容偶极子天线直接附着在所述绝缘底板表面，所述BNC接头与所述绝缘底板连接，在所述绝缘底板的侧面通过所述BNC接头将所述电容偶极子天线的输出信号引出。
3.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述微型柔性罗氏线圈检测单元包括绕制线圈、橡胶骨架、橡胶外壳和BNC接头；所述绕制线圈紧密绕制在所述橡胶骨架周围，所述橡胶外壳紧密包裹所述绕制线圈和所述骨架，所述绕制线圈与所述BNC接头连接，并通过所述BNC接头将所述绕制线圈的两个输出端引出。
4.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述运行电量检测单元包括分压器和BNC接头；将高压开关柜自带的电压互感器的输出端与所述分压器电性相连，所述分压器的低压臂与所述BNC接头相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述信号采集单元采用的是采样频率2.5GS/s，采样位数16位的三通道数据采集卡。
6.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述中央处理及显示单元包括嵌入式微处理器、液晶显示屏、按键和外壳；所述嵌入式微处理器置于所述外壳内，所述液晶屏显示屏和所述按键均与所述嵌入式微处理器相连。
7.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述电源模块采用的是AC-DC模块，单路220V交流输入，12V直流电平输出。
8.根据权利要求1所述的一种具有高压开关柜及电缆绝缘状态在线监测功能的增强型电力仪表，其特征在于：所述中央处理及显示单元，对高压开关柜和所述馈线电缆的电能质量和绝缘状态进行评估具体为：所述中央处理及显示单元根据所述运行电量检测单元测量到的电压波形得到运行电量的电压大小、频率和谐波成分，进而得到电能质量；所述中央处理及显示单元根据所述局部放电辐射电磁波检测单元所检测到数据获取高压开关柜中是否存在局部放电并获取局部放电的大小；所述中央处理及显示单元根据微型罗氏线圈的检测数据获取馈线电缆中是否存在局部放电以及局部放电的大小。
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