CN112540320A - 一种新型套管监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型套管监测设备，包括信号处理器，所述信号处理器包括顺序连接的信号采集单元、信号放大单元、信号滤波单元、AD采样单元、DSP芯片，以及与DSP芯片连接的B码对时单元；所述DSP芯片连有通信单元；所述信号采集单元与变压器套管的末屏引线、PT二次侧中的至少一种连接。通过对套管泄漏电流和两端电压的实时监测，计算得到介质损耗因数和套管电容量。采用信号采集器的设计可以屏蔽电磁干扰，避免接地不牢，使用高精度穿心式零磁通电流传感器对套管末屏泄漏电流进行获取，消除了互感器的角差提高了相位和幅值精度；采用IRIG‑B码对时提供精确的时间同步信号，实现信号采样的精确同步。

Description

一种新型套管监测设备

技术领域

本发明涉及一种智能套管在线监测装置。具体地说是一种对套管末屏泄漏 电流、介质损耗、电容量进行实时在线监测的装置。

背景技术

随着国民经济的迅猛发展，整个社会对电力的需求越来越大，供电稳定性 要求越来越高，对电力设备的可靠性要求越来越严格。电力变压器是电力系统 的能量传输的重要节点，所有的电能都需要在变压器中流过。而在统计过程中， 变压器故障里套管的故障问题居高不下。其主要问题是相对于其他电器产品套 管的体积小，相对绝缘预度低，同等条件下电场分布密度高。进而导致套管产 生故障后，其发展速度会比一般的电器设备要迅速。研究数据表明高压套管故 障占到变压器故障的40％，其中52％的高压套管故障为严重故障，会引起火灾、 大面积停电等严重事故。主变套管是变电站所有容性设备中最容易发生事故的 容性设备，目前主要的故障预防手段是预防性试验和定期更换，需要电力部门投入大量的人力和物力，会延长电网检修停电时间，对电网的经济效益产生影 响。

进年来，套管介损和电容值监测产品开发较多，但在变电站现场工作环境 中总体表现不佳。主要问题在于试验条件下介损还能够测量准确，但是在负载 电磁环境下，介损测量数据偏差较大，导致较多场合下该类设备已经停用。另 外套管末屏电流采集装置多数采用将末屏引线长距离引出，存在一定的运行风 险。

发明内容

本发明针对变电站内套管内部绝缘特点及以往套管介损和电容值监测装置 中存在的问题，设计研发一套精度高、可靠性高，可以实时监测套管运行状态 的装置。通过使用微处理器及电磁传感器可对套管末屏泄漏电流、介质损耗、 电容量进行实时在线监测。通过对同一电压等级的套管末屏泄露电流、介损、 电容量进行比较看是否同比例变化——横向比较法，对套管当前运行状态进行 分析，并可以通过通讯的方式将采集结果发送到后台系统，保证套管安全稳定 运行。

本发明考虑了介损采集的干扰源问题。为避免干扰采用数字高精度对时方 案实现泄露电流和电压向量的同步采集；对末屏电流信号的采集专门设计了有 效的采集器，并基于相位差的方法进行介损计算；采用DSP作为控制核心，使用 了高精度测频算法，和快速傅里叶变换法，提高了数据精度；通过对套管末屏 泄漏电流和两端电压信号的获取，最终计算得到反映套管绝缘状态的介质损耗 因数和套管电容量。装置支持现场有线通信和无线通信两种方式，客户可以根 据需要进行选择。后台服务器可对监测数据进行智能分析，给出套管当前运行 状态信息，保证套管安全稳定运行。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种新型套管监测设备，包 括信号处理器，所述信号处理器包括顺序连接的信号采集单元、信号放大单元、 信号滤波单元、AD采样单元、DSP芯片，以及与DSP芯片连接的B码对时单元；所 述DSP芯片连有通信单元；所述信号采集单元与变压器套管的末屏引线、PT二次 侧中的至少一种连接。

所述信号采集单元通过信号采集器与变压器套管的末屏引线连接；所述信 号采集器包括外壳、顶针、零磁通电流传感器、压紧弹簧及盖板，其中外壳的 一端与末屏出线接口中的套管接地接口螺纹连接，另一端连接有盖板，该外壳 内部分别容置有顶针、零磁通电流传感器及压紧弹簧，所述压紧弹簧位于盖板 与顶针一端之间、并与外壳接触，顶针的另一端由零磁通电流传感器穿过、并 通过压紧弹簧的弹力作用与末屏出线接口中的末屏信号引出导体抵接；套管末 屏电流由顶针引入，穿过零磁通电流传感器、经弹簧、盖板、外壳后流入到套 管的接地导体。

所述外壳内还安装有绝缘导向件，所述顶针的另一端由该绝缘导向件穿过 后与末屏出线接口中的末屏信号引出导体抵接。

所述B码对时单元与变电站的B码时钟源连接。

所述信号采集单元，用于采集变压器套管的末屏泄漏电流信号、PT二次侧 电压信号；

所述信号放大电路，用于对采集的信号进行放大；

所述信号滤波单元，用于将来自信号放大电路的信号进行滤波；

所述AD采样单元，用于将滤波后的信号发送至DSP芯片；

所述B码对时单元，用于根据变电站B码信号同步采样末屏泄漏电流信号 和电压信号；

DSP芯片，用于将接收的末屏泄漏电流、PT二次侧电压均转换成幅值和相 位。

一种新型套管监测设备，还包括与信号处理器连接的工控板；所述工控板 连有通信模块，所述通信模块用于与通信单元通信。

所述单片机，用于利用末屏泄漏电流或PT二次侧电压的相位差获得介损因 数。

所述工控板连有触摸屏显示单元。所述工控板连有USB单元。

一种新型套管监测方法，包括以下步骤：

采集变压器套管的末屏泄漏电流信号、PT二次侧电压信号，并进行放大、 滤波后，与变电站B码信号同步，发送至DSP芯片；

DSP芯片将接收的末屏泄漏电流、PT二次侧电压进行测频，根据测频所得 频率进行傅里叶变换，得到末屏泄漏电流的幅值和相位、PT二次侧电压的幅值 和相位；

工控板将末屏泄漏电流的某相相位与PT二次侧电压的对应相相位做差，根 据相位差得到介损角，进而得到介损；并根据PT二次侧电压的幅值和容性电流 幅值、电力系统的工作频率得到套管的等效电容。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过使用微处理器及电磁传感器可对套管末屏泄漏电流、介质损 耗、电容量进行实时在线监测。通过每一相套管的介损变化率，对套管当前运 行状态进行分析，并认为变化率较大的一相套管存在故障。并可以通过通讯的 方式将采集结果发送到后台系统，保证套管安全稳定运行。

2.本发明通过对套管介质损耗、电容值在线实时监测，实现套管运行状态 数据的科学分析和健康状态诊断，达到潜伏性故障提早发现、提早预警的目的， 从而提高变电设备运行的可靠性。

3.本发明采用B码对时单元对信号进行同步采样吧，并对被测信号进行测 频，使监测信息量的准确度有了明显的提升。

4.本发明采用了信号采集器，就进对末屏电流进行采集，并不需要将末屏 接线引出，消除了套管采集设备对套管安全的影响。

5.本发明可以实现与变电站监控后台和调度系统的接口，对变电设备运行 状态的运程监控，实现对有故障隐患的设备有选择性的提早检修，减少多次停 电带来的损失，节约人力和维修支出，降低运维成本，为电力运营赢得更多宝 贵的时间，为变电站实现无人值守提供技术支持。

6.信号采集器在与套管接地接口与其拧紧后能够保证套管安全可靠的将 泄漏电流引入到零磁通电流传感器，并能够将其导引至外壳最终流入到大地。 泄漏电流传感器使用的是HET小型传感器，体积小精度高，能够集成到采集装 置内部。信号采集器的外壳能够为泄漏电流传感器提供有效的电磁屏蔽，使信 号不受干扰。

附图说明

图1本发明信号处理器电子电路结构示意图；

图2本发明整套装置结构图；

图3本发明信号采集器的结构图一；

图4本发明信号采集器的结构图二；

其中，1、信号采集单元，2、信号放大单元，3、信号滤波单元4、AD采样 单元，5、B码对时单元，6、FPGA单元，7、USB单元，8、无线通信单元，9、 有线通信单元，10、触摸屏显示单元，11、工控板，12、信号采集器(外壳黄 铜)；13、信号采集器顶针(黄铜)，14、绝缘导向件，15、零磁通电流传感器， 16、压紧弹簧，17、内螺纹，18、盖板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及智能套管在线监测装置，包括信号采集器单元、信号采集单元、 信号放大单元、信号滤波单元、AD采样单元、频率检测单元、B码对时单元、 DSP数据处理单元、USB单元、无线通信单元、有线通信单元、触摸屏显示单元； 本发一种套管在线监测装置，通过对套管泄漏电流和两端电压的实时监测，计 算得到介质损耗因数和套管电容量。采用信号采集器的设计可以屏蔽电磁干扰， 避免接地不牢，使用高精度穿心式零磁通电流传感器对套管末屏泄漏电流进行 获取，消除了互感器的角差提高了相位和幅值精度；采用IRIG-B码对时提供精 确的时间同步信号，实现信号采样的精确同步；设备之间通信采用无线方式获 取计算的电流、电压的幅值和相位信息，较少了不必要的现场施工。利用有线 方式通过61850协议将数据传输到数据监测后台系统。后台服务器安装智能专 家诊断系统，可对采集的数据进行显示和分析，对套管当前运行状态进行诊断， 保证套管的安全稳定运行。

智能套管在线监测装置，包括：信号采集单元1、信号放大单元2、信号滤 波单元3、AD采样单元4、B码对时单元5、DSP数据处理器单元6、USB单元7、 无线通信单元8、有线通信单元9、触摸屏显示单元10、工控板11、信号采集 器12。

信号采集单元1主要完成对套管末屏泄漏电流和PT二次侧电压信号进行获 取。信号放大电路2对采集信号进行放大处理。信号滤波单元3主要完成对信 号中存在的干扰信号进行滤除。B码对时单元5完成对电流和电压信号的同步采 样。DSP数字信号处理器单元6是整个系统的控制核心，完成对信号的采集，频 率测量以及信号幅值和相位的计算。通过无线通信将计算结果发送到工控板11。USB单元8通过U盘，完成对现场监测装置数据的拷贝。有有线通信单元9通过 有线方式，将采集的数据传送到后台服务器。触摸屏单元10可以使操作者能够 就地查看介损和电容值的监测信息，并可以工控板11使用前进行参数设置。工 控板单元11实现对电压、电流信号进行搜集，并利用相位差对介损因数进行计 算。工控板有自己的独立存储空间和通信接口，能够将计算后的结果保存到就 地存储芯片，也能够使用61850通信协议将监测信息发送到监测后台系统。信 号采集器单元12可以从套管末屏接口安全的将末屏电流引到传感器中。信号采 集器顶针13能够与套管末屏接地导体可靠连接。绝缘导向件14可以保证顶针 13可以与套管末屏接地导体对准，从而使传感器获得电流信号。零磁通电流传 感器15用于获取套管末屏电流信号。押紧弹簧16可以在信号采集器拧紧在套 管接地接口处时，弹簧将顶针与套管接地导体紧密压紧而不松动，并使泄漏电流与外壳连接，使接地电流与大地构成回路，保证了套管的可靠接地，避免故 障发生。

获取末屏信号使用的是自主设计的信号采集器。其在与套管接地接口与其 拧紧后能够保证套管安全可靠的将泄漏电流引入到零磁通电流传感器，并能够 将其导引至外壳最终流入到大地。泄漏电流传感器使用的是HET小型传感器， 体积小精度高，能够集成到采集装置内部。信号采集器的外壳能够为泄漏电流 传感器提供有效的电磁屏蔽，使信号不受干扰。

信号滤波单元，采用有源带通滤波器，信号通过的范围选择为40～1000Hz。 完成对干扰信号或者杂波信息的滤除，保证信号转换精度。

所述AD采样单元，选择ANALOG公司的AD7193转换芯片，是一款高性低噪 声的A/D转换器，具有24位采样精度，本身还具有4通道PGA放大功能。可配 置为四路差分输入或八路伪差分输入。片内通道序列器可以同时使能多个通道， 按顺序在各使能通道上执行转换。片内4.92MHz时钟可以用作ADC的时钟源， 也可以使用外部时钟或晶振。

所述B码对时单元，采用IRIG-B码B码技术进行监测装置异地同步采样， 总体精度优于50ns。

DSP信号处理单元具备测频功能，可以实时跟踪电网频率的微小变化，进而 测算频率数值，求出FFT计算的步长和截取适当周期长度的数据，使最终计算 出的幅值与相位更加准确。

使用B码准时信号作为数据采样的同步信号，使得整个采样同步偏差小于 50ns。

本发明智能套管在线监测装置的工作过程如图1所示，包括信号采集单元1 主要完成对套管末屏泄漏电流和PT电压信号的获取。采集信号经过信号放大电 路2完成对信号的放大处理。信号滤波单元3对放大后的信号进行滤波处理， 滤除存在的干扰信号。滤波后的信号通过频率自适应算法，获取到当前输入信 号的频率，并根据该频率得到需要参与计算的数据数量和用于计算的步长。然 后通过DSP的高速运算能力，对所采集到的信号进行快速傅里叶变换，获取准 确的正弦分量和余弦分量。利用三角函数原理，通过两个分量的运算获取到当 前信号的准确相位信息和幅值信息。为了完成电压和电流的相位同步，使用B 码对时单元5通过IRIG-B码准时信号进行信号处理器电流分机和电压分机异地 同步采样，对时准确性是测量精度的关键。PT信号采集的是电压信号，信号采 集器采集的是套管末屏电流信号，DSP数字信号处理器处理完成后通过无线通信 将同步数据传输到工控板。工控板利用同步相位计算电压电流的角度差取余角 的正切值可得到介质损耗因数；使用电压、电流可以计算出容抗，并计算出准 确的套管电容量参数：工控板将末屏泄漏电流的某相相位与PT二次侧电压的对 应相相位(该相位与所述末屏泄漏电流的相位一致)做差，根据相位差得到介 损角余角，进而得到介损；并根据PT二次侧电压的幅值、套管末屏容性电流幅 值、电力系统的工作频率得到套管的等效电容；其中，套管末屏容性电流幅值 等于末屏泄漏电流的幅值/sqrt(1+介损因数的平方)。工控板可以把计算结果通 过有线通信单元9，以IEC61850通信方式将数据上传到后台服务器。USB单元7 支持USB通信，可以通过U盘完成对监测数据的拷贝。触摸屏显示单元10可以 就地对采集的数据进行显示，用户也可以通过触摸屏完成对装置参数的设置。

如图3、图4所示，信号采集器与末屏接线接口通过采集器上的螺纹对接， 其中外壳的内螺纹和端面部分与套管接地接口的外螺纹和端平面紧密接触。13 顶针通过弹簧紧紧压在末屏信号引出导体上。14绝缘导向件可保证电流从13顶 针流入，并穿过15零磁通电流传感器。16压紧弹簧可以保证13顶针的压紧度， 也可以通过弹簧使13顶针与12外壳连接，使套管末屏电流由顶针13穿过零磁 通传感器15经过弹簧16和盖板18，最由内螺纹17流入到套管的接地导体。12 外壳为黄铜材质，保证接地可靠性的同时，起到了对传感器的电磁屏蔽作用， 使信号不受外界干扰。传感器引出线使用带屏蔽层的电缆引出。

图2中信号处理器1主要完成对PT二次侧电压信号，信号处理单元2完成 套管末屏泄漏电流信号进行获取。采用高精度穿心式电流传感器，不改变套管 原有接地方式，保证安全。考虑到末屏泄漏电流处于毫安级，采用零磁通式HET 型穿芯小电流传感器，该传感器具有独特的深度负反馈技术，能够对铁芯全自 动补偿，使铁芯工作在理想的零磁通状态。电流检测范围在100μA—700mA，相 位变换误差不大于0.01°，具有非常好的温度特性，抗电磁干扰能力强，完全 满足复杂的电站现场干扰下的套管末屏电流取样的精确度。

信号放大单元2采用可编程放大器件，可根据不同信号等级对其进行放大 处理，满足系统采样精度要求。可编程放大器件具有精度高、增益可编程控制 等优点，内部集成保护电路，耐电压等级高，通过激光校正，因此具有极低的 失调电压和漂移以及高共模抑制比。信号采集电路通过接线将获取信号接到信 号放大电路。

信号滤波电路3和信号放大单元2一样，都是对获取的信号进行处理，滤 波电路主要是完成对干扰信号或者杂波信息的滤除。滤波电路采用贷通滤波器， 滤除低频和高频信号。使信号集中在40～1000Hz范围，使工频的1、3、5、7 次信号可以顺利通过，而影响采集精度的其他频率范围被有效滤除。

其中AD采样单元4选择ANALOG公司的AD7193转换芯片，该芯片是一款高 性低噪声的A/D转换器，具有24位采样精度，本身还具有4通道PGA放大功能。 这款器件可配置为四路差分输入或八路伪差分输入。片内通道序列器可以同时 使能多个通道，按顺序在各使能通道上执行转换。片内4.92MHz时钟可以用作 ADC的时钟源，也可以使用外部时钟或晶振。工作电压在3V至5.25V。失调漂 移为±nV/℃，增益漂移为±1ppm/℃。信号经过放大、滤波、测频后，FPGA控 制AD转换单元对信号进行模数转换，精确测量泄漏电流信号和PT二次侧电压信号。

其中B码对时单元5主要完成对电压信号和电流信号的同步采样功能。利 用B码的准时脉冲信号进行同步采样，使电压电流的相位采集偏差做到远低于 介损的误差允许值。B码对时采用cortexM3系列单片机实现，B码脉冲通过单 片机端口进行中断计时。由于单片机的主晶振经过倍频后高达120MHz，其定时 精度可以控制在1ns以内，而B码对时精度一般可以满足50ns，因此整体对时 偏差为50ns左右。该精度已经能够保障采集同步精度对介损结果的影响远远小 于设备本身的精度。

其中DSP数字信号处理器单元6，是系统核心控制单元，包括对信号采样的 控制和计算。DSP单元是数据采集信息加工的中心。DSP主要实现AD数据的读 取、信号基频的频率测算、快速傅里叶变换、信号线性度校正、数据传输等功 能。使用2.5周期采样保证DSP处理器在被测信号及时发生一定偏离的情况下 也能够采集到完整的波形数据，并使用三角函数测频方法进行迭代测频，根据 测频结果动态结果进行调整傅里叶变换的计算步长，使其相位的分辨能力达到 最佳；利用测频程序计算的步长对各次谐波计算，获取不同频率下的幅值信息。 更重要的是获取基波分量的相位信息。通过无线通信单元7可以将计算结果传输到工控板11进行计算和数据进一步处理。

工控板11通过对图2中信号处理器1和信号处理器2的数据进行读取，可 以获取到同步的电流、电压的幅值和相位信息。由工控板将电流和电压的相位 差计算出，并最终通过三角函数正切运算获取介损值，进而监测高压套管的绝 缘变化程度。通过电压和电流的幅值和相位关系可以计算出套管的电容值，便 于监测套管的电容屏间的击穿故障。工控板11还可以通过有线通信单元9是一 个100Mbps的网络接口，使用IEC61850智能变电站通信规约进行信息的发送。 介损信息也可以通过触摸屏进行现场介损值的查看。

其中USB单元8主要功能是实现对现场数据的拷贝功能。用户通过U盘就 可以实现对数据的获取，方便快捷。USB电路包括过流保护和通信信号保护。

Claims (10)

1.一种新型套管监测设备，其特征在于，包括信号处理器，所述信号处理器包括顺序连接的信号采集单元、信号放大单元、信号滤波单元、AD采样单元、DSP芯片，以及与DSP芯片连接的B码对时单元；所述DSP芯片连有通信单元；所述信号采集单元与变压器套管的末屏引线、PT二次侧中的至少一种连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述信号采集单元通过信号采集器与变压器套管的末屏引线连接；所述信号采集器包括外壳、顶针、零磁通电流传感器、压紧弹簧及盖板，其中外壳的一端与末屏出线接口中的套管接地接口螺纹连接，另一端连接有盖板，该外壳内部分别容置有顶针、零磁通电流传感器及压紧弹簧，所述压紧弹簧位于盖板与顶针一端之间、并与外壳接触，顶针的另一端由零磁通电流传感器穿过、并通过压紧弹簧的弹力作用与末屏出线接口中的末屏信号引出导体抵接；套管末屏电流由顶针引入，穿过零磁通电流传感器、经弹簧、盖板、外壳后流入到套管的接地导体。

3.根据权利要求2所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述外壳内还安装有绝缘导向件，所述顶针的另一端由该绝缘导向件穿过后与末屏出线接口中的末屏信号引出导体抵接。

4.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述B码对时单元与变电站的B码时钟源连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于：

所述信号采集单元，用于采集变压器套管的末屏泄漏电流信号、PT二次侧电压信号；

所述信号放大电路，用于对采集的信号进行放大；

所述信号滤波单元，用于将来自信号放大电路的信号进行滤波；

所述AD采样单元，用于将滤波后的信号发送至DSP芯片；

所述B码对时单元，用于根据变电站B码信号同步采样末屏泄漏电流信号和电压信号；

DSP芯片，用于将接收的末屏泄漏电流、PT二次侧电压均转换成幅值和相位。

6.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，还包括与信号处理器连接的工控板；所述工控板连有通信模块，所述通信模块用于与通信单元通信。

7.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述单片机，用于利用末屏泄漏电流或PT二次侧电压的相位差获得介损因数。

8.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述工控板连有触摸屏显示单元。

9.根据权利要求1所述的一种新型套管监测设备，其特征在于，所述工控板连有USB单元。

10.根据权利要求1所述的一种新型套管监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集变压器套管的末屏泄漏电流信号、PT二次侧电压信号，并进行放大、滤波后，与变电站B码信号同步，发送至DSP芯片；

DSP芯片将接收的末屏泄漏电流、PT二次侧电压进行测频，根据测频所得频率进行傅里叶变换，得到末屏泄漏电流的幅值和相位、PT二次侧电压的幅值和相位；

工控板将末屏泄漏电流的某相相位与PT二次侧电压的对应相相位做差，根据相位差得到介损角，进而得到介损；并根据PT二次侧电压的幅值和容性电流幅值、电力系统的工作频率得到套管的等效电容。

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