CN112557587A - 借由气体排放来监控一件电气装备中的部分放电的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于监控电气设施(1)中的部分放电(PD)的方法，电气设施(1)包括至少一个电气室(2)，电气室(2)包括至少一件中压或高压电气装备(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控至少一件中压或高压电气装备中的部分放电的系统和方法。
本发明还涉及包括这种监控系统的电气设施。
背景技术
中压和高压电气装备经常受到高电流和高电压电平的影响，并且可能会发生部分放电。
在下文中，术语“中压”和“高压”如普遍接受的那样使用，即“中压”指的是高于1000伏AC和1500伏DC但不高于52000伏AC和75000伏DC的电压，术语“高压”指的是严格高于52000伏AC和75000伏DC的电压。
部分放电是一种局部放电，其在高压的作用下使隔离导电材料的绝缘材料部分短路。
部分放电尤其可能由制造缺陷、不受控的环境条件或材料磨损引起。
举例来说，介电材料中的部分放电可能发生在气泡中：由于气体的介电常数比周围材料的介电常数低得多，所以产生的电场显著高于绝缘材料中存在的电场。如果电压超过气泡中包含的气体的介电强度极限，就会发生部分放电。相反，绝缘体中导电粒子的存在也可能导致部分放电。
其他类型的部分放电可能通过电晕放电发生在绝缘材料表面或周围气体中。
因此存在两种类型的部分放电：内部部分放电，其发生在绝缘材料内部；外部部分放电，其发生在绝缘材料的表面或紧邻绝缘材料周围的气体中。
这些部分放电可能增加绝缘材料的介电强度的恶化速率，例如通过促使材料的腐蚀或氧化。从中期和/或长期来看，这种恶化可能变得严重，并最终导致绝缘材料端子的击穿和电气装备的损坏。
这会增加电气装备的安全风险，并因此增加在附近工作的人员的安全风险。
为了限制这种风险，已知用于监控一件电气装备中的部分放电的各种方法，例如电学、声学或光学方法。
因此，文献EP3258278A1提出了一种基于声学分析的方法，该声学分析与来自温度和湿度传感器的测量值相关。
文献EP1593981A2提出了一种基于对部分放电发生时的电压和电流信号的分析的方法。
也可以使用化学方法。具体地，外部部分放电可能导致在电气装备的绝缘材料的表面上或周围气体(尤其是空气)中发生化学反应。这些化学反应导致气体元素的形成，特别是臭氧。
因此，文献“Characterization of medium voltage equipment ageing bymonitoring of partial discharges chemical and acoustical emission,E.Odic,E.Jouseau,G.Vivien,C-S.Maroni,10th International Electrical InsulationConf.INSUCON 2006,Birmingham:United Kingdom(2006)”提出了一种使用臭氧传感器监控部分放电的方法。
然而，这种方法不容许确定部分放电的具体原因，但是限制这些部分放电发生的措施可能取决于这些原因。
此外，这种方法被证明在某些情况下是不准确的。具体地，由传感器测量的气体元素的浓度可能随时间变化，例如由于在电气装备附近进行的其他人类活动而造成变化，而与部分放电的发生或不发生无关。
举例来说，已知一些工厂或机动车辆交通可能排放臭氧前体物，诸如氮氧化物、碳氢化合物或挥发性有机化合物。这些臭氧前体物可能会发生反应，特别是在来自的太阳紫外线辐射的作用下形成臭氧。
因此，通过测量诸如臭氧的气体元素的高浓度而不管电气装备中的部分放电的发生或不发生，来自用于气体元素的传感器的测量值可能会失真。
因此，本发明的目的之一是寻找一种简单、可靠且经济的系统，该系统能够检测电气设施中的部分放电的发生，以便确定其原因并确保所用方法的有效性。
此外，部分放电中产生的气体元素可能对健康有显著影响，例如，通过促使在电气装备附近工作的人员的支气管炎症或肺组织结疤。
因此，本发明的另一目的是容许连续和实时地监控，以便检测潜在危险的部分放电。
发明内容
本发明改善了这种情况。
所提出的是一种用于监控电气设施中的部分放电的方法，该电气设施包括至少一个电气室，该电气室包括至少一件中压或高压电气装备，该电气设施包括：
-布置在电气室内部的至少一组第一组传感器和布置在电气室外部的至少一组第二组传感器，第一组传感器和第二组传感器中的每一组包括至少一个用于气体元素的传感器；
-布置在电气设施内部的至少一个温度传感器和/或湿度传感器，
该方法至少包括以下步骤：
a1)比较使用第一组传感器和第二组传感器获得的气体元素的浓度；
a2)基于步骤a1)中的比较，确定由第一组传感器获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施的外部因素；
b1)将由第一组传感器获得的气体元素的浓度与来自温度传感器和/或湿度传感器的测量值进行比较；
b2)基于步骤b1)中的比较，确定由第一组传感器获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施内部的温度和/或湿度的变化；以及
c)如果对步骤a2)和b2)的响应是否定的，则推断由第一组传感器获得的气体元素的浓度源于电气设施的内部因素。
通过这些布置，可以区分由电气装备的外部因素(诸如可能促使一次性部分放电的发生的电气设施内部的特定环境条件)引起的部分放电和尤其是由电气装备的内部因素(诸如电气装备的材料上的磨损)引起的部分放电。
可选地，可以实施以下段落中公开的特征。这些特征可以彼此独立地实施或彼此结合地实施：
根据一个实施例，第一组传感器和第二组传感器中的用于气体元素的传感器选自臭氧传感器、一氧化碳传感器、硝酸传感器和氮氧化物传感器。
根据另一实施例，如果对步骤b2)的响应是肯定的，则该方法还包括步骤b3)，即调节电气设施内部的环境条件。
根据另一实施例，如果对步骤b2)的响应是否定的，则该方法还包括步骤c’)，即根据由第一组传感器获得的气体元素的浓度来确定该件电气装备的材料的磨损状态。
根据另一实施例，如果由第一组传感器获得的气体元素的浓度高于阈值，该方法还包括警告步骤d)。
根据另一实施例，内部因素是该件电气装备的磨损。
因此，安装在电气室内部和外部的传感器之间的“差异”或相对分析可以确保电气设施得到令人满意的维护。通过分析绝对浓度，可以监控气体元素的浓度，从而在必要时保护在电气设施附近工作的人员的安全。
根据另一方面，所提出的是一种用于监控电气设施中的部分放电的系统，该电气设施包括至少一个电气室，该电气室包括至少一件中压或高压电气装备，该系统包括：
-布置在电气室内部的至少一组第一组传感器和布置在电气室外部的至少一组第二组传感器，第一组传感器和第二组传感器中的每一组包括至少一个用于气体元素的传感器；
-布置在电气设施内部的至少一个温度传感器和/或湿度传感器，
-处理单元，包括被配置为至少实施以下步骤的处理器：
a1)比较使用第一组传感器和第二组传感器获得的气体元素的浓度；
a2)基于步骤a1)中的比较，确定由第一组传感器获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施的外部因素；
b1)将由第一组传感器获得的气体元素的浓度与来自温度传感器和/或湿度传感器的测量值进行比较；
b2)基于步骤b1)中的比较，确定由第一组传感器获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施内部的温度或湿度的变化；以及
c)如果对步骤a2)和b2)的响应是否定的，则推断由第一组传感器获得的气体元素的浓度源于电气设施的内部因素。
根据一个实施例，该系统包括警告设备。
根据另一实施例，该系统包括一个或多个致动器，该致动器被配置成调节电气设施内部的环境条件。
附图说明
在阅读下面提供的描述并查阅附图以后，其他特征、细节和优点将变得清楚，其中：
图1是根据本发明一个实施例的设施的示意图。
图2是根据本发明一个实施例的监控方法的示意图。
具体实施方式
下面的附图和描述大部分包含某些特性的元素。因此，它们不仅有助于更好地理解本发明，而且在适当的情况下有助于本发明的定义。
图1示意性地示出了变电站或设施1，其包括布置在电气室2中的一件或多件电气装备3(或电气设备3)。一个或几个电气室2可以布置在电气设施1中。
根据图1所示的实施例，电气设施1包括布置在单个电气室2中的三件电气装备3。
电气设施1可以是电网中用于电力传输和/或配送的站。电气装备3可以选自开关、断路器、接触器、熔丝开关、重合闸或隔离开关。然而，其他类型的电气装备3也是可能的。
以本身已知的方式，电气装备3包括多种金属材料(诸如钢、铜或铝)或绝缘材料(诸如弹性体、树脂或三元乙丙橡胶)。然而，使用其他类型的材料当然是可能的，根据电气装备的目标应用更具体地选择材料的介电强度。
电气设施1包括用于监控部分放电(partial discharge，PD)、特别是外部部分放电的系统。监控系统包括至少一组第一组传感器4(下文称为“第一组”)和第二组传感器5(下文称为“第二组”)。
第一组4布置在电气室2内部，特别是电气装备3附近，同时第二组5布置在电气室2外部，特别是电气设施1的内部和/或外部。
根据图1所示的实施例，第一组4包括布置在每一件电气装备3处的传感器，第二组5包括布置在电气设施1内部和外部的传感器。
第一组4包括至少一个用于气体元素的传感器Cg。
用于气体元素的传感器Cg被配置成测量气体元素的浓度或浓度的变化。气体元素可以选自臭氧(O3)、一氧化碳(CO)、硝酸(HNO3)和氮氧化物(NOx)。有利地，气体元素是臭氧，它是在外部部分放电时产生的第一气体之一。然而，其他气体元素也是可想到的。
第一组4还包括至少一个温度传感器Ct和/或湿度传感器Ch。有利地，第一组4包括温度传感器Ct和湿度传感器Ch两者。
第一组4还可以包括被配置为获取诸如压力、海拔或其他测量值的环境测量值的一个或多个其他附加的传感器。这些附加的传感器可以使得根据例如其地理位置在分析所获取的测量值时考虑电气设施1特定的气候条件。
第一组传感器4可以布置在电气室2中，特别是紧邻电气装备3。第一组传感器4可以例如布置成与电气装备3接触，特别是在电气装备3的外壁上，或者紧邻电气装备3，以便测量在电气装备3周围的空气中发现的气体元素的浓度或浓度的变化。
第二组5包括至少一个用于气体元素的传感器Cg。以与第一组4相同的方式，用于气体元素的传感器Cg被配置成测量气体元素的浓度或浓度的变化。气体元素可以选自臭氧(O3)、一氧化碳(CO)、硝酸(HNO3)和氮氧化物(NOx)。因此，第二组5有利地包括与第一组4相同的用于气体元素的传感器。
位于电气室2外部的第二组5使得可以与电气装备3的运行和部分放电的发生相独立地测量气体元素随时间的浓度或浓度的变化。
具体地，如上所指出的，一些气体元素的浓度可能逐天地或季节性地变化，例如由于在电气设施1附近的环境中进行的人类活动而造成的变化。第二组5容许考虑这些变化。
以与第一组4相同的方式，第二组5也可以包括至少一个温度传感器Ct和/或湿度传感器Ch。有利地，第二组5包括温度传感器Ct和湿度传感器Ch两者。
该系统还包括处理单元6。处理单元6被配置成一旦第一组4和第二组5的各种传感器获取了测量值，就对测量值进行分析和处理。
处理单元6因此包括通信接口7，该通信接口7被配置成接收由传感器获取的测量值。处理单元6和传感器之间的通信可以是有线的或无线的，特别是经由诸如蓝牙、Sigfox、LoRa等的短距离协议。
通信接口7还使得可以从远程服务器8发送/接收信息。远程服务器8因此可以被配置成与处理单元6相结合或者作为处理单元6的替代，对由传感器获取的测量值远程地进行分析和处理。处理单元6和远程服务器8之间的通信可以是有线或无线的，特别是经由诸如以太网或3G/4G/5G的远程协议。
处理单元6还包括被配置成有利地实时分析由传感器获取的测量值的处理器9。处理器9可以使用数学或算法工具，特别是通过使用人工智能。
通过实时，可以理解，根据本发明的方法是在电气设施1的运行期间，在固定的时间限制内实施的。
处理单元6还包括被配置成存储由传感器随时间获取的测量值的存储器10。
该系统还包括一个或多个警告设备11，被配置成特别是使用声音、光、消息等来警告为电气设施1工作的人员，特别是在气体元素高浓度的情况下进行警告，这将在下面描述。
该系统还包括一个或多个致动器12。致动器12被配置成控制和/或调节电气设施1内部的环境条件，并且更具体地，控制和/或调节电气室2内部的环境条件。致动器12可以例如控制电气设施1内部的加热、冷却、加湿或除湿设备。
下面结合图2描述根据本发明的用于监控电气设施1内部的部分放电的方法。
在步骤100中，系统检查电气设施1的完整性和正确运行，特别是监控系统的完整性和正确运行。具体地，在步骤101中，系统检查第一组4和第二组5的正确运行。
如果传感器不工作或者与处理单元6通信有问题，则系统在步骤102中经由警告设备11发送警告消息。
如果没有检测到问题，则系统前进到从传感器获取测量值的步骤103。这些测量值可以存储在处理系统6的存储器10中和/或远程服务器8上(步骤104)。
在步骤105中，系统比较在第一组传感器4和第二组传感器5之间获取的测量值。
如上所述，一些气体元素，诸如臭氧，可以由部分放电产生，但是也可以由电气设施1外部的并且与电气设施1无关的其他因素产生。因此，有必要将位于电气室2中的第一组4获得的气体元素的浓度与位于电气室2外部的第二组5获得的气体元素的浓度进行比较。该比较可以由处理单元6的处理器9和/或远程服务器8远程地执行(步骤105和106)。
“外部因素”被理解为由与电气装备3的状态或运行无关的部分放电的发生或其他情况产生的气体元素的浓度的部分或全部原因。因此，外部因素例如是影响电气设施1内部的环境和气候条件，或者是由独立于电气设施1的元件发出的气体元素。
与外部因素相反，“内部因素”被理解为与电气装备3的状态或操作相关的气体元素的浓度的部分或全部原因。内部因素例如是电气装备3的磨损或制造缺陷。
如果该比较指示小于给定阈值的差值，和/或由第一组4和第二组5获取的测量值之间在浓度和时间方面的相关性，则可以断定所测量的气体元素的浓度是由于电气设施1的外部因素造成的。因此，它们与电气室2内发生的部分放电无关。
如果该比较指示大于给定阈值的差值，和/或由第一组4和第二组5获取的测量值之间在浓度和时间方面缺乏相关性，则可以断定气体元素的浓度是由于在电气室2内发生的部分放电造成的。
然后，在步骤107中，系统经由警告设备11发送警告消息。
这些部分放电可能特别地是由内部因素引起的，特别地是由电气装备3的绝缘材料的磨损引起的。
根据一个实施例(未示出)，该系统可以根据由传感器获取的气体元素的浓度来测量电气装备3的材料的恶化，特别是氧化带来的恶化。因此，可以通过考虑材料的磨损和老化的已知模型来估计电气装备3的恶化。
具体地，各种气体元素的出现顺序和相对浓度使得可以确定部分放电之后的化学反应的动力学，并且改善所考虑的电气装备3的材料的恶化的估计。
然而，这些部分放电也可能由外部因素促使，诸如电气设施1内部的某些特定环境条件，特别是关于电气室2内部的温度和湿度。特别地，如果温度和/或湿度变化，则部分放电的幅度或频率可能增加或减少。
如果传感器显示出电气设施1内部的环境条件(特别是温度或湿度)和气体元素的浓度之间的相关性(步骤108)，则可以断定部分放电是由于电气设施1内部的环境条件造成的。在步骤109中，系统经由警告设备11发送警告消息。
举例来说，气体元素的浓度可以与这些相同气体元素的已知阈值浓度进行比较，这些相同气体元素的已知阈值浓度通常在电气设施1内部的给定温度或湿度下观察到。
如果传感器显示出不充分的相关性，则可以断定部分放电是由于内部因素造成的，诸如电气装备3的材料上的磨损。因此，有必要对电气装备进行维护，以便确保设施的安全性和正确运行。
另外，在步骤111中，系统评估电气设施1内部的气体元素的浓度是否可能对在电气设施1内部工作的人员的健康有负面影响。在浓度高于给定阈值的情况下，系统随后在步骤112中经由警告设备11发送警告消息。
根据图1所示的实施例，其中，电气设施1包括致动器12，在步骤113中，系统可以容许控制和/或调节电气设施1内部的环境条件，以便限制与部分放电相关的风险。因此，该系统能够调节电气设施1中的温度和湿度，以便减少部分放电的发生，从而减少气体元素的产生。
该方法可以通过布置在每件电气装备3附近的第一组传感器4来实施。因此，这些传感器的布置使得可以更精确地定位哪一件电气装备3或电气室2更特别需要被监控。
根据本发明的方法使得可以改善对部分放电的检测，确定其原因(特别是电气室内的材料磨损或环境条件)，然后在电气设施1内部执行动作，以限制新的部分放电的发生或按照各种警报级别警告相关人员。
根据图2所示的实施例，该方法然后可以通过返回到上述步骤100至113中的全部或一些来重复。因此，该方法是连续实施的。
通过“连续地”，可以理解，该方法有利地在电气设施1的整个运行期间重复实施。
当然，本发明不限于上述实施例，上述实施例仅作为示例提供。本发明涵盖本领域技术人员在本发明的上下文中能够想到的各种修改、替代形式和其他变型，特别是上述各种实施例的任何组合，上述实施例可以单独地或组合地使用。
Claims (9)
1.一种用于监控电气设施(1)中的部分放电(PD)的方法，电气设施(1)包括至少一个电气室(2)，电气室(2)包括至少一件中压或高压电气装备(3)，电气设施(1)包括：
-布置在电气室(2)内部的至少一组第一组传感器(4)和布置在电气室(2)外部的至少一组第二组传感器(5)，第一组传感器(4)和第二组传感器(5)中的每一组包括至少一个用于气体元素的传感器(Cg)；
-布置在电气设施(1)内部的至少一个温度传感器(Ct)和/或湿度传感器(Ch)，
其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
a1)比较使用第一组传感器(4)和第二组传感器(5)获得的气体元素的浓度；
a2)基于步骤a1)中的比较，确定由第一组传感器(4)获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施(1)的外部因素；
b1)将由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度与来自温度传感器(Ct)和/或湿度传感器(Ch)的测量值进行比较；
b2)基于步骤b1)中的比较，确定由第一组传感器(4)获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施(1)内部的温度和/或湿度的变化；以及
c)如果对步骤a2)和b2)的响应是否定的，则推断由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度源于电气设施(1)的内部因素。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组传感器(4)和第二组传感器(5)中的用于气体元素的传感器选自臭氧(O3)传感器、一氧化碳(CO)传感器、硝酸(HNO3)传感器和氮氧化物(NOx)传感器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果对步骤b2)的响应是肯定的，则所述方法还包括步骤b3)，即调节电气设施(1)内部的环境条件。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，如果对步骤b2)的响应是否定的，则所述方法还包括步骤c’)，即根据由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度来确定该件电气装备(3)的材料的磨损状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，如果由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度高于阈值，则所述方法还包括警告步骤d)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述内部因素是该件电气装备(3)上的磨损。
7.一种用于监控电气设施(1)中的部分放电(PD)的系统，电气设施(1)包括至少一个电气室(2)，电气室(2)包括至少一件中压或高压电气设备(3)，所述系统包括：
-布置在电气室(2)内部的至少一组第一组传感器(4)和布置在电气室(2)外部的至少一组第二组传感器(5)，第一组传感器(4)和第二组传感器(5)中的每一组包括至少一个用于气体元素的传感器(Cg)，
-布置在电气设施(2)内部的至少一个温度传感器(Ct)和/或湿度传感器(Ch)，
-处理单元(6)，其包括处理器(9)，处理器(9)被配置成至少实施以下步骤：
a1)比较使用第一组传感器(4)和第二组传感器(5)获得的气体元素的浓度；
a2)基于步骤a1)中的比较，确定由第一组传感器(4)获取的气体元素的浓度的变化是否源于电气设施(1)的外部因素；
b1)将由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度与来自温度传感器(Ct)和/或湿度传感器(Ch)的测量值进行比较；
b2)基于步骤b1)中的比较，确定由第一组传感器(4)获取的气体元素浓度的变化是否源于电气设施1内部的温度或湿度的变化；以及
c)如果对步骤a2)和b2)的响应是否定的，则推断由第一组传感器(4)获得的气体元素的浓度源于电气设施(1)的内部因素。
8.根据权利要求7所述的系统，包括警告设备(11)。
9.根据权利要求7或8所述的系统，包括一个或多个致动器(12)，致动器(12)被配置成调节电气设施(1)内部的环境条件。
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