CN113447782A - 线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压设备在线监测技术领域，公开了一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法，实现对线圈类设备的匝绝缘状态进行实时监测。所述装置包括：第一探测线圈，其与线圈类设备的首端等电位连接；第二探测线圈，其与线圈类设备的尾端等电位连接；第一电流互感器，其与第一探测线圈连接；第一电压互感器，其与第一探测线圈连接；第二电流互感器，其与第二探测线圈连接；第二电压互感器，其与第二探测线圈连接；第一AD转换单元，其与第一电流互感器以及第一电压互感器连接；第二AD转换单元，其与第二电流互感器以及第二电压互感器连接；第一无线传输单元，其与第一AD转换单元连接；第二无线传输单元，其与第二AD转换单元连接。

Description

线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法

技术领域

本发明涉及高压设备在线监测技术领域，特别是涉及一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法。

背景技术

线圈类设备（例如干式空心电抗器）是电网的重要设备，其运行可靠性关乎电网运行安全。匝间短路是威胁线圈设备运行的主要故障之一，由于缺乏有效的匝绝缘监测手段，缺陷容易发展为严重的短路事故，甚至发生设备烧毁事件。因此，研发有效的匝绝缘监测手段十分迫切。

发明内容

本发明提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法，对线圈类设备的匝绝缘状态进行实时监测。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置，所述装置包括：

第一探测线圈，其与线圈类设备的首端等电位连接；

第二探测线圈，其与线圈类设备的尾端等电位连接；

第一电流互感器，其与所述第一探测线圈连接；

第一电压互感器，其与所述第一探测线圈连接；

第二电流互感器，其与所述第二探测线圈连接；

第二电压互感器，其与所述第二探测线圈连接；

第一AD转换单元，其与所述第一电流互感器以及所述第一电压互感器连接；

第二AD转换单元，其与所述第二电流互感器以及所述第二电压互感器连接；

第一无线传输单元，其与所述第一AD转换单元连接；

第二无线传输单元，其与所述第二AD转换单元连接。

作为一个优选方案，所述装置还包括：

第一匹配负载，其与所述第一探测线圈的两个端子连接；

第二匹配负载，其与所述第二探测线圈的两个端子连接。

作为一个优选方案，所述第一探测线圈与所述第二探测线圈的线圈绕制方向相反且线圈匝数相同。

为了解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测系统，所述系统包括：

如第一方面任一项所述的线圈类设备匝绝缘状态监测装置；

FFT模块，用于通过无线接收单元接收两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

状态判断模块，用于根据40kHz~50kHz频率分量的信号幅值以及两个探测线圈工频信号的相位差对线圈类设备进行故障状态判断。

作为一个优选方案，所述状态判断模块具体用于：

将线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值作为基准值，在第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；

在第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，报警次数满足预设条件时，判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，第二时间为第一时间的整数倍。

作为一个优选方案，所述预设条件具体为：

K/（T2/T1）>0.5；

式中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间。

作为一个优选方案，所述系统还包括：

开关控制模块，用于在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

为了解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测系统的监测方法，所述方法包括：

获取两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

将第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值与基准值进行比较，当第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；其中，基准值为线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值；

将第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差与预设相位差值进行比较，当第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，警报次数满足如下条件：K/（T2/T1）>0.5，则判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间；

在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置、系统及监测方法，其有益效果在于：在线圈类设备的首尾段等电位连接探测线圈，利用探测线圈与线圈类设备本体磁场相交链，感应出电压、电流信号，并通过电压互感器、电流互感器检测感应电压、电流信号，然后再通过AD转换单元将模拟转换为数字信号，并通过无线传输单元进行信号的传输，能够实现对线圈类设备匝绝缘状态的实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置的另一个优选实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测系统的一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的、效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但是不用来限制本发明的保护范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都应属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本文中的编号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有顺序或者技术含义，不能理解为规定或者暗示所描述的对象的重要性。

图1所示为本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置的一个优选实施例的结构示意图。

如图1所示，所述装置包括：

第一探测线圈（11），其与线圈类设备（2）的首端等电位连接；

第二探测线圈（12），其与线圈类设备（2）的尾端等电位连接；

第一电流互感器（13），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第一电压互感器（14），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第二电流互感器（15），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第二电压互感器（16），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第一AD转换单元（17），其与所述第一电流互感器（13）以及所述第一电压互感器（14）连接；

第二AD转换单元（18），其与所述第二电流互感器（15）以及所述第二电压互感器（16）连接；

第一无线传输单元（19），其与所述第一AD转换单元（17）连接；

第二无线传输单元（110），其与所述第二AD转换单元（18）连接。

其中，所述第一探测线圈（11）与所述第二探测线圈（12）的线圈绕制方向相反且线圈匝数相同。

具体而言，探测线圈分别等电位连接在线圈类设备的首端和尾端，以降低绝缘包封绝缘强度要求，用于感应线圈类设备匝绝缘短路故障或者用于取能，而且首端和尾端的探测线圈绕制方向相反、线圈匝数相同，用于与设备本体磁场交链产生电压和电流。电流互感器和电压互感器分别用于检测探测线圈的感应电流、电压信号。AD转换单元用于对电压、电流信号进行采集和数模转换，AD转换单元上还设置有同步对时装置，用于对采样数据进行精确对时。无线传输单元用于将AD转换单元采集的数据进行无线后传，隔离高/低压环境。

本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置，在线圈类设备的首尾段等电位连接探测线圈，利用探测线圈与线圈类设备本体磁场相交链，感应出电压、电流信号，并通过电压互感器、电流互感器检测感应电压、电流信号，然后再通过AD转换单元将模拟转换为数字信号，并通过无线传输单元进行信号的传输，能够实现对线圈类设备匝绝缘状态的实时监测。

图2所示为本发明提供的一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置的另一个优选实施例的结构示意图，在该实施例，所述装置还包括：

第一匹配负载（111），其与所述第一探测线圈（11）的两个端子连接；

第二匹配负载（112），其与所述第二探测线圈（12）的两个端子连接。

具体而言，匹配负载用于系统匹配，以产生幅值适合的电压/电流信号。

相应的，本发明提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测系统，其结构示意图如图3所示，所述系统包括：

第一探测线圈（11），其与线圈类设备（2）的首端等电位连接；

第二探测线圈（12），其与线圈类设备（2）的尾端等电位连接；

第一电流互感器（13），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第一电压互感器（14），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第二电流互感器（15），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第二电压互感器（16），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第一AD转换单元（17），其与所述第一电流互感器（13）以及所述第一电压互感器（14）连接；

第二AD转换单元（18），其与所述第二电流互感器（15）以及所述第二电压互感器（16）连接；

第一无线传输单元（19），其与所述第一AD转换单元（17）连接；

第二无线传输单元（110），其与所述第二AD转换单元（18）连接；以及

FFT模块，用于通过无线接收单元接收两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

状态判断模块，用于根据40kHz~50kHz频率分量的信号幅值以及两个探测线圈工频信号的相位差对线圈类设备进行故障状态判断。

需要说明的是，在匝绝缘击穿前期，将会产生高频放电信号，将两个探测线圈的电压采样数据数学相加，一方面可消除外部干扰信号，另外一方面由于匝绝缘短路处于两线圈中间位置，两电压信号相加后即可呈现出匝间短路特征。此外，匝绝缘稳定击穿后设备本体的介损角将会发生明显变异，本专利设计的两个探测线圈，其中一个用于探测电流信号，一个用于探测电压信号。

具体而言，系统实时对数据采样，对两探测线圈的采样数据相加后的电压信号做快速傅里叶变换，计算得到频谱U（f），在计算出高频段信号40kHz~50kHz频率分量的信号幅值

（其中，10k表示10000），以及计算两个探测线圈工频信号（50Hz）的相位差。结合40kHz~50kHz频率分量的信号幅值以及两个探测线圈工频信号的相位差对线圈类设备进行故障状态判断，当判定得到故障时，则控制设备退出运行。

在一个优选实施例中，所述状态判断模块具体用于：

将线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值作为基准值，在第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；

在第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，报警次数满足预设条件时，判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，第二时间为第一时间的整数倍。

具体而言，基准值的计算公式为：

，在第一时间T1内，计算得到U(_40kHz~50kHz)，并计算

，若D＞10，则判定信号异常，发出报警信号，报警次数自动加一，即K=K+1（K初始为0）；与此同时，在第一时间T1内计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差

，并计算

，其中，

为所述预设相位差值，当

时，其中，

为比较基准值，则判定信号异常，发出报警，同时报警次数K自动加一。若在第二时间内，报警次数满足预设条件，则视为设备本体发生匝间短路。

在一个优选实施例中，所述预设条件具体为：

K/（T2/T1）>0.5；

式中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间。

本实施例在一定数量的采样周期内（T2=nT1）多次发出异常，则视为设备本体发生匝间短路。

在一个优选实施例中，所述系统还包括：

开关控制模块，用于在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

本实施例在线圈类设备发生匝间短路故障时，控制设备退出运行，能够保证电网安全运行。

在一个优选实施例中，所述方法还包括：

若第二时间段内，报警次数满足第二预设条件时，发出预警信号。

其中，所述第二预设条件具体为：

0.1＜K/（T2/T1）＜0.4。

本实施例对线圈类设备进行匝绝缘进行故障预警，能够实现对线圈类设备匝绝缘状况可知、可控。

相应的，本发明还提供一种线圈类设备匝绝缘状态监测方法，应用于上述任一实施例所述的线圈类设备匝绝缘状态监测系统中，所述方法包括如下步骤：

获取两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

将第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值与基准值进行比较，当第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；其中，基准值为线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值；

将第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差与预设相位差值进行比较，当第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，警报次数满足如下条件：K/（T2/T1）>0.5，则判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间；

在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

所述方法还包括：

若第二时间段内，警报次数满足如下条件：0.1＜K/（T2/T1）＜0.4，则发出预警信号。

应当理解，本发明实现上述线圈类设备匝绝缘状态监测方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述线圈类设备匝绝缘状态监测方法的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干等效的明显变型方式和/或等同替换方式，这些明显变型方式和/或等同替换方式也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种线圈类设备匝绝缘状态监测装置，其特征在于，包括：

第一探测线圈（11），其与线圈类设备（2）的首端等电位连接；

第二探测线圈（12），其与线圈类设备（2）的尾端等电位连接；

第一电流互感器（13），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第一电压互感器（14），其与所述第一探测线圈（11）连接；

第二电流互感器（15），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第二电压互感器（16），其与所述第二探测线圈（12）连接；

第一AD转换单元（17），其与所述第一电流互感器（13）以及所述第一电压互感器（14）连接；

第二AD转换单元（18），其与所述第二电流互感器（15）以及所述第二电压互感器（16）连接；

第一无线传输单元（19），其与所述第一AD转换单元（17）连接；

第二无线传输单元（110），其与所述第二AD转换单元（18）连接。

2.根据权利要求1所述的线圈类设备匝绝缘状态监测装置，其特征在于，还包括：

第一匹配负载（111），其与所述第一探测线圈（11）的两个端子连接；

第二匹配负载（112），其与所述第二探测线圈（12）的两个端子连接。

3.根据权利要求1至2任一项所述的线圈类设备匝绝缘状态监测装置，其特征在于，所述第一探测线圈（11）与所述第二探测线圈（12）的线圈绕制方向相反且线圈匝数相同。

4.一种线圈类设备匝绝缘状态监测系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至3任一项所述的线圈类设备匝绝缘状态监测装置；

FFT模块，用于通过无线接收单元接收两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

状态判断模块，用于根据40kHz~50kHz频率分量的信号幅值以及两个探测线圈工频信号的相位差对线圈类设备进行故障状态判断。

5.根据权利要求4所述的线圈类设备匝绝缘状态监测系统，其特征在于，所述状态判断模块具体用于：

将线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值作为基准值，在第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；

在第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，报警次数满足预设条件时，判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，第二时间为第一时间的整数倍。

6.根据权利要求5所述的线圈类设备匝绝缘状态监测系统，其特征在于，所述预设条件具体为：

K/（T2/T1）>0.5；

式中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间。

7.根据权利要求5或6所述的线圈类设备匝绝缘状态监测系统，其特征在于，所述系统还包括：

开关控制模块，用于在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

8.一种如权利要求7所述的线圈类设备匝绝缘状态监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

获取两个探测线圈感应得到的电压信号以及电流信号，将两个探测线圈感应得到的电压信号相加，并对相加得到电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再计算出40kHz~50kHz频率分量的信号幅值，以及对每个探测线圈的感应得到的电压信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱，再分别计算出两个探测线圈工频信号的相位差；

将第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值与基准值进行比较，当第一时间内实时计算得到的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值大于十倍基准值时，发出警报信号，记录警报次数；其中，基准值为线圈类设备正常运行时的40kHz~50kHz频率分量的信号幅值；

将第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差与预设相位差值进行比较，当第一时间段内实时计算得到的两个探测线圈工频信号的相位差大于预设相位差值时，发出警报信号，记录警报次数；

若第二时间段内，警报次数满足如下条件：K/（T2/T1）>0.5，则判定线圈类设备发生匝间短路故障；其中，K为报警次数，T2为第二时间，T1为第一时间；

在判定线圈类设备发生匝间短路故障时，控制开关投入跳闸，控制线圈类设备退出运行。

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