CN114729960A - 具有集成传感器的智能电气套管 - Google Patents
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Abstract
用于中压和高压的电气套管，该套管包括流体填充绝缘体积；传感器单元，与流体填充绝缘体积中的流体接触；其中，传感器单元被配置为测量流体的击穿电压。
Description
技术领域
本公开的实施例总体涉及用于中压和高压的电气套管，尤其是在中压或高压变压器中使用的电气套管。具体而言，本公开的实施例涉及一种在套管内具有流体填充绝缘体积的电气套管，尤其是填充有绝缘流体(例如，油和/或酯)的套管。此外，本公开的实施例涉及一种用于检测故障套管的方法。具体而言，本公开的实施例涉及一种用于检测性能衰减的方法，该性能衰减可在套管发生故障之前指示套管的可能故障。
背景技术
高压变压器通常包括设置在其中的许多电气套管，以便隔离穿过屏障(例如，接地的变压器壳体)的导体。用于高压应用的电气套管可以包括介电体部件、用于将套管安装到安装表面的装置、以及穿过介电体部件的导体。介电体部件可以被包括在或至少部分浸入绝缘流体(例如，油)中。此类套管的示例为充满流体(例如，油或酯流体)的油浸纸绝缘套管。
在现有的电气套管中，绝缘流体(例如，油或酯流体)会由于热量、水分摄入或泄露而随着时间的推移老化。老化的最坏情况是电气套管出现故障。
因此，通常需要定期检查和维护电气套管的状况。通过在专用实验室中采集待测量的流体样本来检查电气套管。在大多数情况下，实验室在场外或由外部实验室服务提供商运营。
对于此类测量，通常会以特定的时间间隔采集流体样本，并将其发送到专用实验室来检查是否存在老化迹象。然而，这种方法很麻烦，实际上只适用于相对较稀疏的时间间隔。需要改进电气套管的故障预防。
发明内容
鉴于上述情况，提供了一种用于中压和高压的电气套管，其克服或减少了至少一些上述缺陷。
本公开的一个方面提供了一种用于中压和高压的电气套管。该电气套管包括流体填充绝缘体积以及与流体填充绝缘体积中的流体接触的传感器单元，其中，传感器单元被配置为测量流体的击穿电压。
本公开的另一方面提供了一种用于检测故障套管的方法。该方法包括：获取传感器数据，该传感器数据描述电气套管中的流体的击穿电压；确定击穿标志，该击穿标志描述传感器数据是否已经超过电气套管中的流体的击穿电压的阈值；以及基于击穿标志发出控制信号。
数据网络可以是使用TCP/IP的以太网网络，例如，LAN、WAN、或因特网。数据网络可以包括分布式存储单元，例如，云。取决于应用，云可以是公共云、私有云、混合云、或社区云。
本公开中描述的实施例允许监测电气套管。根据通过监测获得的信息，套管可能会被停止使用。有利的是，在对电气套管和/或具有电气套管的变压器造成损坏之前，可以检测到电气套管的(潜在)故障。可以检测由于老化导致的流体质量的快速下降。此外，通过更早地检测发生潜在故障的电气套管，可以更好地保护电网的后续或上游部件。
根据从属权利要求、权利要求组合、说明书、和附图，可以与本文描述的实施例结合的其他优点、特征、方面、和细节将是显而易见的。
附图说明
以下将参考附图描述细节，其中
图1是根据本公开实施例的电气套管的示意性侧视图；
图2是根据本公开实施例的传感器单元的示意性横截面图；
图3是根据本公开实施例的用于检测故障电气套管的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，每个图中示出了这些实施例的一个或多个示例。每个示例是作为解释提供的，并不意味着用作限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用，以产生又进一步的实施例。本公开旨在包括此类修改和变型，其保护范围由权利要求书定义。
在附图的以下说明中，相同的参考标号指代相同或类似的部件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。除非另有规定，否则一个实施例中的部分或方面的描述也可以应用于另一个实施例中的相应部分或方面。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的一些实施例，用于中压和高压的电气套管包括流体填充绝缘体积。电气套管可以包括与流体填充绝缘体积中的流体接触的传感器单元。传感器单元可以与流体填充绝缘体积中的流体进行感测接触。传感器单元可以被配置为测量流体的击穿电压。电气套管还可以包括连接到传感器单元的控制器。控制器可以连接到(云)计算机。
本文使用的流体可以指处于气态的材料、元素、或化合物。流体也可以指处于液相(或状态)的材料、元素、或化合物。对于电力变压器和套管应用，本文使用的流体通常指液体。
控制器可以连接到计算机或云计算机。计算机或云计算机可以指至少一个处理单元或多个处理单元。计算机或云计算机还可以指ASIC或被配置为接收模拟或数字输入以进行处理(例如，确定击穿标志或维修标志)的任何其他处理单元。传感器单元和/或控制器可以被称为在线传感器或在线控制器，即传感器单元和/或控制器连接到网络，以便根据传感器单元的规范执行在线测量。在线测量可以指在电气套管的运行期间的测量。传感器单元可以实时和/或基本实时地测量击穿电压。传感器单元可以根据控制器的请求来测量击穿电压。传感器单元可以按照每周一次或多次测量或每月一次或多次测量的时间间隔测量击穿电压。传感器或控制器可以(被称为)是云连接的。
传感器单元可以包括传感器和确定电路。“测量流体的击穿电压”还包括通过传感器感测指示击穿电压的量，该量允许从其中(例如，通过乘以比例系数)确定击穿电压。“测量流体的击穿电压”可以包括由确定电路从该量确定击穿电压。在这种情况下，确定电路被视为传感器单元的部分。传感器单元的位置由传感器定义，即使确定单元位于不同的位置。
流体的击穿电压可以按照kV/mm为单位进行测量或确定。传感器可例如是由A.Eberle GmbH&Co.KG在TrafoStickTM中提供的传感器或具有类似测量原理的传感器。TrafoStickTM使用电声传感器测量击穿电压，该电声传感器包括镀铝压电谐振器。TrafoStickTM的传感器单元还包括湿度传感器和温度传感器。
测量的击穿电压可能例如由于公差和测量误差与实际的击穿电压有所不同。然而，没有任何输出值可以被视为测量的击穿电压。一种情况是测量值被作为击穿电压进行解析并进一步处理。
电气套管可以具有顶部和底部。底部可以适用于连接到变压器。电气套管的底部可以适用于插入变压器壳体的开口中。变压器壳体可以具有用于接收电气套管的底部的安装部。
传感器单元可以安装在电气套管的侧面。传感器单元和传感器单元的传感器可以分别安装在电气套管的侧面。传感器单元可以安装在电气套管的侧面，使得传感器单元距连接套管的顶部和套管的底部的线(纵轴线)存在横向位移。
本文所指的传感器单元可以至少指传感器单元的传感器。传感器单元可以包括用于测量击穿电压的至少一个传感器或多个传感器。传感器单元还可以包括与传感器或多个传感器进行数据通信的传感器单元控制器。传感器或多个传感器可以组合在一个传感器单元壳体中。传感器单元控制器可以包括在传感器单元壳体中。一个或多个传感器和传感器单元控制器可以间隔开，或者具有与电气套管连接或集成的不同壳体。这在本文中被称为传感器单元。例如，传感器可以安装在套管上、在对于测量例如击穿电压最佳的位置处。传感器单元控制器可以安装在不同的位置，例如，与套管间隔开。控制器的这个位置可能有利于减少例如电磁影响。因此，传感器单元控制器可以位于减少电磁影响的位置。位于套管的不同位置的传感器单元控制器和传感器可以被称为传感器单元。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的一些实施例，传感器单元可以无线连接到控制器。传感器单元可以通过导线(例如，铜线)或光纤(例如，玻璃纤维电缆)连接到控制器。传感器单元可以包括用于为传感器单元供电的能量收集模块。传感器单元可以通过有线或无线方式将测量到的击穿电压传送到控制器。传感器和传感器单元中的至少一者可以无线连接到控制器，以用于将指示击穿电压的感测值(数据)传送到控制器。确定击穿电压可以至少部分地在传感器单元控制器中执行。确定击穿电压可以至少部分地在控制器中执行。
传感器单元可以安装在法兰的空腔中，该法兰将电气套管连接至变压器壳体。在传感器单元安装在套管头中的情况下，传感器单元可以安装在膨胀容器中。套管头对应于电气套管的顶部。传感器单元可以被安置在一个或多个突起中。用于传感器单元的突起可以基本上垂直于纵轴线(例如，连接电气套管的顶部和底部的线)。突起可以从套管沿基本径向延伸。
控制器可以通过用于将控制器连接到数据网络的网络接口连接到网络。该连接可以是无线连接。控制器可以可操作地连接到网络接口，以用于执行从数据网络接收的命令和向数据网络发送电气套管的状况信息中的至少一者。控制器可以包括用于将测量到的击穿电压转换为数字信号的处理单元。测量到的击穿电压可以由传感器单元或传感器的处理单元转换为数字信号。
电气套管的传感器单元还可以被配置为测量电气套管中的压力、温度、流体中的水分含量的水分水平、和流体的密度中的至少一者。传感器单元可以具有多个传感器，每个传感器测量不同的参数。传感器单元可以包括测量电气套管中的压力、温度、流体中的水分含量的水分水平、和流体的密度中的两者或更多者的传感器。传感器单元的传感器可位于电气套管上或套管中的不同位置，以用于测量相应的参数。例如，温度传感器可以放置在电气套管的顶部，并且击穿电压传感器可以位于电气套管的底部。
根据一个方面，电气套管还可以包括用于将传感器单元连接到数据网络、尤其是全球数据网络的网络接口。数据网络可以是诸如因特网的TCP/IP网络。传感器单元可操作地连接到网络接口，以用于执行从数据网络接收的命令。这些命令可以包括用于控制设备执行诸如测量电气套管中的流体的击穿电压之类的任务的控制命令。在这种情况下，传感器单元适用于响应于控制命令而执行任务。这些命令可包括状况请求。响应于状况请求，或者在没有先前的状况请求的情况下，传感器单元可以适用于向网络接口发送状况信息，并且网络接口随后适用于通过网络发送状况信息。这些命令可以包括包含更新数据的更新命令。在这种情况下，传感器单元适用于响应于更新命令并使用更新数据来发起更新。例如，更新命令可以设置传感器单元的参数，例如，待测量流体的预定阈值或预定设置。以上所述也适用于连接到传感器单元的控制器。
图1示例性地示出了电气套管100。电气套管100包括主体元件101。主体元件101可以具有关于纵轴线R的基本旋转对称的形式。主体元件101用于电隔离一个或多个导体。主体元件101可以通过例如包括非导电或介电材料提供一个或多个导体的电隔离。具体而言，主体元件101可以至少部分浸入隔离介质，例如介电流体中。
电气套管可以包括多个端子。如图1示例性地示出的，电气套管100包括位于电气套管100的上部的上端子102和位于电气套管100底部的下端子103。上端子102和下端子103可以被配置用于在其上安装至少一个导体。例如，上端子102和下端子103可以包括螺纹部分，该螺纹部分被配置用于接收至少一个紧固件，该至少一个紧固件用于安全地将至少一个导体安装到其上。上端子102和下端子103可以分别是穿过电气套管100的导体的上端和下端。
电气套管100可以用在中压或高压应用中。在本公开的上下文中，术语“中压”可以指至少1kV至高达52kV的电压。此外，本公开的上下文中的术语“高压”可以指至少52kV的电压。
主体元件101包括突起106。突起106从主体元件101的外表面、以基本上径向的方向(即，以基本上垂直于纵轴线R的方向)从主体元件101突出。突起106允许主体元件101配备有传感器单元110。如图1示例性示出的，突起106与套管接合，使得传感器单元110及其各自的一个或多个传感器可以与电气套管中的流体接触。传感器单元110通过数据连接115连接到控制器120。数据连接115可以是有线或无线连接。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，可以提供用于中压和高压的变压器组件。该组件可以包括具有变压器壳体的变压器。该组件可以包括根据本文所述实施例的电气套管。
该组件可以具有传感器单元，位于电气套管的在变压器壳体的开口内的一部分上。例如，在套管安装在变压器上的情况下，传感器单元可以浸没在变压器流体中。传感器单元可以适用于承受变压器流体的影响。因此，传感器单元可以位于套管的密封突起或膨胀容器中。
电气套管可以包括屏蔽结构，用于屏蔽传感器单元(例如，位于电气套管的底部的传感器单元)免受变压器的电磁影响。屏蔽结构有利地提供电磁屏蔽，使得可以以基本上不受干扰的方式从传感器或传感器单元传送无线或有线信号。屏蔽结构可以有利地提供更好的测量信噪比。
电气套管可以包括密封件或密封贮存器(容器)，其防止变压器流体(例如，油或酯流体)接触传感器。
图2示例性地示出了传感器单元110。传感器单元110安装在电气套管的突起106内。传感器单元110具有传感器212，传感器212与电气套管的流体填充绝缘体积210内的流体接触(感测流体)。如示例性地示出的，突起106可以具有端口214，端口214可以用于将传感器单元110与可以连接到控制器的导线连接，或者可以用于维修传感器单元110。流体填充绝缘体积210中的流体包围套管220的芯。传感器单元110通过密封件216与流体隔离密封。另一密封件218密封突起106的盖以免受环境(例如，雨水或湿气)的影响。
根据本公开的又一方面，提供了一种根据本公开实施例的用于检测故障电气套管的方法。
该方法包括获取传感器数据，该传感器数据描述电气套管中的流体的击穿电压。该方法还可以包括确定击穿标志，该击穿标志描述传感器数据是否已超过电气套管中的流体的击穿电压的阈值。击穿标志可以描述传感器数据的趋势指示电气套管将在预定的时间间隔内发生故障。该方法可以包括基于击穿标志发出控制信号。
如本文所述的发出控制信号可以指向变压器组件、云计算机(例如，服务器)、变压器组件的控制器、和由云计算机或计算机屏幕提供的用户接口中的至少一者发出控制信号。基于击穿标志发出控制信号可以指在已经超过击穿电压的(预定)值的阈值的情况下，发出声或光信号。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的一些实施例，该方法可以包括获取变压器数据。变压器数据可以描述变压器的状态。该方法可以包括确定维修标志。维修标志可以描述变压器组件是否已超过维修阈值。确定维修标志可以基于变压器数据的状态和电气套管的击穿标志。
变压器组件的维修标志可以基于确定变压器组件的热状态。用于确定变压器组件的热状态的装置可以指确定设备，例如计算单元或计算机，例如控制器或云计算机。
在运行中，电力变压器的损耗(例如，铁和铜损耗)会导致变压器内部及其表面产生热量。电力变压器包括用于散热的冷却设备。冷却设备被配置为使流体冷却剂(例如，矿物、酯、或硅酮流体)循环通过至少一个流体冷却剂通道。冷却剂通道的布置使得其能够吸收来自电力变压器的排出热量，例如，通过将冷却剂通道引导穿过变压器内部和/或引导在其一个或多个表面上。
为了确定电力变压器的热状态，确定电力变压器的热状态不仅可以使用电力变压器的上游冷却剂的温度和电力变压器的下游冷却剂的温度，而且可以使用散热器的上游气流的温度和散热器的下游的温度。
为了进行确定，可以在冷却剂环路和/或散热器的关键点放置传感器。关键点可以是将预期出现最高或最低温度的点。
电力变压器及其部件中的各传感器的传感器信号可以被计算单元接收或可以发送至计算单元。然后，计算单元确定电力变压器的部件的热状态。此外，计算单元可以通过部件的单独热状态的组合和/或热状态的加权组合来确定电力变压器的热状态。可以将电力变压器的热状态与电力变压器的热状态的预定阈值进行比较来确定维修标志。
在本文描述的实施例中，可以设想计算单元适用于例如按照预定的时间间隔重复确定热状态。在这方面，计算单元还可以被配置为将热状态的时间序列存储在存储器(例如，易失性存储器或非易失性存储器(诸如RAM、闪存、硬盘驱动器等))中。例如，热状态可以以诸如每十秒、每分钟、每十分钟等间隔确定，并作为时间序列数据存储在存储器中。可以设想将热状态的时间序列存储在适当大小的循环缓冲区中。例如，可以实时或基本实时地确定热状态。具有预定采样率的样本可以被发送到(云)计算机。
维修标志可以基于电力变压器的热状态和电力变压器的非热状态中的至少一者。电力变压器的非热状态可例如指来自压力传感器、温度传感器、用于测量变压器流体的水分含量的湿度传感器、和/或用于测量变压器流体的密度的传感器的测量结果。
电力变压器的非热状态可例如指变压器组件的加速度。传感器可以测量因风或地球运动(诸如，例如随地震发生的运动)引起的电气套管或变压器组件的加速度。
相关测量数据可以被采样并存储在存储器中，例如，在易失性或非易失性存储器(诸如RAM、闪存、硬盘驱动器等)中。例如，测量数据可以被以适当的间隔(例如每秒、每十秒、每分钟、每十分钟等)采样，并作为时序数据存储在存储器中。可以实时或基本实时地对数据进行采样。可以设想将测量数据存储在适当大小的循环缓冲区中。此外，可以设想使用有限数量的过去数据(例如与过去一小时、过去两小时、过去五小时等有关的所有数据或部分数据)来确定相应的预期环境条件。
本公开的实施例可以例如用于绝缘流体填充套管，尤其是充油套管(例如，矿物油填充的套管)。套管的额定值可设定成至少为0.5MV、或甚至至少为1.0MV、例如为1.2MV套管的电压。套管可以是交流或直流套管。
套管可以例如是变压器套管和/或壁套管。具体而言，套管可以适用于连接到变压器或墙壁，并且尤其适用于插入变压器壳体或墙壁的开口中。
可以基于对变压器组件或变压器所在位置或现场有效的天气预报来确定预测环境条件。例如，可以通过诸如互联网的数据网络从天气预报服务获取预测环境条件。作为一个示例，可以通过数据网络从天气预报服务获取预测环境温度。作为第二个示例，通过数据网络从天气预报服务获取太阳辐射的预测平均值。可以确定未来某一时间点的预测环境条件；同样，在未来时间间隔内可以确定预测环境条件作为时间序列数据或平均数据(例如，数据的算术平均值)。
可以评估预测环境条件、变压器的热状态、和非热状态中的至少一者，以确定变压器的状态。
根据一些可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，该方法可以包括基于控制信号和/或维修标志来维修电气套管。有利地，可以使用所述方法更早地检测到故障或发生故障的过程。通过在线监测流体填充绝缘体积中的流体的击穿电压，该组件可有利地更稳固。
根据可以与本文所述的其他实施例结合的一些实施例，该方法可以包括基于控制信号和/或维修标志来维修电气套管和/或变压器组件。
现在参考图3，图3示出了方法300的流程图。框302包括获取传感器数据。传感器数据可以描述电气套管中的流体的击穿电压。框304描述确定击穿标志。击穿标志可以描述传感器数据是否已超过电气套管中的流体的击穿电压的阈值。框306描述基于击穿标志发出控制信号。
本发明有利地消除了对电气套管和/或变压器组件进行现场监测的需要。可以对电气套管和/或变压器组件进行远程监测。
此外，本发明有利于减少昂贵的手动套管质量检查。因此，维护成本、套管意外故障的风险可以有利地降低。另一个优点是，可以在发生故障之前更换套管，从而可以防止关键或主要设备发生代价高昂的故障。
尽管前述内容针对本公开的各个方面和实施例，可以设计本公开的其他和进一步实施例，而不偏离其基本范围，并且其范围由以下权利要求确定。
Claims (14)
1.一种用于中压和高压的电气套管(100)，所述套管(100)包括：
流体填充绝缘体积；
传感器单元(110)，所述传感器单元与所述流体填充绝缘体积(210)中的流体接触，
其中，所述传感器单元(110)被配置成测量所述流体的击穿电压。
2.根据前述权利要求所述的电气套管(100)，其中，所述套管(100)具有顶部和底部，其中，所述底部适用于连接到变压器，并且尤其适用于插入变压器壳体的开口中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电气套管(100)，其中，所述传感器单元(110)安装在所述套管的侧面上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电气套管(100)，其中，所述传感器单元(110)安装在所述电气套管的底部，尤其是安装在用于插入变压器壳体的开口中的底部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电气套管(100)，其中，所述传感器单元(110)无线连接到控制器，以用于将测量到的击穿电压传送到所述控制器。
6.根据前述权利要求所述的电气套管(100)，其中，所述控制器通过网络接口连接到网络，所述网络接口用于将所述控制器连接到数据网络，其中，所述控制器能够操作地连接到所述网络接口，以用于以下各项中的至少一项：执行从所述数据网络接收的命令以及向所述数据网络发送所述电气套管(100)的状况信息；
其中，所述控制器可选地包括用于将测量到的击穿电压转换为数字信号的处理单元。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电气套管(100)，其中，所述传感器单元(110)还被配置成测量所述电气套管(100)中的压力、温度、所述流体中的水分含量的水分水平以及所述流体的密度中的至少一者。
8.一种用于中压和高压的变压器组件，所述组件包括：
变压器，所述变压器具有变压器壳体；以及
根据前述权利要求中任一项所述的电气套管(100)。
9.根据前述权利要求所述的变压器组件，其中，所述传感器单元(110)位于所述套管(100)的位于所述变压器壳体的开口内的部分上。
10.根据权利要求8或9所述的变压器组件，其中，所述套管(100)包括屏蔽结构，用于屏蔽所述传感器单元(110)的传感器免受所述变压器的电磁影响。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的变压器组件，其中，所述套管(100)包括密封件，所述密封件防止所述变压器中的变压器流体接触所述传感器单元(110)的传感器。
12.一种用于检测击穿标志的方法(300)，所述击穿标志指示发生故障的中压或高压套管，所述中压或高压套管具有流体填充绝缘体积(210)，所述方法包括：
通过所述套管(100)的传感器单元(110)获取传感器数据(302)，所述传感器单元(110)与所述流体填充绝缘体积(210)中的流体接触，所述传感器数据描述所述流体的击穿电压；
确定击穿标志(304)，所述击穿标志描述所述传感器数据是否已经超过所述电气套管中的流体的击穿电压的阈值；
基于所述击穿标志，发出控制信号(306)。
13.根据前述权利要求所述的方法(300)，所述方法(300)包括：
获取变压器数据，所述变压器数据描述所述变压器的状态；
基于所述变压器数据的所述状态和所述击穿标志，确定维修标志，所述维修标志描述所述变压器组件是否已超过维修阈值。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法(300)，其中，所述方法(300)包括基于所述控制信号和/或所述维修标志，维修所述套管(100)。
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