CN115113031A - 一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，包括局放电脉冲电流法测量模块，其特征在于，还包括臭氧监测模块和总控模块；局放电脉冲电流法测量模块包括测量电源、系统阻抗Z、测量阻抗Z_m、测量电容C_k、放大器A和测量器M，系统阻抗Z、试样电容C_x和测量阻抗Z_m相互串联，测量电容C_k并接于测量阻抗Z_m和试样电容C_x的两端，测量电源施加于系统阻抗Z及测量阻抗Z_m的两端，且在Z_m的一侧接地；放大器A连接于测量阻抗Z_m的两端，并与测量器M连接，测量器M向总控模块输出数据；臭氧监测模块包括设置于高压开关柜内的O₃传感器，O₃传感器将开关柜内O₃浓度信息实时向总控模块传输。本发明能够实现高压开关柜局放的可靠智能监控。

Description

一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种用于局放监控领域的高压开关柜绝缘故障在线监测装置。

背景技术

基础设施和能源消耗的快速增长导致了电力消耗的大幅增加和电力系统的扩张。为了保证电力系统的安全可靠运行，对其配套监测设备提出了更高的要求。电网需要大量高压开关设备才能运行，确保其安全是电网可靠运行的基础。高压开关柜相关事故的主要原因是绝缘故障。高压开关柜内部存在很多零散的部件，很多部件都是一些电线，经过长期的运行必然导致内部的线路或其它机械部件老化，松动，甚至会使柜子损坏，从而导致整个系统运行的不稳定。变电站一般来说其电压等级非常高，而开关柜作为进出线的中介其电流都非常大，所以如果不对其进行状态监测，可能会危害电力系统的运行。

在绝缘故障中，部分故障原因是由闪络引起的。高压电气设备的绝缘特性有严格要求，然而，由于生产工艺或材料限制，可能会引入杂质、尖峰和气泡间隙等绝缘体缺陷，使得高压产生的强电场不能在该绝缘子中均匀分布。因此，缺陷零件中的电场强度变得相对较强，导致局部放电(PD)。通常，单个PD不能击穿绝缘体。然而，随着PD数量的增加，绝缘特性降低，并可能导致更频繁的PD，最终导致绝缘子击穿。在此前提下，对高压开关柜局部放电进行在线监测，可以有效预测装置的绝缘特性，防止电力事故的发生，并对高压开关柜的故障进行预警。开发无人值守且可靠性高的智能化局放监测手段是技术人员的主要目标。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，它能够实现高压开关柜局放的可靠智能监控。

实现上述目的的一种技术方案是：一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，包括局放电脉冲电流法测量模块，还包括臭氧监测模块和总控模块；

局放电脉冲电流法测量模块包括测量电源、系统阻抗Z、测量阻抗Z_m、测量电容C_k、放大器A和测量器M，系统阻抗Z、试样电容C_x和测量阻抗Z_m相互串联，测量电容C_k并接于测量阻抗Z_m和试样电容C_x的两端，测量电源施加于系统阻抗Z及测量阻抗Z_m的两端，且在Z_m的一侧接地；放大器A连接于测量阻抗Z_m的两端，并与测量器M连接，测量器M向总控模块输出数据；

臭氧监测模块包括设置于高压开关柜内的O₃传感器，O₃传感器将开关柜内O₃浓度信息实时向总控模块传输。

进一步的，所述局放电脉冲电流法测量模块直接从从高压开关柜的点显示和相位测试孔或端口获取局部放电电压信号。

进一步的，总控模块包括微处理器、显示模块、存储模块、RS485通信模块、按键模块和电源模块。

与现有技术相比，本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置的有益效果如下：

1、传统的脉冲电流法基于开关柜两端电容器的电流脉冲，成本高，无法实现在线监测。本发明提出的方法使用配备高压开关柜带电显示器的电容传感器从带电显示器的三个芯相孔或端口采集三相局部放电电压信号，并使用电容分压原理提供高压开关柜的内部放电信息。

2、气体传感器用于测量开关柜的局部放电。O₃检测方法不受外部电磁环境和超声波信号的影响，对开关柜局部放电异常有明显的优势。

3、气电结合的方式不需要昂贵的传感器，可以有效降低在线监测设备的成本，便于推广使用。因此，及时检测高压开关柜的局部放电现象，保证供电系统的安全具有重要意义。本发明将高压开关柜局部放电在线监测装置投入运行。频谱图和界面显示表明，该装置性能良好，满足高压开关柜局部放电在线监测的需要。它在减少人力物力方面起着极其重要的作用，可以及时检测高压开关柜的绝缘劣化情况。

附图说明

图1为本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置的局放电脉冲电流法测量模块的电路结构图；

图2为本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置的局放电脉冲电流法测量模块的连接示意图；

图3模拟平板电容器示意图的单气隙局部放电等效图；

图4三电容等效电路的单气隙局部放电等效图；

图5为本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置的局部放电高速采集电路。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，分别通过局放电脉冲电流法测量模块和臭氧监测模块进行局放监控。对于局放电脉冲电流法测量模块，其基于电容分压原理，从现场显示器的三个铁芯相孔中采集三相局部放电电压信号，低频信号通过高通滤波电路滤除，采用高速模数转换(ADC)集成电路采集放电脉冲信号，绘制局部放电电压时域波形及其频谱图，判断高压合闸。为了提高判断的准确性，采用氧监测模块进行辅助监控，在高压开关柜中安装了一个气体传感器，用于采集局部放电产生的声学信号，并对其进行进一步处理，以获得声学频谱图。为了双重验证防止误判的要求，综合利用信号的波形和频谱来判断高压开关柜的局部放电。

1.局放电脉冲电流法测量模块

其采用脉冲电流法进行局放监控。当被测电容器发生局部放电时，电容器两端的电压瞬间下降。此时，耦合电容器两端的电压仍保持在PD之前的水平。因此，耦合电容器通过阻抗检测器向测试电容器放电，电路中的放电电流在检测阻抗上形成脉冲电压。通过ADC电路检测脉冲电压可以获得电荷。脉冲电流法使用PD频谱的更高频带，通常在数百kHz至数MHz的范围内，以避免无线电干扰，因此，该方法具有较高的灵敏度。可将已知脉冲引入测试电路进行校准，并将实际放电脉冲与校准脉冲进行比较，以获得放电量Q。

请参阅图1，为串联测量回路。局放电脉冲电流法测量模块包括测量电源、系统阻抗Z、测量阻抗Z_m、测量电容C_k、放大器A和测量器M，系统阻抗Z、试样电容C_x和测量阻抗Z_m相互串联，测量电容C_k并接于测量阻抗Z_m和试样电容C_x的两端，测量电源施加于系统阻抗Z及测量阻抗Z_m的两端，且在Z_m的一侧接地；放大器A连接于测量阻抗Z_m的两端，并与测量器M连接，测量器向总控模块输出数据。

样品上的PD脉冲通过C_k耦合到Z_m，并通过放大器A发送到测量仪器M。脉冲电流法的优点是，它可以通过IEC 602709规定的统一校准和检测过程定量测量局部放电，并准确获得局部放电的表观放电量。然而，操作设备不能自动执行IEC 60270中规定的校准操作，并且很难抵抗干扰，因此，脉冲电流法只能用于离线测试，如预防性测试和工厂测试。此外，该方法不能用于气体绝缘开关(GIS)设备的局部放电检测。本发明的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，直接从高压开关柜的点显示和相位测试孔或端口获取局部放电电压信号。高频电压信号直接从三相铁心相孔或端口1采集，判断高压开关柜是否发生局部放电。监测装置2中电容耦合法的连接方式和等效电路如图2所示。通过该技术，无需使用监测传感器即可获得高压开关设备的局部放电信息。整个监控装置经济高效，易于安装；因此，将其作为局部放电在线监测装置来实现是可行的。

2.臭氧监测模块

绝缘子气隙局部放电引起的电荷交换不可避免地反映在绝缘子表面。经典的三电容等效电路可以用来分析放电过程。图3显示了介质中有气隙的模拟扁平电容器。图4显示，C_c和R_c分别表示绝缘材料小气隙内的电容和电阻；R_b和C_b分别表示与气隙串联的电阻和电容。Ra和Ca代表除b以外的其他媒介。

PD持续时间短，因此，放电过程表现为高频脉冲信号。当信号响应于等效电路时，可以忽略电阻，只考虑电容。当交流电压施加到平板电容器的电极上时，电压被分为C_b和C_c，C_b和C_c随施加电压的变化而变化。在放电过程中，正负离子从气体中分离出来，并在外部电场的作用下迁移到气隙壁。这导致产生与外加电场方向相反的内部电压U_c。

假设放电导致C_a在ΔU_a上的电压变化，则气隙两端的电荷变量可表示为：

放电持续时间很短(约10ns)，因此，认为电源在放电期间的充电瞬态中不起作用。假设放电导致C_b上的电压变化为ΔU_b

从公式(1)和(2)中，我们得到了q_a的电荷量

f＝k×f_s/N (3)

放电能量W是气隙中PD释放的能量

W＝0.7q_au_i (4)

u_i是放电起始电压的有效值。

O₃传感器检测到的模拟信号通常转换为数字信号；因此，它们是离散的，非常适合应用离散傅立叶变换(DFT)。快速傅立叶变换(FFT)可以显著减少计算负担，从而大大减少数据占用的内存。长度为n点的序列x(n)的DFT为

其中

如果连续信号f_s≥2×f_c的带宽有限，则频谱的最高频率为f_c，对于X采样，如果保证采样频率f_s≥2×f_c，则可以避免采样信号的混叠。

频率分辨率：F＝f_s/N是采样频率。F是0到f_s之间的采样间隔，通常称为频率分辨率，表示使用FFT分析频谱时可以解析的最小频率间隔。如果N表示采样数，那么FFT后形成的信号为：

X(k)＝|X(k)|e^jarg[X(k)] (6)

由此，通过对臭氧的浓度检测形成对局放的监测。

请参阅图5高压开关柜局部放电监测装置通过现场可编程门阵列(FPGA)采集信号。处理后，数据显示在液晶显示器(LCD)屏幕上。同时，可以将数据上传到后台监控中心进行实时监控和数据查询。主电路包括三个高速信号采集电路：FPGA、STM32微处理器、显示模块、micro SanDisk(TF)卡存储模块、RS485通信模块、按键模块和电源模块。

电压信号从高压开关设备的实时显示传感器耦合后，高频PD脉冲电压较小，工频交流电压在50至200V之间。由于高速ADC输入电压范围的限制，使用带通为100kHz至100MHz的网络变压器过滤掉低频工频电压，从而保持高频PD脉冲电压。PD脉冲频率介于数百kHz和数MHz之间。根据奈奎斯特采样定理，选择了采集速率为50MHz的高速ADC以满足要求。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，包括局放电脉冲电流法测量模块，其特征在于，还包括臭氧监测模块和总控模块；

局放电脉冲电流法测量模块包括测量电源、系统阻抗Z、测量阻抗Z_m、测量电容C_k、放大器A和测量器M，系统阻抗Z、试样电容C_x和测量阻抗Z_m相互串联，测量电容C_k并接于测量阻抗Z_m和试样电容C_x的两端，测量电源施加于系统阻抗Z及测量阻抗Z_m的两端，且在Z_m的一侧接地；放大器A连接于测量阻抗Z_m的两端，并与测量器M连接，测量器M向总控模块输出数据；

臭氧监测模块包括设置于高压开关柜内的O₃传感器，O₃传感器将开关柜内O₃浓度信息实时向总控模块传输。

2.根据权利要求1所述的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，其特征在于，所述局放电脉冲电流法测量模块直接从从高压开关柜的点显示和相位测试孔或端口获取局部放电电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种高压开关柜绝缘故障在线监测装置，其特征在于，总控模块包括微处理器、显示模块、存储模块、RS485通信模块、按键模块和电源模块。

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