CN203275574U - 用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，其技术特点是：包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，所述的可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，在该氧传感器回路上串联一电流运放单元用于采集氧传感器输出的放电电流I_f，该可调恒压源的控制端与外部控制信号相连接。本实用新型设计合理，其能够自动检测开关柜局放电过程中氧气浓度的变化并将变化信息转化为放电电流，并通过外部监控设备对放电电流进行进行分析得出有无放电、放电是否严重以及放电点离传感器的距离等结果，避免了电磁波或超声波存在的抗干扰能力差等问题，具有抗干扰能力强、快速准确、性能稳定等特点。

Description

用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器

技术领域

本实用新型属于高压开关柜技术领域，尤其是一种用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器。

背景技术

开关柜是电力系统的重要组成设备，开关柜能否安全运行直接影响着电网的供电可靠性。开关柜会有局部放电现象产生，局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿，开关柜内局部放电会导致其内部组织绝缘恶化，最终导致绝缘系统崩坏以致开关柜无法正常运行。局部放电通常通过以下形式来释放能量：（1）电磁形式、（2）声波形式、（3）气体形式。目前，开关柜局放检测装置主要采用了地电波（TEV）、超高频电磁波（UHF）以及超声波（AE）等几种检测方法，其原理都是采用体外接收装置检测电磁波或超声波的存在来判断开关柜内部是否有局部放电。上述技术方法不仅需要耗费大量人力物力，另外还存在许多局限性，譬如超高频电磁波抗干扰能力较差，超声波检测频带范围有限等。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、抗干扰能力强的用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，所述的可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，在该氧传感器回路上串联一电流运放单元用于采集氧传感器输出的放电电流I_f，该可调恒压源的控制端与外部控制信号相连接。

而且，所述的可充电锌空气电池采用活性炭作为正极活性物质，采用锌材料作为负极物质，以氯化铵或苛性碱溶液作为电解质。

而且，所述的外部控制信号为控制电流信号。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型设计合理，其能够自动检测开关柜局放电过程中氧气浓度的变化并将变化信息转化为放电电流，并通过外部监控设备对放电电流进行进行分析得出有无放电、放电是否严重以及放电点离传感器的距离等结果，避免了电磁波或超声波存在的抗干扰能力差等问题，具有抗干扰能力强、快速准确、性能稳定等特点。

附图说明

图1为本实用新型的电路方框图；

图2为本实用新型的应用系统连接示意图；

图3为恒压源的自动调节方式的处理示意图；

图4为恒压源的人工调节方式的处理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步详述。

一种用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，如图1所示，包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，该氧传感器回路的输出电流由电流运放单元采集，可调恒压源的控制端与DSP控制器输出的控制电流I_C并通过D/A转换单元相连接。可充电锌空气电池以氧气为原料，其输出端电压U_b大小与空气氧气浓度成正比，在通常氧气浓度下，U_b近似等于1.5V。可调恒压源输出端电压为U_n，在开关柜正常运行情况下，调节恒压源输出使得U_n＝U_b，则此时电路无电流流过，I_f＝0。假如运行一段时间内开关柜内部发生局部放电现象，柜内将生成臭氧与二氧化氮气体，由于开关柜是近似密封的，且化学反应消耗了一定的氧气，则柜内氧气的浓度必然下降，氧传感器将感应到这一变化。首当其冲空气电池输出端电压U_b随着氧气浓度下降而下降，而恒压源电压为U_n不变，假设警报灯的电阻为R_f，则回路电流I_f＝(U_n-U_b)/R_f，不再为零。I_f作为反应氧浓度变化的电信号，可称之为放电电流。当I_f达到一定阀值后，警报灯会发亮提醒现场运行人员开关柜内异常。

电化学氧传感器安装开关柜内并与电流运放单元、A/D转换单元、D/A转换单元、DSP处理器、通信单元以及终端监控机构成开关柜局部放电实时监测系统，如图2所示。该氧传感器与电流运放单元相连用于感应开关柜内氧气浓度的变化并将浓度变化信号转化为放电电流I_f输出给电流运放单元；所述的电流运放单元能够将小放电电流I_f放大为放电电压U_f，由于U_f为模拟量，因此，该电流运放单元的输出端需要通过A/D转换单元与DSP处理器相连，A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号后传输给DSP处理器；所述的DSP处理器通过自身的I/O单元将该数字信号采集进来，并进行数学运算，求得一段时间内的U_f及K_f曲线（U_f为放电电压，K_f为放电电压斜率），同时，该DSP处理器可以输出控制电流I_c，因此，DSP处理器包括两个输出端：一输出端输出放电电压U_f和放电电压斜率K_f经过通信单元与终端监控机相连接，另一输出端输出控制电流I_C经过D/A转换单元与氧传感器中的可调恒压源相连用于调节氧传感器模块中的恒压源大小。终端监控机通过U_f及K_f曲线判断是否存在放电以及故障点的距离，然后将分析后得到的结果显示在监控平台供运行人员查看。

本氧传感器共有三种工作模式：运行模式、调试模式及充电模式：（1）运行模式下，空气电池电压U_n等于恒压源两端电压U_b，互感器可随时感应到氧气浓度变化。设备大部分时间处于这种正常工作状态下。（2）调试模式是指氧传感器刚投入运行，或投入时间较长需重新校准时，通过DSP处理器自动调节恒压源电压U_b大小使得传感器自身满足正常运行的条件，即U_n＝U_b。调节方法如图3所示，U_n不等于U_b时，产生放电电压U_f，DSP处理器采集到U_f作为负反馈输入，输出控制电流I_C来调节恒压源电压U_n大小，直至U_n＝U_b，反馈源U_f消失。（3）充电模式是指氧传感器工作时间较长，锌空气电池负极锌消耗过度，电池两端电压降低时，为了延长电池寿命保证传感器正常工作，采用恒压源对电池进行充电的一种模式。

氧传感器中的可充电锌空气电池为一种新兴的空气电池，其工作原理与普通电池近似，所不同的是锌空气电池采用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质。其化学反应方程如下：

负极：Zn+2OH^ˉ=ZnO+H₂O+2e^ˉ

正极：0.5O₂+H₂O+2e^ˉ=2OH^ˉ

总反应：2Zn+O₂=2ZnO

锌空气电池阳极端为活性炭，并在可导电金属外表留有毛细微孔，方便氧气流入电极。而空气中氧气的浓度决定了电池两端电压的大小，在正常情况下电池的输出电压约为1.5V。

氧传感器中的可调恒压源的作用有以下两个：（1）与锌空气电池两端产生电势差，产生放电电流。正常工作状态下，恒压源输出设为U_n≈1.5V，此时与锌空气电池两端电势差相等，传感器中无电流流过，若此时氧气浓度突然降低，则锌空气电池输出电压降低，而恒压源两端电压不变，则回路中存在电势差，产生信号电流。（2）在检修状态下，可作为电源给锌空气电池充电，延长该传感装置使用寿命。可调恒压源通过D/A转换器与DSP处理器相连，终端监控机下达指令给DSP处理器，通过DSP处理器给出控制信号来调节恒压源输出电压U_n，使其输出电压略高于1.5V，这样恒压源便可对锌空气电池进行充电。

可调恒压源还可以采用如图4所示的人工调节方式，该调节方式为交互式调节，首先用户通过终端机输入理想值，DPS处理器接收到该值并输出相应的控制电流至恒压源，最终恒压源两端输出用户需要的理想值。该调节方式主要作用于氧传感器的充电模式，目的在于给恒压源设置一个合适的充电电压，防止电池充电过程中被烧毁。

氧传感器中的中的警示灯一方面在回路流过电流时产生报警信号，一方面作为电阻抑制回路过电流。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，其特征在于：包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，所述的可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，在该氧传感器回路上串联一电流运放单元用于采集氧传感器输出的放电电流I_f，该可调恒压源的控制端与外部控制信号相连接。

2.根据权利要求1所述的用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，其特征在于：所述的可充电锌空气电池采用活性炭作为正极活性物质，采用锌材料作为负极物质，以氯化铵或苛性碱溶液作为电解质。

3.根据权利要求1所述的用于开关柜局部放电实时监测的电化学氧传感器，其特征在于：所述的外部控制信号为控制电流信号。

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