CN205982509U - 干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，涉及干式空心并联电抗器匝间短路在线监测技术。为了解决干式空心电抗器匝间短路会引发事故的问题。三个一号电流互感器分别用于对三相电流信号进行分流，三个电阻分压器分别用于对三相电压信号进行分压，三个一号电流互感器和三个电阻分压器的输出端均通过信号调理电路依次连接A/D转换器、单片机系统、光耦隔离器、一号光纤转换器、二号光纤转换器和上位机。本实用新型适用于在线监测干式空心并联电抗器。
Description
技术领域
本实用新型涉及干式空心并联电抗器匝间短路在线监测技术。
背景技术
电抗器在电力系统中起到提供无功功率补偿，提高电能输送质量，减少线路损耗，限制系统的工频过电压和操作过电压等作用。与传统的铁心电抗器相比，干式空心电抗器具有结构简单、重量轻、体积小、线性好、损耗低、维护方便等优点，在电力系统中的运用日益广泛。然而，自干式空心电抗器投入运行以来，出现了多起烧毁事故。大量解剖分析结果表明，多数干式空心电抗器烧毁事故是由匝间短路故障引起的。匝间一旦短路，短路匝形成巨大的环流造成温度迅速升高，不及时切出会造成着火燃烧。目前电力系统中对干式空心并联电抗器保护主要是过电流保护。但是在电抗器发生匝间短路故障初期时，由于短路电流变化过小，达不到过电流保护1.5～2倍额定电流的整定值，因此过电流保护不能够被启动，一般造成电抗器两端短路或发生相对地短路后才能动作，便造成电抗器严重烧毁，甚至发生着火燃烧。
实用新型内容
本实用新型是为了解决干式空心电抗器匝间短路会引发事故的问题，从而提供干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统。
本实用新型所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，包括三个一号电流互感器、三个电阻分压器、三个电流信号调理电路、三个电压信号调理电路、A/D转换器、单片机系统、存储器、光耦隔离器、一号光纤转换器、二号光纤转换器和上位机；
三个一号电流互感器与三个电流信号调理电路相应，三个电阻分压器与三个电压信号调理电路相应；
三个一号电流互感器分别用于对三相电流信号进行分流，三个一号电流互感器的输出端均与相应的电流信号调理电路的输入端相连；
三个电阻分压器分别用于对三相电压信号进行分压，三个电阻分压器的输出端均与相应的电压信号调理电路的输入端相连；
三个电流信号调理电路的输出端和三个电压信号调理电路的输出端分别与A/D转换器的六个电信号输入端相连；
A/D转换器的输出端与单片机系统的检测信号输入端相连，单片机系统的控制信号输出端与A/D转换器的控制信号输入端相连；
存储器用于对单片机系统输出的检测信号进行暂存；
单片机系统的阻抗信号输出端与光耦隔离器的输入端相连；
光耦隔离器的输出端与一号光纤转换器的输入端相连；
一号光纤转换器的输出端与二号光纤转换器的输入端相连；
二号光纤转换器的输出端与上位机的输入端相连；
一号光纤转换器与二号光纤转换器采用光纤通信。
优选的是，三个电流信号调理电路的结构相同，电流信号调理电路包括一号二极管、二号二极管、一号运算放大器、一号电阻和一号电容；
一号二极管和二号二极管并联反接，组成并联支路一，该并联支路一的一端与相应的一号电流互感器的一端相连并接地，该并联支路一的另一端与相应的一号电流互感器的另一端、一号运算放大器的反向输入端相连，一号运算放大器的同向输入端接地，一号电阻和一号电容并联，组成并联支路二，该并联支路二的一端与一号运算放大器的反向输入端相连，该并联支路二的另一端与一号运算放大器的输出端相连，并联支路二与一号运算放大器的公共端作为电流信号调理电路的输出端。
优选的是，三个电阻分压器的结构相同，电阻分压器包括二号电阻、三号电阻和双向瞬态抑制二极管；
二号电阻的一端作为电阻分压器的输入端，二号电阻的另一端与三号电阻的一端、双向瞬态抑制二极管的一端相连并作为电阻分压器的输出端，三号电阻的另一端与双向瞬态抑制二极管的另一端相连并接地。
优选的是，三个电压信号调理电路的结构相同，电压信号调理电路包括二号运算放大器、四号电阻、三号运算放大器、五号电阻和二号电容；
二号运算放大器的同向输入端作为电压信号调理电路的输入端，二号运算放大器的反向输入端与二号运算放大器的输出端、四号电阻的一端相连，四号电阻的另一端与三号运算放大器的反向输入端相连，三号运算放大器的同向输入端接地，五号电阻和二号电容并联，该并联支路的一端与四号电阻和三号运算放大器的公共端相连，该并联支路的另一端与三号运算放大器的输出端相连，所述并联支路与三号运算放大器的公共端作为三个电压信号调理电路的输出端。
优选的是，A/D转换器的型号为ADS7864。
优选的是，所述单片机系统采用89C55单片机实现。
优选的是，在线监测系统还包括74HC573锁存器，A/D转换器的输出端与74HC573锁存器的输入端相连，74HC573锁存器的输出端与单片机系统的电信号输入端相连。
优选的是，双向瞬态抑制二极管的型号为P6KE20CA。
优选的是，一号电流互感器的型号为HCT204ATN。
优选的是，一号运算放大器的型号为OP177。
优选的是，二号运算放大器和三号运算放大器4-5的型号均为OP177。
理论分析表明，干式空心并联电抗器发生匝间短路故障初期，其等值电阻的变化量更为明显。本实用新型基于阻抗变化量，设计了一种干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统。本实用新型有益的效果：在不改变电力系统配置条件下监测电抗器，能够有效识别阻抗变化量，准确判断电抗器匝间短路故障是否发生，不会对系统的安全运行产生影响，强电转换成弱电的过程中，通过隔离技术的应用，抑制了噪声的干扰，以光纤通信的方式，增强了系统的抗干扰能力，提高了在线监测系统的准确度。
本实用新型适用于在线监测干式空心并联电抗器。
附图说明
图1是具体实施方式一中的信号提取原理框图；
图2是具体实施方式一所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统的结构示意图；
图3是具体实施方式一中的电流信号调理电路的结构示意图；
图4是具体实施方式一中的电压信号调理电路的结构示意图；
图5是具体实施方式一中的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统的界面图。
具体实施方式
实施例一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，包括三个一号电流互感器1、三个电阻分压器2、三个电流信号调理电路3、三个电压信号调理电路4、A/D转换器5、单片机系统6、存储器7、光耦隔离器8、一号光纤转换器9、二号光纤转换器10和上位机11；
三个一号电流互感器1与三个电流信号调理电路3相应，三个电阻分压器2与三个电压信号调理电路4相应；
三个一号电流互感器1分别用于对三相电流信号进行分流，三个一号电流互感器1的输出端均与相应的电流信号调理电路3的输入端相连；
三个电阻分压器2分别用于对三相电压信号进行分压，三个电阻分压器2的输出端均与相应的电压信号调理电路4的输入端相连；
三个电流信号调理电路3的输出端和三个电压信号调理电路4的输出端分别与A/D转换器5的六个电信号输入端相连；
A/D转换器5的输出端与单片机系统6的电信号输入端相连，单片机系统6的控制信号输出端与A/D转换器5的控制信号输入端相连；
单片机系统6的数据信号输出端与存储器7的数据信号输入端相连，存储器7的数据信号输出端与单片机系统6的数据信号输入端相连；
单片机系统6的电信号输出端与光耦隔离器8的输入端相连；
光耦隔离器8的输出端与一号光纤转换器9的输入端相连；
一号光纤转换器9的输出端与二号光纤转换器10的输入端相连；
二号光纤转换器10的输出端与上位机11的输入端相连；
一号光纤转换器9与二号光纤转换器10采用光纤通信。
干式空心并联电抗器15为单相电抗器，三相为1组，采用Y形连接，每组电抗器均配有SF6断路器12和二号电流互感器(CT)13，母线上配有电压互感器(PT)14，所以可以提取CT和PT的信号，从而获得电抗器的电压信号与电流信号，信号提取原理如图1所示。然而获取的信号不能直接满足测量系统的要求，需要进行处理。电流信号经精密的一号电流互感器二次分流，电压信号经电阻分压器二次分压，然后接入信号调理电路进行滤波、放大，调理后的信号经A/D转换器进行同步数据采集得到数字信号，以89C55单片机作为核心控制A/D转换器进行数据采集，将采集数据放入存储器里，读取存储器的数据，利用谐波分析法对数据进行运算，最后将运算所得结果R与X通过光纤通信的方式上传至上位机进行显示、存储等处理。干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统的结构如图2所示。
本实施方式中，二次分流选用的一号电流互感器1的型号为HCT204ATN，其精密等级为0.1％。运算放大器选用的型号为OP177高精度、低噪声、超低失调电压精密运算放大器，设计了电流信号调理电路如图3所示。图中，D1，D2是两个并联反接二极管，其作用是保护一号运算放大器3-2。一号电容是滤波电容，采用RC一阶滤波的方式滤除高次谐波的干扰。三相电流与电压信号所用运算放大器及滤波电路所用器件均一致，以减小角度误差。
二次分压是通过二号电阻2-1、三号电阻2-2组成的电阻分压器得到满足测量条件的电压信号，被测电压信号先经过二号运算放大器4-1后，再将电压信号进行滤波、放大。这样设计的目的是，增大了输入阻抗，提高了电路的负载能力。电压信号调理电路如图4所示。图中，二号电容是滤波电容，D3是型号为P6KE20CA的双向瞬态抑制二极管，目的是抑制过电压。二次分压采用电阻分压器，不会带来角度的误差的影响，而电压互感器会引起角度的误差。
A/D转换器5的型号为ADS7864，是一款高精度、高采样频率、低功耗的信号采集芯片，分辨率为12位。可实现6个通道同时采样与保存，每个通道转换时间是2μs。单片机系统6采用89C55单片机实现。利用89C55单片机控制A/D转换器进行数据采集，实现了电压与电流的信号数字化。由于A/D转换器输出的是12位数字信号，而单片机每次最多只能读出8位数据，所以需在单片机系统6与A/D转换器之间加入一片74HC573锁存器，将输出的数字信号分两次读出。
以RS-232作为数据通信协议，将单片机采集、计算的数据由光耦隔离器传送至一号光纤转换器。由于RS-232协议使用差分电平传输数据，该电平和TTL电平和逻辑都不兼容，所以使用MAX232芯片进行转换。RS-232通信传输的距离比较短，最大传输距离才能达到15米，因此，通过光纤通信的方式，使用型号为TCF-142的一号光纤转换器将电信号转换为光信号进行传输。采用光纤通信的方式不仅增大了传输距离，而且提高传输速度。
本实施方式基于现有的谐波分析方法，通过单片机系统计算阻抗变化量。设被测干式空心并联电抗器的电压U(t)、电流信号I(t)分别为：
其中，n和k均为正整数，f0为基波频率,Auk和Aik分别为k次谐波的电压幅值和电流幅值，auk和aik分别为k次谐波分量的电压信号实部和电流信号实部，buk和bik分别为k次谐波分量的电压信号虚部和电流信号虚部，φuk和φik分别为k次谐波的电压信号初相位和电流信号初相位，T为一个周期，在整个基波周期内，
则基波电压信号和基波电流信号的幅值Um、Im和初相位φu1、φi1分别为：
tanφu1＝bu1/au1 tanφi1＝bi1/ai1
由解得干式空心并联电抗器的等值电阻及等值电抗分别为：
其中Z为干式空心并联电抗器的阻抗值，U为电压信号有效值，I为电流信号有效值，只要计算出离散后U(t)及I(t)的基波的实部和虚部，那么就可以得到基波的R与X的值。
单片机系统计算得到R与X的值后，经光耦隔离器，通过一号光纤转换器，将电信号转换成为光信号，最终以光纤通信的方式把数据传送至上位机。上位机程序选用VisualStudio为开发环境，MFC为开发工具对上位机程序界面程序进行了编写，干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统界面如附图5所示。上位机采用了模块化思想，包括连接、初始化、故障监测、电阻监测值、电阻变化量、电抗监测值和电抗变化量等部分，分别实现了串口通信的连接、电抗器理论计算的阻抗值的写入、报警阀值和报警次数的设定，对运行电抗器的监测值及阻抗变化量的显示，以及监测数据的存储等功能。
Claims (10)
1.干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，包括三个一号电流互感器(1)、三个电阻分压器(2)、三个电流信号调理电路(3)、三个电压信号调理电路(4)、A/D转换器(5)、单片机系统(6)、存储器(7)、光耦隔离器(8)、一号光纤转换器(9)、二号光纤转换器(10)和上位机(11)；
三个一号电流互感器(1)与三个电流信号调理电路(3)相应，三个电阻分压器(2)与三个电压信号调理电路(4)相应；
三个一号电流互感器(1)分别用于对三相电流信号进行分流，三个一号电流互感器(1)的输出端均与相应的电流信号调理电路(3)的输入端相连；
三个电阻分压器(2)分别用于对三相电压信号进行分压，三个电阻分压器(2)的输出端均与相应的电压信号调理电路(4)的输入端相连；
三个电流信号调理电路(3)的输出端和三个电压信号调理电路(4)的输出端分别与A/D转换器(5)的六个电信号输入端相连；
A/D转换器(5)的输出端与单片机系统(6)的检测信号输入端相连，单片机系统(6)的控制信号输出端与A/D转换器(5)的控制信号输入端相连；
存储器(7)用于对单片机系统(6)输出的检测信号进行暂存；
单片机系统(6)的阻抗信号输出端与光耦隔离器(8)的输入端相连；
光耦隔离器(8)的输出端与一号光纤转换器(9)的输入端相连；
一号光纤转换器(9)的输出端与二号光纤转换器(10)的输入端相连；
二号光纤转换器(10)的输出端与上位机(11)的输入端相连；
一号光纤转换器(9)与二号光纤转换器(10)采用光纤通信。
2.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，三个电流信号调理电路(3)的结构相同，电流信号调理电路(3)包括一号二极管(D1)、二号二极管(D2)、一号运算放大器(3-2)、一号电阻(3-3)和一号电容(3-1)；
一号二极管(D1)和二号二极管(D2)并联反接，组成并联支路一，该并联支路一的一端与相应的一号电流互感器(1)的一端相连并接地，该并联支路一的另一端与相应的一号电流互感器(1)的另一端、一号运算放大器(3-2)的反向输入端相连，一号运算放大器(3-2)的同向输入端接地，一号电阻(3-3)和一号电容(3-1)并联，组成并联支路二，该并联支路二的一端与一号运算放大器(3-2)的反向输入端相连，该并联支路二的另一端与一号运算放大器(3-2)的输出端相连，并联支路二与一号运算放大器(3-2)的公共端作为电流信号调理电路(3)的输出端。
3.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，三个电阻分压器(2)的结构相同，电阻分压器(2)包括二号电阻(2-1)、三号电阻(2-2)和双向瞬态抑制二极管(D3)；
二号电阻(2-1)的一端作为电阻分压器(2)的输入端，二号电阻(2-1)的另一端与三号电阻(2-2)的一端、双向瞬态抑制二极管(D3)的一端相连并作为电阻分压器(2)的输出端，三号电阻(2-2)的另一端与双向瞬态抑制二极管(D3)的另一端相连并接地。
4.根据权利要求3所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，三个电压信号调理电路(4)的结构相同，电压信号调理电路(4)包括二号运算放大器(4-1)、四号电阻(4-2)、三号运算放大器(4-3)、五号电阻(4-4)和二号电容(4-5)；
二号运算放大器(4-1)的同向输入端作为电压信号调理电路(4)的输入端，二号运算放大器(4-1)的反向输入端与二号运算放大器(4-1)的输出端、四号电阻(4-2)的一端相连，四号电阻(4-2)的另一端与三号运算放大器(4-3)的反向输入端相连，三号运算放大器(4-3)的同向输入端接地，五号电阻(4-4)和二号电容(4-5)并联，该并联支路的一端与四号电阻(4-2)和三号运算放大器(4-3)的公共端相连，该并联支路的另一端与三号运算放大器(4-3)的输出端相连，所述并联支路与三号运算放大器(4-3)的公共端作为三个电压信号调理电路(4)的输出端。
5.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，A/D转换器(5)的型号为ADS7864。
6.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，所述单片机系统(6)采用89C55单片机实现。
7.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，在线监测系统还包括74HC573锁存器，A/D转换器(5)的输出端与74HC573锁存器的输入端相连，74HC573锁存器的输出端与单片机系统(6)的电信号输入端相连。
8.根据权利要求1所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，一号电流互感器(1)的型号为HCT204ATN。
9.根据权利要求2所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，一号运算放大器(3-2)的型号为OP177。
10.根据权利要求4所述的干式空心并联电抗器匝间短路在线监测系统，其特征在于，二号运算放大器(4-1)和三号运算放大器(4-3)的型号均为OP177。
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