CN207730888U - 一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，可实现对风力发电机介质损耗、局部放电、绝缘电阻、脉冲波形四种绝缘参数的现场检测，判断被测风力发电机的绝缘状态，其包括电源模块、信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡与笔记本电脑；电源模块提供高压试验电源，可输出交流高压、直流高压与脉冲高压，电源模块电压输出端分别与相对应的绝缘参数信号提取模块相连接；信号提取模块输出端与信号调理模块输入端相连；信号调理模块输出端与数据采集卡输入端相连；数据采集卡通过数据传输线与笔记本电脑相连；本实用新型具有一体化程度高，便携性好，精度高，计算能力强，数据存储方便，拓展性强、可人机交互的优点。

Description

一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置

技术领域

本实用新型属于绝缘状态检测技术领域，尤其涉及一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，适用于对风力发电机绝缘参数进行现场检测试验。

背景技术

风力发电在我国能源产业中占有愈发重要的地位，风力发电机作为风能转化为电能的关键部件，保证其高可靠性具有深远的意义。风力发电机高额的运行维护成本影响了风场的经济效益。风场一般地处偏远、环境恶劣，并且机舱位于50～80m以上的高空，给机组的维护维修工作造成了困难，增加了机组的运行维护成本。发电机绕组绝缘系统引起的故障是造成发电机的损坏和停运的主要原因之一，因此有人称绝缘系统是风力发电机的“心脏”，其寿命直接影响整机的运行。因此，在风力发电机制造和运行过程中，尽早发现其绝缘系统中的隐患和缺陷，及时进行更换和维修是保证风力发电机运行安全和可靠的最有效手段。因此，对风力发电机进行绝缘参数检测试验是十分有必要的。

对风力发电机进行绝缘参数现场测量试验时，由于是在野外工作，需要将检测设备运到风塔上，现有做法一般只能是分别采用独立的检测仪器分别检测不同的绝缘参数，这样导致检测设备总体体积大、重量沉，同时接线换线复杂，导致检测试验时间长、效率低，给风力发电机点的绝缘参数现场检测试验带来诸多的不便。

为了方便风力发电机绝缘参数现场检测试验，希望有一种具有专门的绝缘状态一体化检测装置，利用风力发电机上的低压供电电源，通过转化实现测量所需的高压交、直流和脉冲试验电压，其中局放放电检测试验对试验电源本身局放量要求较高，同时电源之间能按照需要能相互切换；利用不同的信号提取元件分别实现对风力发电机介质损耗、局部放电、绝缘电阻与脉冲波形的进行检测，同时要求检测装置能便携，体积尽可能小，重量尽可能轻，接线简单，操作尽可能少。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，可实现对风力发电机介质损耗、局部放电、绝缘电阻、脉冲波形四种绝缘参数的现场检测，判断被测风力发电机的绝缘状态，具有一体化程度高，便携性好，精度高，计算能力强，数据存储方便，拓展性强、可人机交互的优点。

一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，包括电源模块、信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡与笔记本电脑；电源模块提供检测所需的高压试验电源，不同电压输出端分别与相对应的信号提取模块相连接；信号提取模块输出端与对应的信号调理模块输入端相连；信号调理模块输出端与数据采集卡模拟信号输入通道相连；数据采集卡输出端通过数据传输线与笔记本电脑相连。

所述电源模块包括交流电源模块、直流电源模块、脉冲电源模块和检测切换模块；所述信号提取模块包括介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、绝缘电阻信号提取模块和脉冲波形信号提取模块，信号提取模块输出端分别与各自信号调理模块输入端相连；所述信号调理模块包括介质损耗信号调理模块、局部放电信号调理模块、绝缘电阻信号调理模块和脉冲波形信号调理模块。

所述交流电源模块包括安全保护电路、隔离变压器、自耦调压器、低压侧滤波器，升压变压器和高压侧滤波器；其中：安全保护电路输入为220V工频交流电，输出接隔离变压器原边，隔离变压器副边接自耦调压器的原边，自耦调压器的副边并联低压侧滤波器，低压侧滤波器的输出接升压变压器原边，升压变压器的副边并联高压侧滤波器；交流电源模块有三个高压输出端，一个输出端接介质损耗信号提取模块，一个输出端接局部放电信号提取模块，一个输出端接直流电源模块输入端。

所述直流电源模块包括全波整流桥、高压直流滤波电容和保护电阻，全波整理桥输入端为交流电源模块输出端。直流电源有两个输出端，一个输出端接绝缘电阻信号提取模块，另一输出端接脉冲电源模块输入端。

所述脉冲电源模块包括充电电阻、储能电容、可控硅模块、波前电阻和调谐电容；充电电阻一端接直流电源模块全波整流桥输出端，另一端接储能电容，储能电容输出端接可控硅模块，可控硅模块与波前电阻串联，波前电阻接调谐电容；脉冲电源有一个输出端，接脉冲波形信号提取模块。

所述检测切换单元包括按钮开关、PLC和高压继电器。

所述PLC为三菱fx1s-30MR-001，16个输入端口，14个继电器类型输出端口。

所述高压继电器为20kV高压干簧继电器。

所述介质损耗信号提取模块包括分压器与电流互感器；分压器采用阻容分压器，分压比为1000：1，比例精度小于0.5％，额定工作电压为10kV；电流互感器采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2。

所述局部放电信号提取模块由耦合电容器与检测阻抗组成；耦合电容器为OWF型无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定工作电压5kV；检测阻抗为LCR型检测阻抗，检测范围为25～400nF。

所述绝缘电阻信号提取模块由电压检测模块与电流检测模块组成。电压检测同样由介质损耗信号提取模块中阻容分压器实现；电流检测通过反馈电阻将流过被测风力发电机的直流电流信号转换为电压信号来实现对电流信号的提取。

所述脉冲波形信号提取模块由电压波形检测模块与电流波形检测模块组成。电压检测同样由介质损耗信号提取模块中阻容分压器实现；电流波形检测模块采用高频电流互感器Pearson 101。

所述数据采集卡的采样率应大于其所采集局部放电信号与脉冲信号带宽的两倍以上，同时为了便于与笔记本电脑相连，要求为数据采集卡信号传输形式为USB型，数据采集卡采用凌华USB-1210与凌华USB-1901。

本实用新型有益效果有：

该一体化检测装置可以实现利用风力发电机机舱内的工频交流电源，通过转化实现测量所需的高压交流、直流和脉冲试验电压，不需要额外的试验电源装置。

该一体化检测装置可以实现对风力发电机介质损耗、局部放电、绝缘电阻、脉冲波形四种绝缘参数的测量试验，一体化程度高，不需要频繁更换检测仪器与复杂的接线、换线操作，测试步骤简单，便于风力发电机绝缘状态现场检测试验的实施。

附图说明

图1为本实用新型整体结构框图。

图2为本实用新型介质损耗检测电流互感器工作原理。

图3为本实用新型局部放电检测原理图。

图4为本实用新型绝缘电阻检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置结构框图如图1所示，包括电源模块、信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡与笔记本电脑。电源模块包括交流电源模块、直流电源模块、脉冲电源模块、检测切换单元，电源模块不同电压输出端分别与相对应的信号提取模块相连接，其中交流电源模块与介质损耗信号提取和局部放电信号提取模块相连，直流电源模块与绝缘电阻信号提取模块相连，脉冲电源模块与脉冲波形信号提取模块相连；信号提取模块输出端与相对应的信号调理模块输入端相连；信号调理模块输出端与数据采集卡模拟信号输入通道相连；数据采集卡输出端通过数据线与笔记本电脑相连。

交流电源模块包括安全保护电路，隔离变压器，自耦调压器，低压侧滤波器，升压变压器和高压侧滤波器；其中：安全保护电路输入为220V工频交流电，输出接隔离变压器原边，隔离变压器副边接自耦调压器的原边，自耦调压器的副边并联低压侧滤波器，低压侧滤波器的输出接升压变压器原边，升压变压器的副边并联高压侧滤波器。交流电源模块将电网220V工频交流电经隔离、调压、滤波、升压再滤波得到高压交流。

交流电源模块中升压变压器采用充气式无局放试验变压器，在额定电压下局放量≤5pC，具有体积小，重量轻，输出交流高压局放量小的特点。由于交流电源严格控制其本身局放量，因此交流电源对局放放电检测试验误差影响较小。

所述直流电源模块包括全波整流桥、高压直流滤波电容和保护电阻，全波整理桥输入端为交流电源模块输出端，直流电源有两个输出端，一个输出端接绝缘电阻信号提取模块，另一输出端接脉冲电源模块输入端。

脉冲电源模块包括充电电阻、储能电容、可控硅模块、波前电阻和调谐电容。充电电阻一端接直流电源模块全波整流桥输出端，另一端接储能电容，储能电容输出端接可控硅模块，可控硅模块控制脉冲电源的触发时间，可控硅模块与波前电阻串联，波前电阻后接调谐电容。通过可控硅模块实现储能电容的充、放电，即可在被测风力发电机绕组上产生单脉冲试验电压。

检测切换单元包括按钮开关、PLC和高压继电器，按钮开关与PLC在电源低压侧，高压继电器主触点串联在各电源模块高压输出端，高压继电器的通断由按钮开关与PLC控制。通过检测切换单元，可以实现四种绝缘参数检测试验过程中不需要换线，只需要通过按下相对应的测试按钮，即可实现四种检测试验之间的切换。

所述PLC为三菱fx1s-30MR-001，16个输入端口，14个继电器类型输出端口。

所述高压继电器为20kV高压干簧继电器，最大可切换高达10kV的电压，线圈电压为24VDC。

所述信号提取模块包括介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、绝缘电阻信号提取模块和脉冲波形信号提取模块。信号提取模块输出端分别与各自信号调理模块输入端相连。

所述介质损耗信号提取模块主要是实现对电压电流信号的准确采集，分为电压信号提取与电流信号提取，其中电压信号提取由阻容分压器实现，电流信号提取由电流互感器实现；分压器与被测风力发电机相并联；由于在现场进行测量时，风力发电机定子和转子的铁芯直接与风力发电机机舱“地”连接，不能与“地”隔离，无法从低压侧获取电流信号，因此将电流互感器串联在交流高压输出端，电流互感器工作原理如图2所示，通过电磁感应原理实现对流过被测风力发电机的工频电流信号提取。

介质损耗电压信号提取通过阻容分压器来实现高电压到低电压之间的转换，通过检测分压器低压臂上电压值可反应加载在被测品上电压值；分压器分压比为1000：1，比例精度小于±0.5％，额定工作电压为10kV。

介质损耗型号信号提取模块电流信号提取采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2，其测量范围为100μA～700mA，相位变换误差不大于0.01°，不需要校正及修改，同时具有良好的温度特性和抗电磁场干扰能力。

在现场对风力发电机进行局部放电测试时，由于不能拆解电机，加上电机机壳的屏蔽，非电测法及无线电干扰法均不适宜；因此采用脉冲电流法对风力发电机进行局部放电测量；同时由于风力发电机定子和转子的铁芯直接与机舱“地”连接，局部放电信号提取模块采用并联测量回路的脉冲电流法，工作原理如图3所示，主要由耦合电容器C_k与检测阻抗Z_m组成，其中耦合电容器C_k高压端与风力发电机定子或转子端部相连接，低压端与检测阻抗Z_m一端相串联，检测阻抗Z_m另一端接地。

局部放电信号提取中的耦合电容器C_k本身不应出现局部放电，采用OWF型无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定电压为5kV，额定工作电压局放量≤5PC。

局部放电信号提取中的检测阻抗Z_m为LCR型检测阻抗，针对常规风力发电机定、转子电容量，检测阻抗检测范围为25nF～400nF。

绝缘电阻信号提取模块由分压器与反馈电阻R_f组成，其中分压器同样采用介质损耗电压信号提取所用阻容分压器；同样的由于风力发电机不能与“地”隔离，反馈电阻不能串联在风力发电机低压侧；因此如图4所示，将反馈电阻串联在直流电源低压端，反馈电阻另一端接地，因此反馈电阻与风力发电机共地，利用反馈电阻将电流信号转换为电压信号，实现对流过被测风力发电机直流电流的信号提取。

绝缘电阻的测量范围设计为10⁸～10¹²Ω，不同的测量范围，需要不同的反馈电阻，可以通过微型继电器实现不同反馈电阻之间的切换，继电器采用松下DS1E-M-DC5V，继电器的控制信号来自数据采集卡I/O端口。

脉冲波形信号提取模块由阻容分压器与高频电流互感器组成，阻容分压器同样采用介质损耗电压信号提取中的阻容分压器；高频电流互感器串联在脉冲电源高压输出端，将电流信号转换为电压信号从而实现对脉冲电流的测量，电流互感器采用Pearson 101，灵敏度为0.01V/A，最大电流峰值为50000A，由于脉冲电流峰值不超过500A，因此电流互感器输出电压不超过5V，满足数据采集卡模拟信号输入范围；分压器与电流互感器输出端接信号调理模块输入端。

所述信号调理模块分为介质损耗信号调理模块、局部放电信号调理模块、绝缘电阻信号调理模块、脉冲波形信号调理模块。四种信号调理模块都包含有瞬态抑制二极管(TVS)与高压二极管2CL72，目的是为了限制信号调理模块输出信号的幅值范围，保护数据采集卡的正常使用。

介质损耗信号调理模块主要实现对分压器采集电压信号与电流互感器电流信号的低通滤波处理，滤除掉所采集信号中的高频干扰，滤波器采用运放OPA2277构成，截止频率为250HZ。

局部放电信号调理模块实现对所采集局部放电信号的放大与滤波处理，滤波器为带通滤波器，由运放AD8055构成，带通频率为10～500KHZ，由二阶贝塞尔低通滤波器与高通滤波器组成；由多路模拟开关ADG658与OPA2277运放芯片构成程控放大器，通过不同控制信号选择可实现对局放信号1倍、10倍和100倍的放大，ADG658芯片的控制信号来自数据采集卡的I/O输出端口。

绝缘电阻信号调理模块实现对所采集信号的低通滤波处理，滤波器采用运放OPA2277，截止频率为20HZ，主要滤除掉采集信号中的工频干扰。

脉冲波形信号调理模块实现对所采集脉冲信号的差分放大功能，放大倍数为1。

所述数据采集卡的采样率应大于其所采集局部放电脉冲信号带宽的两倍以上。数据采集卡采用两片凌华USB-1210与凌华USB-1901数据采集卡，均为USB型传输方式，采样分辨率为16位，其中USB-1210可以提供4个模拟差分输入通道，每个通道提供最高达2MS/s的同步采样率，其中两通道用于局部放电检测信号采集，两通道用于脉冲波形检测信号采集；而USB-1901有16个模拟差分输入通道，每个通道提高最高达250KS/s的同步采样率，其中两通道用于介质损耗检测信号采集，两通道用于绝缘电阻检测信号采集，其余通道用于温湿度传感器、气压传感器或拓展功能数据采集。

在满足信号采集的要求下，USB型数据采集卡通过USB数据传输线即可实现所采集信号到笔记本电脑的通信，相对于工控主机，笔记本电脑具有便携的优点，便于风力发电机现场测量。

本实用新型的工作过程如下：

电源模块可输出四种绝缘参数检测所需的三种不同类型试验电压，如当检测介质损耗与局部放电时，电源模块输出背景噪声较低的工频交流电压，当检测绝缘电阻时，电源模块输出直流电压，当检测脉冲波形时，电源模块输出脉冲电压；电源模块输出电压加载于被测风力发电机(处于停机状态)，并由信号提取模块实现对四种绝缘参数检测所需信号的提取，其中介质损耗检测提取被测风力发电机在所施加交流电压下的电压与电流信号，局部放电检测提取被测风力发电机在所施加交流电压下所产生局部放电信号，绝缘电阻检测提取被测风力发电机在所施加直流电压下的电压与电流信号，脉冲波形检测提取被测风力发电机绕组在所施加脉冲电压所响应的电压与电流信号；所提取信号经过信号调理模块实现合理变换，便于数据采集卡的采集与保护数据采集卡的正常使用；调理后的信号送入USB型数据采集卡的模拟信号输入通道，由数据采集卡实现对信号的A/D转换，转换后的信号送入笔记本电脑，从而实现对被测风力发电机介质损耗、局部放电、绝缘电阻、脉冲波形四种绝缘状态参数的现场检测。

以上仅说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，具均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种风力发电机绝缘状态一体化检测装置，其特征在于：包括电源模块、信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡与笔记本电脑；所述电源模块提供检测所需的高压试验电源，电源模块输出端分别与相对应的信号提取模块相连接；信号提取模块输出端与相对应的信号调理模块输入端相连；信号调理模块输出端与数据采集卡模拟信号输入通道相连；数据采集卡输出端通过数据传输线与笔记本电脑相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电源模块包括交流电源模块、直流电源模块、脉冲电源模块和检测切换单元；所述信号提取模块包括介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、绝缘电阻信号提取模块和脉冲波形信号提取模块，信号提取模块输出端分别与各自信号调理模块输入端相连；所述信号调理模块包括介质损耗信号调理模块、局部放电信号调理模块、绝缘电阻信号调理模块和脉冲波形信号调理模块；

所述交流电源模块包括安全保护电路、隔离变压器、自耦调压器、低压侧滤波器、升压变压器和高压侧滤波器；其中：安全保护电路输入为220V工频交流电，输出接隔离变压器原边，隔离变压器副边接自耦调压器的原边，自耦调压器的副边并联低压侧滤波器，低压侧滤波器的输出接升压变压器原边，升压变压器的副边并联高压侧滤波器；交流电源模块有三个高压输出端，一个输出端接介质损耗信号提取模块，一个输出端接局部放电信号提取模块，一个输出端接直流电源模块输入端；

所述直流电源模块包括全波整流桥、高压直流滤波电容和保护电阻，全波整理桥输入端为交流电源模块输出端；直流电源有两个输出端，一个输出端接绝缘电阻信号提取模块，另一输出端接脉冲电源模块输入端；

所述脉冲电源模块包括充电电阻、储能电容、可控硅模块、波前电阻和调谐电容；充电电阻一端接直流电源模块全波整流桥输出端，另一端接储能电容，储能电容输出端接可控硅模块，可控硅模块与波前电阻串联，波前电阻接调谐电容；脉冲电源有一个输出端，接脉冲波形信号提取模块。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述检测切换单元包括按钮开关、PLC和高压继电器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述PLC为三菱fx1s-30MR-001，16个输入端口，14个继电器类型输出端口。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述高压继电器为20kV高压干簧继电器。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述介质损耗信号提取模块包括分压器与电流互感器；分压器采用阻容分压器，分压比为1000：1，比例精度小于0.5％，额定工作电压为10kV；电流互感器采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述绝缘电阻信号提取模块由电压检测模块与电流检测模块组成；电压检测同样由介质损耗信号提取模块中阻容分压器实现；电流检测通过反馈电阻将流过被测风力发电机的直流电流信号转换为电压信号来实现对电流信号的提取。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述脉冲波形信号提取模块由电压波形检测模块与电流波形检测模块组成；电压检测同样由介质损耗信号提取模块中阻容分压器实现；电流波形检测模块采用高频电流互感器Pearson101。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述局部放电信号提取模块由耦合电容器与检测阻抗组成；耦合电容器为OWF型无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定工作电压5kV；检测阻抗为LCR型检测阻抗，检测范围为25～400nF。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述数据采集卡的采样率应大于其所采集局部放电信号与脉冲信号带宽的两倍以上，同时为了便于与笔记本电脑相连，要求为数据采集卡信号传输形式为USB型，数据采集卡采用凌华USB-1210与凌华USB-1901。