CN207730890U - 一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置，包括交流电源模块、检测切换模块、介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡和笔记本电脑；其中交流电源模块与检测切换模块相连，检测切换模块与介质损耗信号提取与局部放电信号提取模块相连，介质损耗与局部放电信号提取模块输出端分别与所对应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，数据采集卡输出端通过USB数据线与笔记本电脑相连；本实用新型可以实现对风力发电机介质损耗与局部放电两种绝缘参数的测量，同时具有便携性好，精度高，计算能力强，数据存储方便，可人机交互，拓展性强的优点。

Description

一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置

技术领域

本实用新型涉及绝缘检测技术领域，特别涉及一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置。

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。风力发电机绝缘系统在运行中经受电和热的作用，变流器在主动整流或逆变中产生的陡上升沿重复脉冲电压长期作用于绕组，外加受各种环境因素的联合影响绝缘系统将逐渐产生劣化，出现局部放电，破坏绝缘结构，进而出现击穿，发生事故。特别是绕组绝缘在运行过程中长期暴露在热、电和机械应力的作用下，是事故的多发区。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。

绝缘检测的方法主要有破坏性和非破坏性两种方法。目前认为能够反映绝缘真实老化程度的只有击穿电压的大小，也就是在较高电压下的绝缘耐压试验，但是击穿电压的检测属于破坏性检测方法，虽然能够有效暴露绝缘的缺陷，但却会使绝缘遭受到不可恢复的破坏。因此，破坏性试验对仍在正常运行中的风力发电机肯定是不适用的。而对于非破坏性方法，介质损耗参数可以反应绝缘的平均老化水平，而局部放电参数作为评判绕组绝缘状况的有效手段，也得到世界范围内的认可，因此，可以结合风力发电机的介质损耗与局部放电参数综合分析风力发电机的绝缘老化程度。

现如今市面上介质损耗检测仪与局部放电检测仪型号众多，但是都是两种独立的检测仪器，当在野外需要检测介质损耗与局部放电两种参数时，只能携带两种检测仪器，便携性差，同时检测过程中，需要对不同的检测仪器设置不同的参数，需要繁琐的接线、换线操作，使得检测试验操作复杂，效率不高，不利于风力发电机介质损耗与局部放电的现场检测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置，可实现对风力发电机介质损耗与局部放电两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。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置，包括交流电源模块、检测切换模块、介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡和笔记本电脑；其中交流电源模块与检测切换模块相连，检测切换模块与介质损耗信号提取模块和局部放电信号提取模块相连，介质损耗信号提取模块和局部放电信号提取模块的输出端与信号调理模块中的介质损耗信号调理模块和局部放电信号调理模块的输入端相连，信号调理模块输出端与数据采集卡输入端相连，数据采集卡输出端通过USB数据线与笔记本电脑相连。

其中所述交流电源模块包括隔离变压器、自耦调压器、π型低压侧滤波器、升压变压器和T型高压侧滤波器；其中隔离变压器原边接220V工频交流电，副边接自耦调压器的原边，自耦调压器的副边并联π型低压侧滤波器，π型低压侧滤波器的输出端接升压变压器原边，升压变压器的副边并联T型高压侧滤波器，T型高压侧滤波器的另一端接检测切换模块。

其中所述交流电源模块为电网取电，经隔离、滤波和升压后再滤波获得高压交流；交流电源模块所使用升压变压器为充气式无局放试验变压器，在额定电压下局放量≤5pC，体积小，重量轻，输出交流高压局放量小。

其中所述检测切换模块包括按钮开关、中间继电器和高压继电器；按钮开关与中间继电器在交流电源低压侧，高压继电器主触点串联在交流电源高压输出端，高压继电器线圈分别与中间继电器串联，通过按钮开关与中间继电器控制高压继电器的通断。

其中所述介质损耗信号提取模块由电压信号提取与电流信号提取单元组成，其中电压信号提取为阻容分压器，电流信号提取为电流互感器，阻容分压器与交流高压输出端相并联，电流互感器串联在交流高压输出端。

其中所述阻容分压器的分压比为1000:1，比例精度为±0.1％，额定工作电压为10kV。

其中所述电流信号提取单元采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2。

其中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，其中耦合电容器高压端与交流高压输出端相连，低压端与检测阻抗一端相串联，检测阻抗另一端接地；其中所述耦合电容器为耐高压无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定工作电压5kV；其中所述检测阻抗为LCR型检测阻抗。

其中所述介质损耗信号调理模块包括依次连接的输入保护电路、低通滤波器、电压跟随电路与输出保护电路。所述局部放电信号调理模块包括依次连接的前置输入放大电路、带通滤波电路、程控放大电路与输出保护电路。

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，同时由于采用笔记本电脑作为数据处理装置，因此数据采集要求为外置USB型数据采集卡，采用凌华USB-1210数据采集卡。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型利用风力发电机机舱内的工频交流电网，通过转化提供测量所需的高压交流电源，同时该电源局放量小，满足局部放电检测试验电源要求。同时本实用新型可实现对风力发电机介质损耗、局部放电两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。

同时本实用新型采用USB型数据采集卡与笔记本电脑采集数据，充分发挥现有数据采集卡的高速采集能力，可以极大减少检测设备的硬件部分结构，使得本实用新型装置相对于其它同类型检测设备，具有便携性好，精度高，计算能力强，数据存储方便，可人机交互，拓展性强的优点。

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信号调理框图。

图3为本实用新型介质损耗信号调理电路原理图。

图4为本实用新型局部放电检测信号调理框图。

图5为本实用新型局部放电信号调理前置放大电路。

图6为本实用新型局部放电信号调理带通滤波电路。

图7为本实用新型局部放电信号调理程控放大电路。

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。

一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置结构框图如图1所示，其主要包括交流电源模块、检测切换模块、介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡和笔记本电脑。其中交流电源模块与检测切换模块相连，检测切换模块与介质损耗信号提取模块和局部放电信号提取模块相连，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，数据采集卡输出端通过USB数据线与笔记本电脑相连。

所述交流电源模块包括隔离变压器、自耦调压器、π型低压侧滤波器、升压变压器和T型高压侧滤波器，隔离变压器的变比为1:1，其原边接220V工频交流电网，副边接自耦调压器的原边，自耦调压器输出为0～250V电压，自耦调压器的副边并联π型低压侧滤波器，π型低压侧滤波器的输出端接升压变压器原边，升压变压器的副边并联T型高压侧滤波器，T型高压侧滤波器的另一端接检测切换模块，交流电源可输出最大电压为5kV(有效值)。

所述交流电源模块为电网取电，经隔离、滤波和升压后再滤波获得高压交流；交流电源模块所使用升压变压器为充气式无局放试验变压器，在额定电压下局放量≤5pC，体积小，重量轻，输出交流高压局放量小。由于交流电源模块严格控制其本身局放量，因此输出交流电压对局放放电检测试验误差影响较小。

所述检测切换模块包括按钮开关、中间继电器、高压继电器，按钮开关与中间继电器在交流电源低压侧，高压继电器主触点串联在交流电源高压输出端，高压继电器线圈分别与中间继电器串联，通过按钮开关与中间继电器控制高压继电器的通断，可以实现介质损耗与局部放电检测试验过程中不用频繁接线、换线操作，检测时只需通过按下相对应的按钮开关，即可实现两种检测试验之间的安全切换。

所述介质损耗信号提取模块由电压信号提取与电流信号提取单元组成，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，阻容分压器与交流高压输出端相并联，电流互感器串联在交流高压输出端。

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；分压器分压比为1000：1，比例精度为±0.1％，额定工作电压为10kV。

介质损耗电流信号提取采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2，其孔径30毫米，测量信号范围为100μA～700mA工频电流，相位变换误差不大于0.01°，不需要任何校正及修改，具有极好温度特性和电磁场干扰能力。

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，其中耦合电容器高压端与交流高压输出端相连，低压端与检测阻抗一端相串联，检测阻抗另一端接地。

耦合电容器为耐高压无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定工作电压5kV。

检测阻抗为LCR型检测阻抗，针对常规风力发电机定、转子电容量，检测阻抗可检测被试品容量范围为25nF～400nF。

所述介质损耗信号调理模块结构框图如图2所示，介质损耗信号调理模块分为电压与电流信号调理电路，两种电路结构完全一致，包括输入保护电路、低通滤波器、电压跟随电路、输出保护电路。

介质损耗信号调理模块电路原理图如图3所示，输入保护电路为了防止输入信号超过所采集范围，由两个2CL72二极管与一个SMBJ5.0CA并联，实现对所采集电压信号的幅值限制功能，作为输入保护电路；由于分压器阻值较大，分压之后信号输出阻抗较大，带负载能力差，利用AD8610运放构成电压跟随电路降低输出电阻，提高带负载能力；为了滤掉检测信号中的局部放电信号、工频高次谐波以及其它高频干扰，由OPA2277运放构成二阶有源低通滤波器，低通滤波器截止频率设置为250HZ；低通滤波器后面加入电压跟随电路，提高向后级电路的输出负载能力。由于数据采集卡模拟信号通道输入信号范围不超过±10V，若输入电压信号超过该范围，会损坏数据采集卡，由于试验电压最大值为5kV，经过1000:1的分压器后测量电压最大值为5V，在信号输出端并联一个SMBJ5.0CA作为输出保护电路，保护数据采集卡。

所述局部放电信号调理模块结构框图如图4所示，包括前置输入放大电路、带通滤波电路、程控放大电路，输出保护电路，前置输入放大电路输入端与局部放电信号提取模块相连，前置输入放大电路输出端与带通滤波电路输入端相连，带通滤波电路输出端与程控放大电路输入端相连，程控放大电路输出端经输出保护电路与数据采集卡相连。

局部放电信号调理前置输入放大电路如图5所示，由检测阻抗检测局部放电信号首先经前置输入放大电路预处理，其中电容C5与R3构成10kHZ高通滤波器，OPA2227A构成10倍放大电路，OPA2227B构成电压跟随器，提高向后级电路的输出能力。

局部放电信号调理带通滤波电路构成局部放电信号硬件滤波部分，如图6所示，带通滤波电路由二阶有源贝塞尔低通滤波器与高通滤波器组成，低通滤波器与高通滤波器均由AD8055运放构成，其中低通滤波器截止频率为500kHZ，高通滤波器截止频率为10kHZ，因此带通滤波器频率范围为10～500kHZ。

局部放电信号调理程控放大电路如图7所示，通过切换多路模拟开关ADG658的通道来改变放大回路内的反馈电阻，以达到程控放大的功能，实现0.1倍、1倍和10倍的放大。由于输入放大电路已经对局部放电信号经过了10倍的放大，因此局部放电信号调理模块最终可以实现对信号1倍、10倍和100倍的程控放大；ADG658芯片的控制信号来自数据采集卡的I/O输出端口。

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，同时由于采用笔记本电脑作为数据处理装置，因此数据采集要求为外置USB型数据采集卡。数据采集卡采用凌华USB-1210，USB型传输方式，采样分辨率为16位，它可以提供4个模拟输入通道，每个通道提供最高达2MS/s的同步采样率，其中2两通道用于介质损耗信号采集，2通道用于局部放电信号采集，同时该数据采集卡提供8路数字输入/4路数字输出(TTL电平)，通过数据采集卡I/O端口实现由程序对局部放电信号调理部分程控放大电路的控制。

本实用新型介质损耗检测的工作过程如下：

首先将检测切换模块切换到介质损耗检测，由交流电源模块产生交流电压并施加于被测风力发电机(处于停机状态)定子或转子上，由介质损耗信号提取模块提取被测风力发电机上的电压与电流信号提取，提取到的电压电流信号由介质损耗信号调理模块实现滤波处理，同时信号调理模块也实现输出保护功能，保护数据采集卡的正常使用，调理后的信号经数据采集卡实现A/D转换后送入笔记本电脑，实现对被测风力发电机介质损耗的检测。

本实用新型局部放电检测的工作过程如下：

将检测切换模块切换到局部放电检测，由交流电源模块产生背景噪声足够低的交流电压并施加于被测风力发电机(处于停机状态)定子或转子上，由局部放电信号提取模块提取被测风力发电机在该电压下所产生的局放信号，提取到的局放信号再由局部放电信号调理模块实现滤波与放大处理，调理后的信号经数据采集卡实现A/D转换后送入笔记本电脑，实现对被测风力发电机局部放电的检测。

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，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种风力发电机介质损耗与局部放电一体化检测装置，其特征在于：包括交流电源模块、检测切换模块、介质损耗信号提取模块、局部放电信号提取模块、信号调理模块、数据采集卡和笔记本电脑；其中交流电源模块与检测切换模块相连，检测切换模块与介质损耗信号提取模块和局部放电信号提取模块相连，介质损耗信号提取模块和局部放电信号提取模块的输出端分别与信号调理模块中的介质损耗信号调理模块和局部放电信号调理模块的输入端相连，信号调理模块输出端与数据采集卡输入端相连，数据采集卡输出端通过USB数据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：所述交流电源模块包括隔离变压器、自耦调压器、π型低压侧滤波器、升压变压器和T型高压侧滤波器；其中隔离变压器原边接220V工频交流电，副边接自耦调压器的原边，自耦调压器的副边并联π型低压侧滤波器，π型低压侧滤波器的输出端接升压变压器原边，升压变压器的副边并联T型高压侧滤波器，T型高压侧滤波器的另一端接检测切换模块；所述交流电源模块为电网取电，经隔离、滤波和升压后再滤波获得高压交流；交流电源模块所使用升压变压器为充气式无局放试验变压器，在额定电压下局放量≤5pC，体积小，重量轻，输出交流高压局放量小。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述检测切换模块包括按钮开关、中间继电器和高压继电器；按钮开关与中间继电器在交流电源低压侧，高压继电器主触点串联在交流电源高压输出端，高压继电器线圈分别与中间继电器串联，通过按钮开关与中间继电器控制高压继电器的通断。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述介质损耗信号提取模块由电压信号提取与电流信号提取单元组成，其中电压信号提取为阻容分压器，电流信号提取为电流互感器，阻容分压器与交流高压输出端相并联，电流互感器串联在交流高压输出端。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述阻容分压器的分压比为1000:1，比例精度为±0.1％，额定工作电压为10kV。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述电流信号提取单元采用零磁通穿芯小电流互感器BCT-2。

7.根据权利要求1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，其中耦合电容器高压端与交流高压输出端相连，低压端与检测阻抗一端相串联，检测阻抗另一端接地；所述耦合电容器为耐高压无局放耦合电容器，电容值为1000pF，额定工作电压5kV；所述检测阻抗为LCR型检测阻抗。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述介质损耗信号调理模块包括依次连接的输入保护电路、低通滤波器、电压跟随电路与输出保护电路；所述局部放电信号调理模块包括依次连接的前置输入放大电路、带通滤波电路、程控放大电路与输出保护电路。

9.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脉冲信号带宽的两倍以上，同时由于采用笔记本电脑作为数据处理装置，因此数据采集要求为外置USB型数据采集卡，采用凌华USB-1210数据采集卡。