TWI494574B - 用於一高電壓絕緣監控元件之部分放電感測器 - Google Patents

用於一高電壓絕緣監控元件之部分放電感測器 Download PDF

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TWI494574B TW100139993A TW100139993A TWI494574B TW I494574 B TWI494574 B TW I494574B TW 100139993 A TW100139993 A TW 100139993A TW 100139993 A TW100139993 A TW 100139993A TW I494574 B TWI494574 B TW I494574B
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Description

用於一高電壓絕緣監控元件之部分放電感測器
本發明係關於一種用於一高電壓絕緣監控元件之部分放電感測器，該部分放電感測器尤其但不僅僅用於量測一發電廠之大型發電機之定子繞組中之部分放電。
部分放電(PD)係部分橋接尤其用於高電壓發電機中之導體之間之絕緣材料之局部出現的放電。
其等係當電場局部超過崩潰強度時絕緣缺陷之結果。此等部分放電甚至可導致導體之間絕緣之劣化甚至崩潰。
因此，需要對高電壓系統中之部分放電進行監控以防止一發電鏈路功能障礙及損壞。此外，其係一有利的工具以計劃設備之停機及維修或替換。
在工業中，標題為「高電壓測試技術-部分放電量測(High voltage Test Techniques-Partial Discharge measurements)」(2000)之標準EN/IEC 60270中充分地描述部分放電之量測。其描述用以測定部分放電之電路之設計及校準。
重要的是應注意在量測部分放電之前，需要校準量測系統以達到所需之精度。通常藉由將一脈衝發射入該系統中並偵測量測元件之回應而進行校準。
因為已知之元件並不抗高電壓，所以典型校準元件只能在發電機停機時離線使用。
然而，線上及離線之操作條件彼此極為不同，此影響校準精確度。事實上，在操作期間，將發電機連接至電網之 主開關關閉及由此電線長很多。此造成一較大的線電容並改變脈衝之傳輸特性。
由此，期望能在發電機正常操作期間校準高電壓絕緣監控元件。
EP 2 071 342揭示當經由一電池達成電力供應並經由一光學介面完成遠程控制時可於正常操作期間使用的一攜帶式校準元件。
然而，其係改變電力激勵鏈路之高電壓幾何形狀之附加元件且由於電池供應，所發射之脈衝相當小且操作時間受限。
本發明之一目的是至少部分地克服上文列舉之缺陷，尤其係提出一種甚至於高電壓絕緣監控期間允許線上校準的元件。
本發明之一態樣包含提供一種包含一監控元件之感測器，該監控元件亦可利用連接至電網之發電機進行校準。
藉由提供根據附加技術方案之一部分發電感測器達成此態樣及其他態樣。
該感測器可單獨或結合地具有以下任選特徵之一者或多者：- 一耦合電容器及一校準電容器實現為一雙聯電容器，- 該耦合電容器及該校準電容器實現為兩個個別電容器，- 一量測電路包括一信號傳輸線及用於操作該量測電路 及該校準電路之一電力係通過該信號傳輸線供應，- 可提供可連接至該量測元件並耦合至該量測電容器之低電壓電極以為該校準電路供應所需之供應電壓的一轉換器供應電路，- 該校準電路包括連接於該耦合電容器與該校準電路之間之一脈衝產生器同步線，- 該校準電路包含並聯連接之兩條分支：一方面接地且另一方面連接至一開關單元之一第一分支及包括並聯的一電容器及一信號產生器之一第二分支，該第二分支之一端接地且另一端亦連接至該開關單元，該開關單元連接至該校準電容器，- 該開關單元具有兩個位置：將該校準電容器連接至該第一分支之一第一位置及將該校準電容器連接至該第二分支之一第二位置，- 一串列通信通道可連接至一量測元件以調整該等脈衝之高度及序列及/或控制該開關單元57。
在所有圖式中，相同元件具有相同的元件符號。
圖1係一高電壓發電鏈路1之一示意性圖形表示，該高電壓發電鏈路1包括具有若干個相位之一發電機3，但圖中僅僅表示出一個輸出相位及相關高電壓匯流導管5。
該發電機3可由未表示出之渦輪或引擎驅動，該等渦輪或引擎由任何可用能源或能源之組合(煤、燃料、天然氣、核、水蒸汽、水等等)供給。該發電機可為一同步發 電機且通常發出5千伏以上50Hz至60Hz的一交流電壓。
該匯流導管5連接至允許將該發電機3從以下元件(例如，一升壓變壓器9及最後自電網)去耦合之一開關單元7。
一部分放電感測器11連接至該匯流導管5及該部分放電感測器11之輸出端連接至一部分放電分析設備13。該部分放電感測器11及該部分放電分析設備13兩者為一高電壓絕緣監控元件之部分。其目的是監控尤其該發電機之定子繞組中之部分放電。此監控允許防止功能障礙(歸因於操作期間可能發生之絕緣缺陷)。
在該發電機3之正常操作中且當該發電機3連接至電網時，該匯流導管5為一高電壓線。
圖2更詳細地顯示該部分放電感測器11。
特定言之，該部分放電感測器包括一外殼15，其一方面定位用於量測待測試之高電壓系統(即該發電機3)中之部分放電的一量測電路17及具有連接至該量測電路17的一電極及連接至待連接至待測試之該系統之一高電壓線(該匯流導管5)的一第一高電壓導體21之另一電極的一耦合電容器19。
該部分放電感測器11於該外殼15中進一步包括一校準電路23及一校準電容器25，該校準電容器25具有連接至該校準電路23之一電極及連接至一第二高電壓導體27(連接至該高電壓線(該匯流導管5))之另一電極。
為給予一些指導以實現該電路，該校準電容器25約為20 pF而該耦合電容器19具有100pF之一電容。
更詳細地，該量測電路17包括：(例如)100kΩ之一高通電阻RHP ，其於一側連接至該耦合電容器19並於另一側接地；及一帶通BP，其具有(例如)20kHz至10MHz之一通帶且於一側連接至該耦合電容器19並於另一側連接至一放大器31。該放大器31之輸出為經由一信號線33發送至該部分放電分析設備13之一電壓信號。高通頻率為(例如)fo =16kHz。
該校準電路23經組態以發出具界定形狀的校準脈衝，其等對應於一預定義電荷並經由該校準電容器25耦合至該高電壓系統。
由於校準電路23及量測電路17並非處於高電壓電位，所以電力供應係經由該信號線33而實現。
由此，本發明解決方案允許在操作期間校準一高電壓絕緣監控元件。由於該校準電路23以及相關校準電容器25整合於本質上於安裝中預見之該部分放電感測器11之相同外殼15中，所以無需檢查整個電力激勵鏈路之高電壓幾何形狀。此外，由於用於該校準電路23之電力供應係經由該信號線33而達成，所以關於發射至該高電壓系統中之校準電荷存在極少的限制。
圖3顯示一部分放電感測器11之一第二實施例，其與圖2之實施例之唯一不同在於該第二高電壓導體27係於該外殼15內連接至該第一高電壓導體21之事實。因此，存在唯一一個連接至該電壓線(該匯流導管5)的第一高電壓導體21， 意指該部分放電感測器11之安裝與已使用之部分放電感測器11之安裝相同。
如於圖2及圖3中可見，該耦合電容器19及該校準電容器25為兩個相異電容器。
為獲得構造空間，可預見實現電容器19及25為一個構造單元，正如如(例如)圖4A及圖4B中所示之一雙聯電容器35，圖4A及圖4B為根據一第一實施例之部分放電感測器之一雙聯電容器之一示意性圖形表示。
該雙聯電容器35包括一中空圓筒形隔離體37，特定言之其具有一底壁37A、圓柱形側壁37B、具有一連接煙囪37D之一頂壁37C。該隔離體可具有5毫米之一壁厚、5公分之一高度及5公分之一外直徑且可由一塑膠複合物製成。
圖中亦顯示橫貫該連接煙囪37D之第一及第二高電壓導體21及27且其等分別連接至耦合電容器19之高電壓部分電極19A及校準電容器25之高電壓部分電極25A。
此等高電壓部分電極19A及25A位於該中空隔離體37之內側上。在底壁37A及圓柱形側壁37B之相對側邊上，該隔離體37之外側上配置有連接至該量測電路17之耦合電容器19之低電壓電極19B及連接至該校準電路23之校準電容器25之電極25B。
更詳細地，該等高電壓部分電極19A及低電壓電極19B之主要部分位於該絕緣體之側壁37B上及一較小座腳部分19F位於該底壁37A之外周邊部分上。
此亦清晰地表示於圖4B中，圖4B為沿著圖4A上之箭頭 39所見之該雙聯電容器35之底端之一視圖。
該校準電容器25具更小電容。在本情況下，高電壓部分電極25A及電極25B兩者塑形為一圓盤且位於該圓筒形隔離體37之一底壁37A處。
該量測電容器19之電容通常為100pF及該校準電容器之電容為20pF。
易於理解相比典型使用之部分放電感測器之耦合電容器，雙聯電容器之此構造無需更多或至少無需更多空間。
圖4A及圖4B之組態用於(例如)圖2之實施例。對於圖3之實施例，第一及第二高電壓導體21及27可一起連接於該隔離體37之中空容積內以使得只有一個高電壓導體橫貫連接至該高電壓線(該匯流導管5)之連接煙囪37D。
圖5中顯示根據一第三實施例之部分放電感測器11之一示意性圖形表示。
此實施例與圖3中所示之實施例之不同在於該耦合電容器19及該校準電容器25於該高電壓側具有一共同電極41之事實。
略微修改圖4A中所示之雙聯電容器35可實現此實施例。
圖6A及圖6B顯示此一經修改之雙聯電容器35，圖6A及圖6B係根據一第二實施例之部分放電感測器之雙聯電容器之一示意性圖形表示。
圖6A中之雙聯電容器35與圖4A中所示之雙聯電容器之唯一不同在於存在唯一一個共用的高電壓導體43(取代導體21及27)且該隔離體37之內側上之高電壓部分電極19A及 25A係經接合以形成一共用的高電壓電極41之事實。
即使具有一共用電極41，亦可以該量測電容器19之電容通常為100pF及該校準電容器之電容為20pF之一方式選擇低電壓電極19B及電極25B之表面。
此構造甚至更容易達成且允許極為高效地進行線上校準及量測部分放電。
圖7中更詳細地繪示具有其校準電容器25之一校準電路23之一實例。
該校準電路23包括具有並聯連接之兩個分支53、55之一脈衝產生器，一第一分支53一方面接地且另一方面連接至一開關單元57，及一第二分支55包括並聯的具有約1nF之一電容之一電容器59及一信號產生器61，該第二分支55之一端接地且另一端亦連接至該開關單元57。該開關單元57經由約100Ω之一歐姆電阻63連接至該校準電容器25之電極25B。該信號產生器61可產生從1V至200V的階躍信號或斜坡信號。
一同步線65於至該量測電路17之一側連接至該耦合電容器19之低電壓電極19B及於另一側在一低通濾波器67(用於電網之頻率，諸如50Hz或60Hz)之後連接至一同步外部輸出、該信號產生器61及該開關單元57。
此同步信號允許(例如)以該開關單元57在該發電機3產生交流電壓之每時段開關之次數介於10次至100次之間的一方式協調該校準電路23之脈衝發射。
該開關單元57具有兩個位置：將該校準電容器25連接至 該第一分支53之一第一位置；及將該校準電容器25連接至該第二分支55之一第二位置。
該電路以該電容器59通過該信號產生器61充電至一特定電壓(例如100V)之一方式工作。當處於第二位置時，通過該開關單元57產生一脈衝並將該脈衝發射至該高電壓系統中。已發射之電荷可由該電容器59之電容及所施加之電壓計算得出。例如將100V施加至具有10pF之一電容之電容器59，其得出1nC的一發射脈衝電荷。
在圖7中，電力供應係經由該信號傳輸線達成。
現參考圖8，其顯示具有自主電力供應之另一第五實施例。
圖8之實施例與圖7中之實施例之不同在於放大器31具有一差分輸出且該信號傳輸線包括一絞合電纜對之事實，首先當此實施例中需要多對電纜時該絞合電纜對比已知之同軸電纜更便宜，且其次該絞合電纜對在其電特性方面係更為平穩。此外，在該同步線65中低通濾波器67之後佈置有具差分輸出之一整合器75及一放大器77，從而亦允許使用用於該部分放電感測器11之同步輸出的一第二絞合電纜對。
此外，於該部分放電感測器11內預見有可經由一串列通信通道(例如，用於調整脈衝之高度及序列之CAN-BUS)控制之一微處理器。其亦可用以控制該開關單元57。為使示意圖清晰，圖中未表示出控制線。
此外，該部分放電感測器11包括耦合至該量測電容器19 之低電壓電極19B之一轉換器供應電路81，其用於為該校準電路供應所需的供應電壓。
該轉換器供應電路具有(例如)兩條分支，其等分別具有用於將交流電壓轉變成一DC電壓之一二極體及一電容器以及一DC/DC轉換器以獲得一正/負5V的操作電壓。為使示意圖清晰，圖中並未表示出電力供應線。
由於本發明，PD感測器之校準可於線上完成且所提出之設備可安裝於現已有之PD感測器之安裝空間中。因此，根據本發明之該PD感測器之安裝無需圍繞該高電壓發電鏈路重新設計高電壓幾何形狀。
此外，由於本發明之感測器無需一電池供應器所以減少了維修。
1‧‧‧高電壓發電鏈路
3‧‧‧發電機
5‧‧‧匯流導管
7‧‧‧開關單元
9‧‧‧升壓變壓器
11‧‧‧部分放電感測器
13‧‧‧部分放電分析設備
15‧‧‧外殼
17‧‧‧量測電路
19‧‧‧耦合電容器/量測電容器
19A‧‧‧高電壓電極
19B‧‧‧低電壓電極
19F‧‧‧較小座腳部分
21‧‧‧第一高電壓導體
23‧‧‧校準電路
25‧‧‧校準電容器
25A‧‧‧電極
25B‧‧‧電極
27‧‧‧第二高電壓導體
31‧‧‧放大器
33‧‧‧信號線
35‧‧‧雙聯電容器
37‧‧‧隔離體
37A‧‧‧底壁
37B‧‧‧圓柱形側壁
37C‧‧‧頂壁
37D‧‧‧連接煙囪
39‧‧‧箭頭
41‧‧‧電極
43‧‧‧高電壓導體
53‧‧‧第一分支
55‧‧‧第二分支
57‧‧‧開關單元
59‧‧‧電容器
61‧‧‧信號產生器
63‧‧‧歐姆電阻
65‧‧‧同步線
67‧‧‧低通濾波器
75‧‧‧整合器
77‧‧‧放大器
81‧‧‧轉換器供應電路
圖1係具有一部分放電感測器及一部分放電分析器之一高電壓發電鏈路之一示意性圖形表示，圖2係根據一第一實施例之部分放電感測器之一示意性圖形表示，圖3係根據一第二實施例之部分放電感測器之一示意性圖形表示，圖4A及圖4B係根據一第一實施例之部分放電感測器之一雙聯電容器之一示意性圖形表示，圖5係根據一第三實施例之部分放電感測器之一示意性圖形表示，圖6A及圖6B係根據一第二實施例之部分放電感測器之 一雙聯電容器之一示意性圖形表示，圖7係根據一第四實施例之部分放電感測器之一示意性圖形表示，及圖8係根據一第五實施例之部分放電感測器之一示意性圖形表示。
5‧‧‧匯流導管
15‧‧‧外殼
17‧‧‧量測電路
19‧‧‧耦合電容器/量測電容器
23‧‧‧校準電路
25‧‧‧校準電容器
31‧‧‧放大器
33‧‧‧信號線
53‧‧‧第一分支
55‧‧‧第二分支
57‧‧‧開關單元
59‧‧‧電容器
61‧‧‧信號產生器
63‧‧‧歐姆電阻
65‧‧‧同步線
67‧‧‧低通濾波器
75‧‧‧整合器
77‧‧‧放大器
81‧‧‧轉換器供應電路

Claims (14)

  1. 一種用於一高電壓絕緣監控元件(11；13)之部分放電感測器(11)，其包括一外殼(15)及位於該外殼(15)中用於量測待測試之一高電壓系統(3；5)中之部分放電的一量測電路(17)及一耦合電容器(19)，該耦合電容器(19)具有連接至該量測電路(17)之一電極(19B)及連接至待連接至待測試之該系統之一高電壓線(5)之一共用高電壓導體(43)之另一電極(19A；41)，其中其進一步包括一校準電路(23)，該校準電路(23)包括一校準電容器(25)，該校準電容器(25)具有連接至該校準電路(23)之一電極(25B)及連接至待連接至一高電壓線(5)之該共用高電壓導體(43)之另一電極(25A；41)，該耦合電容器(19)及該校準電容器(25)實現為一雙聯電容器(35)。
  2. 如請求項1之部分放電感測器，其中該校準電路(23)位於該外殼(15)中。
  3. 如請求項1之部分放電感測器，其中該雙聯電容器(35)包括一中空圓筒形隔離體(37)，其具有位於該隔離體(37)之內壁上之至少一高電壓電極(19A、25A、41)及分別連接至該量測電路(17)及該校準電路(23)並位於該隔離體(37)之外壁上的兩個電極(19B、25B)。
  4. 如請求項3之部分放電感測器，其中連接至該校準電路(23)之該電極(25B)塑形為一圓盤並位於該圓筒形隔離體(37)之一底部(37A)。
  5. 如請求項3之部分放電感測器，其中連接至該高電壓導 體(5)之該雙聯電容器(35)之該電極(41)為該耦合電容器(19)及該校準電容器(25)兩者之一共同電極。
  6. 如請求項1之部分放電感測器，其中該耦合電容器(19)及該校準電容器(25)實現為兩個個別電容器。
  7. 如請求項3之部分放電感測器，其中連接至該量測電路(17)之該電極(19B)大體塑形為一圓柱體且大體位於該圓筒形隔離體(37)之一側壁(37B)上。
  8. 如請求項1之部分放電感測器，其中該量測電路(17)包括一信號傳輸線(33)且用於操作該量測電路(17)及該校準電路(23)之電力係通過該信號傳輸線(33)供應。
  9. 如請求項1之部分放電感測器，其進一步包括可連接至該量測元件並耦合至該量測電容器(19)之該低電壓電極(19B)之一轉換器供應電路(81)以為該校準電路(23)供應必需的供應電壓。
  10. 如請求項1之部分放電感測器，其中該量測電路(17)包括具有差分輸出之一放大器(31)且其中一信號傳輸線(33)實現為絞合電纜對。
  11. 如請求項1之部分放電感測器，其中該校準電路(23)包括連接於該耦合電容器(19)與該校準電路(23)之間之一脈衝產生器同步線(65)。
  12. 如請求項11之部分放電感測器，其中該校準電路(23)包含並聯連接之兩條分支(53、55)，一第一分支(53)一方面接地且另一方面連接至一開關單元(57)，及一第二分支(55)包括並聯的一電容器(59)及一信號產生器(61)，該 第二分支(55)之一端接地且另一端亦連接至該開關單元(57)，該開關單元(57)連接至該校準電容器(25)。
  13. 如請求項12之部分放電感測器，其中該開關單元(57)具有兩個位置：將該校準電容器(25)連接至該第一分支(53)之一第一位置；及將該校準電容器(25)連接至該第二分支(55)之一第二位置。
  14. 如請求項1或12之部分放電感測器，其中設置有可連接至一量測元件以調整校準脈衝之高度及序列及/或控制該開關單元(57)的一串列通信通道。
TW100139993A 2010-11-04 2011-11-02 用於一高電壓絕緣監控元件之部分放電感測器 TWI494574B (zh)

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