一种高压干式套管的多参量智能识别系统及应用的制作方法

1.本发明属于电力设备中的绝缘干式套管参量识别技术领域，尤其涉及一种高压干式套管的多参量智能识别系统及应用。


背景技术：

2.目前，变压器是输电系统的主要组成部分，也是电网的关键设备。变压器的安全可靠是决定电力系统稳定运行的条件之一。套管是变压器金属箱壳中的大电流和高电压输入或输出的重要部位，套管故障识别又是变压器的薄弱环节，由于套管的故障过程不易识别，出现缺陷会导致套管发生故障，严重时甚至会导致整个变压器故障。
3.近年来，变压器套管故障率居高不下。随着电压等级提高和电网规模扩大，都会对输变电设备及其配件提出了更高的要求。由于干式变压器较油浸式变压器具有低耗高效、防潮阻燃、无污染并且维护方便等优点，在国内应用日益广泛，利用相应检测方法，及时对高压干式套管的状态进行有效监测，可以尽早发现套管受潮缺陷、及时消除相关隐患，在日常运维中加大对变压器套管的状态管理和准确维护，对实际工程应用具有不可或缺的作用。
4.随着我国电力系统的发展，针对高压干式套管绝缘状态检测和评估，已有各种监测方法，对电网安全可靠运行起到了重要作用。现阶段，用于监测套管运行状态的常规方法，包括在工频条件下的视觉检查和对介质损耗角正切、电容的测量。但也有一些缺点，如：常见的故障分析与处理方法需要人员到场维护，监测点少、频率低，若未能及时发现问题，很可能对值班人员及设备安全有重大威胁。也有不间断供电的干式变压器温控系统等，但监测参数单一，不同子系统由于接口限制，很难实现多参量集成的在线分析，因此需要一种高压干式套管的多参量智能识别系统。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)常见的故障分析与处理方法需要人员到场维护，监测点少，频率低，若未能及时发现问题，很可能对值班人员及设备安全有重大威胁。
7.(2)现有技术中不间断供电的干式变压器温控系统，监测参数单一，不同子系统由于接口限制，很难实现多参量集成的在线分析。
8.解决以上问题及缺陷的难度为：现有技术当中的问题是，当前套管运维仍以定期预防性试验为主，测试周期较长，同时套管故障的发生具有偶发性，导致了预防性试验无法及时获得套管故障早期指示信号，从而无法有效避免套管故障的发生。
9.在实际应用中，无法获得大量多种干式套管的非破坏性特征参量和击穿电压等多种参量数据，很难从经济方面和操作难度方面解决此问题
10.解决以上问题及缺陷的意义为：本发明中，融合了先进的微型化传感技术，利用一体化微型宽频微电流传感器，对高压干式套管多种参量进行测量，实现了套管介损、电容、局放信号测量，操作简便，实验过程中用到的设备成本低，从经济方面和操作方面考虑是一个可行的技术方案。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高压干式套管的多参量智能识别系统及应用。本发明实现了高压干式套管的多参量实时监测，为输电线路安全运行提供保障。
12.本发明是这样实现的，一种高压干式套管的多参量智能识别系统，所述高压干式套管的多参量智能识别系统设置有变压器套管、一体化微型宽频微电流传感器、温度-压力复合传感器和光纤通信；
13.由一体化微型宽频微电流传感器以及温度-压力复合传感器组成采集单元，对高压干式套管实行多种参量同时测量，为实现模拟信号就地数字化，将每支套管设置1个采集单元，将光纤同步触发设计成级联结构，可以实现多支套管同步采集多种参数，并用光纤进行数据传输，最后将采集到的数据进行通过光纤连接到汇控柜的工控机；该工控机主要是用于现场数据查询、信息远程访问及控制。
14.融合了温度-压力非电量检测技术，研制了低功耗多通道信号采集单元，实现了模拟采集信号就地数字化，利用光纤实现多通道的同步触发和高速通信，抑制了模拟回路耦合干扰；提出了基于向量法的套管异常分析方法，并建立了网络化的状态感知诊断系统，可以实现信息汇聚融合及远程告警。
15.所述高压干式套管的多参量智能识别系统设置有变压器套管、一体化微型宽频微电流传感器、温度-压力复合传感器和光纤；
16.变压器套管和一体化微型宽频微电流传感器、温度-压力复合传感器以及光纤同步触发形成级联结构，实现多支套管同步采集多种参数，同时使用光纤进行数据传输，抑制外部电磁的干扰。
17.进一步，所述三台一体化微型宽频微电流传感器接在套管末屏上，温度
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压力复合传感器分别接在三相套管上，每只套管末屏下方安装数据采集单元，通过光纤通信连接到工控机上。
18.进一步，所述一体化微型宽频微电流传感器中金属接地外壳上设置有固定螺孔，固定螺孔10上旋接有螺钉；
19.金属接地外壳通过螺钉固定在高压套管上，高压套管内部套接有电容屏和中心导杆，凹槽中安装o型圈。
20.进一步，所述金属接地外壳内部安装有接线锥、高频局放脉冲电流互感器和低频电流互感器，接线锥上固定有斜圈弹簧。
21.进一步，所述接线锥穿过传感器后与金属接地外壳直接相连，金属接地外壳外侧固定有金属软管。
22.进一步，所述金属软管与接线锥连接，接线锥与抽头连接，抽头与电容屏连接。
23.进一步，所述数据采集单元设置有高频局放信号、低频电流信号和压力温度信号；
24.高频局放信号传输到带通滤波器，带通滤波器与高速adc连接，高速adc与fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤以太网，进行光纤通信。
25.进一步，所述低频电流信号传输到低通滤波器，低通滤波器与多通道adc连接，多通道adc与fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤触发。
26.进一步，所述压力温度信号传输到低通滤波器，低通滤波器与多通道adc连接，多通道adc连接fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤触发。
27.本发明的另一目的在于提供一种所述高压干式套管的多参量智能识别系统在电力设备中的绝缘干式套管参量识别中的应用。
28.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明基于向量法的思想，对相对介损、电容量、局部放电的分析，可以消除环境因素变化、变压器负荷变化引起的介损值波动误差，也可以避免电压互感器相角差带来的测量误差，因此更能反映套管真实运行状态以及有效提高异常相套管判别的有效性和准确性。
29.本发明实现了多支套管同步采集多种参数，同时使用光纤进行数据传输，可有效抑制外部电磁的干扰。本发明传感器的磁芯和线圈进行了优化设计，保证了传感器同时具备较高带宽和灵敏度，同时大大减小了传感器体积。接线锥穿过传感器后与接地外壳直接相连，大幅减小接地引线长度，接线锥与末屏引线柱连接处使用斜圈弹簧以确保可靠的电气连接，避免因末屏接线柱悬浮电位而引发故障。此外，宽频微电流传感器内部灌胶固化，达到ip68防护等级，传感器二次出线采用双屏蔽金属软管，保证数据传输不受外界干扰影响。宽频微电流传感器在结构上与原有套管末屏封盖完全互换，大大简化传感器安装拆卸过程。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的宽频微电流传感器结构示意图。
31.图2是本发明实施例提供的宽频微电流传感器固定方式示意图。
32.图3是本发明实施例提供的相对介损和相对电容测试原理图。
33.图4是本发明实施例提供的相对法向量图。
34.图5本发明实施例提供的采集器结构示意图。
35.图6本发明实施例提供的硬件系统组成。
36.图7本发明实施例提供的多参量状态感知系统框图。
37.图8本发明实施例提供的工频相角误差实验图。
38.图9本发明实施例提供的工频幅值误差实验图。
39.图10本发明实施例提供的低频电流互感器频率特性实验图。
40.图11本发明实施例提供的高频传输阻抗特性实验图。
41.图12本发明实施例提供的高频段频率特性实验图。
42.图中：1、斜圈弹簧；2、接线锥；3、高频局放脉冲电流互感器；4、低频电流互感器；5、金属软管；6、金属接地外壳；7、电容屏；8、中心导杆；9、抽头；10、固定螺孔。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高压干式套管的多参量智能识别系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
45.本发明的具体实施方式为，首先将微型宽频微电流传感器以及复合传感器等采集单元与套管进行连接，每支套管下方设置1个采集单元。向量法的实现需要多个采集单元间
进行同步触发，利用光纤同步触发设计的级联结构，实现多支套管同步采集，再通过光纤进行数据通信，最后接入工控机，进行数据的处理分析，远程通信等。
46.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。
47.本发明提供的高压干式套管的多参量智能识别系统业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的高压干式套管的多参量智能识别系统仅仅是一个具体实施例而已。
48.本发明实施例提供的高压干式套管的多参量智能识别系统包括：变压器套管和一体化微型宽频微电流传感器、温度-压力复合传感器以及光纤同步触发设计成级联结构，由一体化微型宽频微电流传感器以及温度-压力复合传感器组成采集单元，对高压干式套管实行多种参量同时测量，为实现模拟信号就地数字化，将每支套管设置1个采集单元，将光纤同步触发设计成级联结构，可以实现多支套管同步采集多种参数，并用光纤进行数据传输可有效抑制外部电磁的干扰，最后将采集到的数据进行通过光纤连接到汇控柜的工控机；该工控机主要是用于现场数据查询、信息远程访问及控制；其中，变压器套管为变压器高压三相套管。
49.针对一台变压器高压三相套管进行监测，需要分别将三台宽频微电流传感器接在套管末屏上，再将温度
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压力复合传感器分别接在三相套管上，每只套管末屏下方安装数据采集单元，以便就地数字化；再通过光纤通信连接到工控机上，用于现场数据查询、控制等。
50.如图1-图2所示，本发明实施例提供的一体化微型宽频微电流传感器中金属接地外壳6上设置有固定螺孔10，固定螺孔10上旋接有螺钉；
51.金属接地外壳6通过螺钉固定在高压套管上，高压套管内部套接有电容屏7和中心导杆8，凹槽中安装o型圈。
52.金属接地外壳6内部安装有接线锥2、高频局放脉冲电流互感器3和低频电流互感器4，接线锥2上固定有斜圈弹簧1；
53.接线锥2穿过传感器后与金属接地外壳6直接相连，金属接地外壳6外侧固定有金属软管5，金属软管5与接线锥2连接，接线锥2与抽头9连接，抽头9与电容屏7连接。
54.本发明的一体化微型宽频微电流传感器整体采用穿心式结构，传感器的磁芯和线圈进行了优化设计，保证了传感器同时具备较高带宽和灵敏度，同时大大减小了传感器体积。接线锥穿过传感器后与接地外壳直接相连，大幅减小接地引线长度，接线锥与末屏引线柱连接处使用斜圈弹簧以确保可靠的电气连接，避免因末屏接线柱悬浮电位而引发故障。此外，宽频微电流传感器内部灌胶固化，达到ip68防护等级，传感器二次出线采用双屏蔽金属软管，保证数据传输不受外界干扰影响。宽频微电流传感器在结构上与原有套管末屏封盖完全互换，大大简化传感器安装拆卸过程。
55.传感器接口与原有末屏封盖相同，复合传感器通过固定螺钉连接与某高压套管连接，凹槽中安装o型圈以保证套管内部的气密性。
56.工频泄漏电流由低频电流互感器测量，在0.01～2khz内频率变化对输出响应影响较小，频率再增高时，输出幅值会下降。该传感器不仅可以用于监测工频泄漏电流，还可以用于监测谐波分量及部分低频电网扰动分量，可为不同频率下的检测诊断研究提供测量手段。
57.高频电流测量局部放电信号由高频局放脉冲电流互感器测量，高频法局部放电检
测是在3～30mhz频段内对局部放电脉冲电流信号进行采集、分析、判断的一种检测方法，因此需考察传感器在对应频段内的相关特性。本传感器对于3～30mhz范围以外的信号具有一定的抑制作用，使得3～30mhz频段内的高频脉冲信号更易被分辨出来。基于宽频微电流传感器，可以实现工频相对介损、相对电容量和局放信号的一体化测量。传感器的选择直接关系到数据的准确性。应选择工作状况稳定且反应较为灵敏的传感器。这里利用温度、压力传感器集成到温度
–
压力复合传感器中。复合传感器通过密封接口与套管接口相连。复合传感器内置信号调理电路，可将套管内部温度、压力信息以数字量形式输出。无需对传感器进行拆卸。
58.变压器温度、压力测量变压器。温度测量，不同温度下误差变化较小。压力测量，当所测压力值较小时误差波动较大，随着压力增大，误差波动减小。由于高电压等级变压器套管之间距离较远，若传感器模拟信号离采集器较远，易受到外部电磁干扰影响。为实现模拟信号就地数字化，每支套管设置1个采集单元。向量法的实现依托于三相套管或多台变压器套管监测参量的同步测量，因此多个采集单元之间需要完成同步触发。采用光纤同步触发解决该问题，光纤同步触发设计成级联结构，可以实现多支套管同步采集。同时，数据也采用光纤进行传输，有效抑制了外部电磁干扰。系统可对套管进行监控，采集实时局放电信号、介质损耗、压力、温度等数据，并对采集的数据进行逻辑运行与分析，然后通过光纤通讯模块将采集数据上传至软件系统，当软件系统接收到异常报警信息时，可及时通知系统管理人员采取相应措施。
59.如图5所示，本发明实施例提供的数据采集单元结构框图，根据采集信号的频域特征，分为高频信号采集和低频信号采集两部分。
60.高频局放信号传输到带通滤波器，带通滤波器与高速adc连接，高速adc与fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤以太网，进行光纤通信；低频电流信号传输到低通滤波器，低通滤波器与多通道adc连接，多通道adc与fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤触发；压力温度信号传输到低通滤波器，低通滤波器与多通道adc连接，多通道adc连接fpga和微处理器连接，fpga和微处理器连接光纤触发。
61.高频信号主要用于采集局部放电信号，采用16bit、250mhz的高速数模转换器(adc)。为了过滤特定的信号，采用了2种方法对信号进行滤波：1)电调带通滤波器进行模拟滤波；2)数字有限冲激响应(fir)带通滤波器进行数字滤波。低频信号采集主要是工频电流，还有压力、温度等稳态量，adc选用18bit、200khz的adc。为了抑制干扰信号，加入了低通滤波。数字信号送入现场可编程逻辑门阵列进行数字滤波并进行快速傅里叶变换分析计算，计算结果经过微处理器送入光纤以太网传输。光纤触发包括发射和接收两部分，因此可以实现多通道触发级联。
62.针对于1台变压器高压三相套管监测，需要安装3个宽频微电流传感器、3个复合传感器，设置3个数据采集单元。宽频微电流传感器接到套管末屏，复合传感器安装在接口端子上。为了就地数字化，每支套管末屏下方安装数据采集单元，之后通过光纤连接到汇控柜的工控机。工控机主要是用于现场数据查询、信息远程访问及控制。
63.套管电参量信号通常在套管末屏处获取。为保证套管本体安全，穿心式电流互感器器逐渐取代了电容耦合式传感器，由于套管末屏由引线引出接地，相对于原有的末屏接地外壳，该方法增加了末屏接地的引线电感。当有雷击过电压或操作过电压时，末屏电位抬
升可能会引起末屏绝缘放电；此外末屏引线暴露在外，不仅容易在外界恶劣环境下破损，同时瓷套容易积污、受潮，使得部分电流未通过传感器，而是通过瓷套表面流向大地，导致测量数值出现异常波动干扰，无法得到准确结果。
64.一体化传感器可以获取套管工频泄漏电流、局部放电脉冲电流、压力和温度等直接信息。但是这些信息用于套管健康诊断，还需要建立合理的分析诊断方法。套管介损和电容量是反映绝缘受潮的重要手段。绝缘诊断的关键是根据非破坏性参量推断绝缘的剩余击穿电压，从而判断绝缘的老化状态。介质损耗和绝缘电阻的测量介电特征参量主要有介电损耗tanδ和电容c，它们是判断绝缘老化状态的重要指标。尽管它们表示形式不同，但都能反映绝缘的整体老化程度。介质特征参量作为非破坏性参量，被广泛用于绝缘老化状态的评估。
65.本发明通过测量施加在套管上的电压以及末屏电流，就可以计算获得介损和电容量值。但在套管带电运行时，由于套管电压上的电压测量通常是利用母线电压互感器获得，其角差、二次负荷对测量结果影响很大。采用差分相对测试技术可以克服上述缺点。
66.1)基于向量法的相对介损和电容量分析相对测量法是指选择1台与被试设备电容cx并联的其他电容型设备作为参考设备cn，通过串接在其设备末屏(或低压端)接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号in和被测电流信号ix，2路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备和参考设备的相对介损差值和电容量比值。其原理如图4所示。该方法的向量示意图如图5所示。利用另一支同相电容型设备末屏接地电流作为参考信号，此时仅需准确获得参考电流in和被测电流ix的基波信号幅值及其相位夹角α，即可求得相对介损δtanδ和相对电容量cx/cn的值。相对介损δtanδ是指在同相和相同电压作用下，2个电容型设备电流基波矢量角度差的正切值；相对电容量比值cx/cn是指在同相相同电压作用下，2个电容型设备电流基波的幅值比，如式(1)、(2)所示：
[0067][0068]
通常，变电站每台变压器同一电压等级下有3支同类型套管。将3支甚至多支套管作为相对参考量进行比较，找出缺陷套管。可以发现套管正常运行时，末屏电流向量之和的模值接近于0，如果某相套管出现异常，则末屏电流向量和则不为0，且指向某一相套管方向。如果超过一定阈值，说明该项套管存在故障。该方法的优势是可以消除环境因素变化、变压器负荷变化引起的介损值波动误差，也可以避免电压互感器相角差带来的测量误差，因此更能反映套管真实运行状态。向量分析法使用时需要三相同步触发测量才能获得其向量值。此外由于可能存在谐波、暂态电压影响，计算时需要进行傅里叶分析和滤波处理
[0069]
2)基于向量法的局部放电分析套管局部放电现场测量时最主要的问题是滤除现场干扰，提取放电信号。由于三相套管同步采集的优势，利用向量分析技术来抑制干扰信号。其原理是，使用套管末屏三相高频采集系统进行同步触发采集，提取放电波形峰值信
息，然后分别将其幅值矢量相加。如果模值超出设定阈值，则说明某相套管附件存在放电，通过累积统计，可以区分出放电信号和干扰信号。套管的温度、压力同样受到环境、负荷等因素的影响而随时间发生变化，影响套管状态评估的准确性。将同一变压器a、b、c三相套管的监测数值设定固定相角差120
°
，当三相套管运行状态良好时，三相监测数据的变化具有一致性，其矢量和趋近于0；当某相套管运行状态异常时，三相监测结果的矢量和为指向该异常相的矢量。基于向量法的思想，将标量监测结果赋予矢量信息，消除环境、负荷等因素的干扰，可有效提高异常相套管判别的有效性和准确性。之后，可以结合故障案例和多参量数学模型进行缺陷诊断分析及预警。
[0070]
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
[0071]
一体化微型宽频微电流传感器，工频泄漏电流由低频电流互感器测量，工频微电流测量的幅值误差结果如图8所示，利用标准微电流发生器控制电流幅值从5ma上升到150ma，每组上升过程中记录10个固定幅值处传感器测量结果，共进行5组测量。在5～150ma范围内，幅值误差∈(-0.05％，0.05％)，随着电流幅值增大，测量误差逐渐减小。
[0072]
工频微电流测量的相角误差结果如图9所示，实验过程同幅值误差类似。相角误差与电流幅值相关，在5～150ma幅值范围内，相角误差∈(
–
0.5’，0.5’)。随着电流幅值增大，相角误差减小。对于110～500kv变压器高压套管，其泄漏电流幅值在20～100ma范围内，此范围内传感器相角误差∈(
–
0.2’，0.2’)，转换为对应介损其误差∈(
–
0.01％，0.01％)
[0073]
传感器具有良好的频率响应特性，如图10。在0.01～2khz内频率变化对输出响应影响较小，频率再增高时，输出幅值会下降。该传感器不仅可以用于监测工频泄漏电流，还可以用于监测谐波分量及部分低频电网扰动分量，可为不同频率下的检测诊断研究提供测量手段。
[0074]
高频电流测量局部放电信号由高频局放脉冲电流互感器测量，高频法局部放电检测是在3～30mhz频段内对局部放电脉冲电流信号进行采集、分析、判断的一种检测方法，因此需考察传感器在对应频段内的相关特性。高频传输阻抗试验结果如图11所示，传感器在3～30mhz频段范围内传输阻抗远大于标准，对脉冲信号的损耗作用较小。检测频率特性试验结果如图12所示，传感器对于3～30mhz范围以外的信号具有一定的抑制作用，使得3～30mhz频段内的高频脉冲信号更易被分辨出来。基于宽频微电流传感器，可以实现工频相对介损、相对电容量和局放信号的一体化测量。
[0075]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0076]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。