一种运行电力设备非接触式电参数量测核验装置及方法与流程

1.本发明涉及电力设备测量，特别是涉及一种运行电力设备非接触式电参数量测核验装置及方法。


背景技术：

2.测量高压电时，经常测试装置的探头是与被测设备接触式测量然后内部降压测量电压，有些场合采取电容或阻容耦合分压的方式提高分压比，但这种方式需要分压电容一端严格接地，因此很多场合并不方便，尤其是应用在持续监测的环境，分压测电的方式并不具备安装条件，也不符合安全规范。
3.部分应用场合需要评估线路是否带电，但人体未采取带电检测设备接触线路时线路中并无电流(比如空载线路)，一旦监测设备接入导致了电流产生会影响电压值并且可能引起安全隐患。因此为了评估是否安全，只能在回路没有电流的情况下探测电压信号，因此不得通过分压再接地方式形成电流通路，否则会影响被测电压的数值大小甚至捕捉不到被测电压。
4.另外，测量电流可以通过卡钳或穿心电流互感器完成，但是电流互感器并不具备电压测量功能。如果需要测量电压，还需要电压测量装置配合，因此同一个测试点如果需要电流测量和电压测量两种带电作业，将其分开进行会产生很多问题，如电压和电流的相位无法准确获得。
5.如果现场有多个设备需要带电测试工作电压时，还需要独立一个一个进行测试(每个点需要分别电压或电流)，个中环节存在诸多安全隐患。
6.在多数场合，还需要识别高压线路的故障，仅仅单独依靠电压或电流是不足的。有必要同时监测电压和电流，并计算功率因数角，以实现线路的故障探测和故障定位。
7.在设备的放电测试方面，目前高等级的电压设备采取局放或测温方式，但这种方式要么灵敏度低，要么需要接触接地电流，导致存在人身隐患，因此有必要针对当前高压设备测量、监测、故障诊断方面的问题，提出一种解决方案。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种运行电力设备非接触式电参数量测核验装置及方法，能够在测量装置不直接接触电力设备的情况下，基于电流电压非接触采集，实现对带电电力设备电参数的量测核验。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种运行电力设备非接触式电参数量测核验装置，包括电压采集模块、电流采集模块、ad转换模块和信号处理模块；
10.所述电压采集模块包括多路电压采集单元，所述电流采集模块包括电流传感器线圈，所述电流传感器线圈和各路电压采集单元用于对被测电力设备进行采集，并将采集到的信息分别传输给ad转换模块进行转换后，将得到的信号传输给信号处理模块，所述信号处理模块用于根据ad转换模块输出的信息，对被测设备进行异常分析。
11.优选地，所述ad转换模块包括多个ad转换通道，所述ad转换通道的个数大于或等于电压采集单元与电流传感器线圈的总数。
12.优选地，所述多路电压采集单元由一个参考电极和多个测量电极构成；每一个测量电极与所述参考电极构成一个等效电容，每一个等效电容作为一路电压采集单元；
13.在每个电压采集单元中，将测量电极和参考电极之间的电压作为该电压采集单元的输出。
14.一种运行电力设备非接触式电参数量测核验方法，包括以下步骤：
15.s1.对于被测电力设备进行测量，得到工作电压幅度和相位角；
16.s2.计算功率因素角和有功功率，并据此进行核验，判定设备是否异常；
17.s3.计算平均电场强度，并据此进行核验，判断被测电力设备是否存在辐射量超标、电压异常、漏电、放电的情况；
18.s4.计算平均电荷量，并据此进行核验，判断被测电力设备是否出现不良状况。
19.优选地，所述步骤s1包括：
20.s101.将各个测量电极正对被测电力设备，设每一个测量电极与参考电极之间构成的等效电容为c1，c2
…
ck；则各个等效电容都会输出一个电压测量信号；
21.s102.将等效电容c1，c2
…
ck输出的电压信号进行ad转换，并进行傅里叶变换后，得到电压序列为v1，v2
…
vk；各个等效电容c1，c2
…
ck对应的电压序列相位角分别为ck对应的电压序列相位角分别为其中相位角序列为通过对每个电压序列v1，v2
…
vk分别作傅立叶或小波变换获得的工频相位，此处的工频指被测设备的工作电源频率；
22.s103.根据c1，c2
…
ck与对应的电压序列v1，v2
…
vk，计算电压幅度：
23.以电容c1，c2
…
ck为x轴，x》＝0，以电压v1，v2
…
vk为y轴，y》＝0，计算方式包括以下任意一种：
24.a1、根据c1，c2
…
ck和对应的v1，v2
…
vk，设计斜率k小于0的直线y＝kx+k0，计算出对应的k0作为电压幅度；当电容c1，c2，ck,k》2时，产生多条直线，获得多个k0值，以多个k0值的平均值作为k0值，或任意取两个电容及对应的电压确定一条直线计算；
25.a2、将c1，c2
…
ck和对应的v1，v2
…
vk带入指数函数y＝a*e-kx
，计算出对应的k,a，其中的a值即为电压幅度；
26.s104.根据c1，c2
…
ck与对应的电压序列相位角计算电压相位角：
27.以电容c1，c2
…
ck为x轴，x》＝0，以相位角为y轴，计算方式包括以下任意一种：
28.b1、根据c1，c2
…
ck和对应的相位角设计斜率k小于0的直线y＝kx+k0，计算出对应的k0作为电压相位角；
29.同样，当电容c1，c2，ck,k》2时，产生多条直线，获得多个k0值，以多个k0值的平均值作为k0值，或任意取两个电容及对应的相位确定一条直线计算；
30.b2、将c1，c2
…
ck和对应的相位角带入指数函数y＝a*e-kx
，计算出对应的k,a，其中的a值即为电压相位角。
31.优选地，所述步骤s2包括：
32.设电流传感器线圈输出的电流幅度和相位分别为i，步骤s1中计算得到的电压
幅度和电压相位角分别为v，
33.则计算：
34.视在功率s＝v
×
i；
35.功率因数角为：
36.有功功率：
37.在核验过程中，当视在功率或有功功率超过设定门限值时认为被测设备异常。
38.优选地，所述步骤s3包括：
39.s301.设等效电容c1，c2
…
ck所对应的测量电极到参考电极的距离为d1，d2
…
dk；
40.s302.计算等效电容ci对应电场强度ei为：
41.ei＝vi/di-e0
42.其中，e0为杂散环境电场强度，i＝1,2,
…
,k；
43.s303.在i＝1,2,
…
,k时，重复执行步骤s302,得到电场强度序列e1,e2,
…
,ek；
44.s304.计算平均电场强度e:
45.e＝(e1+e2+
…
+ek)/k。
46.核验过程中，当平均场强高于门限时，认为被测电力设备辐射量超标、电压异常或发生漏电、放电现象。
47.优选地，所述步骤s4包括：
48.计算平均电荷量q＝e
×
r*r/β-q0,β为常数，β＝9.0*109，q0为杂散环境电荷，e为平均电场强度；r为量测核验装置与被测带电设备的空间直线距离；
49.核验过程中，当超过平均历史电荷量或超过设计值等门限值时，认为被测电力设备出现放电，或被测电力设备出现倾斜、电场不均匀的不良状况。
50.优选地，所述方法还包括测量优化步骤：
51.各个测量电极正对被测电力设备后，将此时的电极角度作为标准角度，在与标准角度相差不超过正负15度的前提下，多次调整测量电极的角度，并在标准角度以及每一次调整后，分别按照步骤s1～s4进行测量，得到多组测量数据，比较各组测量数据中电压幅度的大小，去电压幅度最大的一组数据作为最终的测量结果。
52.本发明的有益效果是：
53.(1)同时测量电压电流；也可单独异步或单独测量电压和电流；
54.(2)电压测量可以不接地，对被测设备带负载能力影响小；还可以测量感应电压；
55.(3)利用多电极的电压耦合，可诊断被测高压设备的电压场是否存在不稳定性，即局部放电或谐波，从而实现非接触式远程诊断被测设备隐患；
56.(4)既可用于现场短时的带电测量(无需接地，比如配套在绝缘杆上)、又可用于持续监测(测试装置无需接地)。
57.(5)具备测量功率因数的条件，可在无需接地端的情况下通过功率因数诊断线路故障。如负荷端功率因数小于0.5，或负荷的功率因数由容性突然变为感性等故障快速识别。
58.(6)满足通信组网条件下，多个不同位置测量的装置可以完成多个区域的不同设备或设备不同位置的电压差、电流比、电压比及故障定位等测试。尤其适合在运行带电环境核验互感器变比、传感器分压比又不需要接触高电压端的情况。
59.(7)现场有多个不同电压等级、电流密度的电力设备时，可通过将多个电压采集单元和电流采集单元组合成阵列，实现区域电压等级或电流密度成像或放电区域成像，快速区分电压等级、电流密度或区分带电和停电设备等。
60.(8)不清楚带电设备工作电压多少时，用于核验工作电压，以准备安全措施。
61.(9)不清楚带电设备负荷多少时，又不能随意接近设备进行测量的条件，通过遥测负荷电流，诊断是否超负荷运行或发生短路故障。
附图说明
62.图1为本发明的装置原理框图；
63.图2为实施例1的原理示意图；
64.图3为实施例2的原理示意图；
65.图4为实施例3的原理示意图；
66.图5为实施例3中电容与端电压的关系示意图。
具体实施方式
67.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
68.如图1所示，一种运行电力设备非接触式电参数量测核验装置，包括电压采集模块、电流采集模块、ad转换模块和信号处理模块；
69.所述电压采集模块包括多路电压采集单元，所述电流采集模块包括电流传感器线圈，所述电流传感器线圈和各路电压采集单元用于对被测电力设备进行采集，并将采集到的信息分别传输给ad转换模块进行转换后，将得到的信号传输给信号处理模块，所述信号处理模块用于根据ad转换模块输出的信息，对被测设备进行异常分析。
70.在本技术的实施例中，所述ad转换模块包括多个ad转换通道，所述ad转换通道的个数大于或等于电压采集单元与电流传感器线圈的总数。
71.在本技术的实施例中，所述多路电压采集单元由一个参考电极和多个测量电极构成；每一个测量电极与所述参考电极构成一个等效电容，每一个等效电容作为一路电压采集单元；
72.在每个电压采集单元中，将测量电极和参考电极之间的电压作为该电压采集单元的输出。
73.在本技术的实施例中，所述测量装置还包括与信号处理模块连接的通讯模块，用于将测量结果向监控后台进行传输，便于监控后台进行监控或保存。
74.s1.对于被测电力设备进行测量，得到工作电压幅度和相位角；
75.s2.计算功率因素角和有功功率，并据此进行核验，判定设备是否异常；
76.s3.计算平均电场强度，并据此进行核验，判断被测电力设备是否存在辐射量超标、电压异常、漏电、放电的情况；
77.s4.计算平均电荷量，并据此进行核验，判断被测电力设备是否出现不良状况。
78.在本技术的实施例中，所述步骤s1包括：
79.s101.将各个测量电极正对被测电力设备，设每一个测量电极与参考电极之间构
成的等效电容为c1，c2
…
ck；则各个等效电容都会输出一个电压测量信号；
80.s102.将等效电容c1，c2
…
ck输出的电压信号进行ad转换，并进行傅里叶变换后，得到电压序列为v1，v2
…
vk；各个等效电容c1，c2
…
ck对应的电压序列相位角分别为ck对应的电压序列相位角分别为其中相位角序列为通过对每个电压序列v1，v2
…
vk分别作傅立叶或小波变换获得的工频相位序列，此处的工频指被测设备的工作电源频率；
81.s103.根据c1，c2
…
ck与对应的电压序列v1，v2
…
vk，计算电压幅度：
82.以电容c1，c2
…
ck为x轴，x》＝0，以电压v1，v2
…
vk为y轴，y》＝0，计算方式包括以下任意一种：
83.a1、根据c1，c2
…
ck和对应的v1，v2
…
vk，设计斜率k小于0的直线y＝kx+k0，计算出对应的k0作为电压幅度；当电容c1，c2，ck,k》2时，产生多条直线，获得多个k0值，以多个k0值的平均值作为k0值，或任意取两个电容及对应的电压确定一条直线计算；
84.a2、将c1，c2
…
ck和对应的v1，v2
…
vk带入指数函数y＝a*e-kx
，计算出对应的k,a，其中的a值即为电压幅度；
85.s104.根据c1，c2
…
ck与对应的电压序列相位角计算电压相位角：
86.以电容c1，c2
…
ck为x轴，x》＝0，以相位角为y轴，计算方式包括以下任意一种：
87.b1、根据c1，c2
…
ck和对应的相位角设计斜率k小于0的直线y＝kx+k0，计算出对应的k0作为电压相位角；
88.同样，当电容c1，c2，ck,k》2时，产生多条直线，获得多个k0值，以多个k0值的平均值作为k0值，或任意取两个电容及对应的相位确定一条直线计算；
89.b2、将c1，c2
…
ck和对应的相位角带入指数函数y＝a*e-kx
，计算出对应的k,a，其中的a值即为电压相位角。
90.在本技术的实施例中，所述步骤s2包括：
91.设电流传感器线圈输出的电流幅度和相位分别为i，步骤s1中计算得到的电压幅度和电压相位角分别为v，
92.则计算：
93.视在功率s＝v
×
i；
94.功率因数角为：
95.有功功率：
96.在核验过程中，当视在功率或有功功率超过设定门限值时认为被测设备异常。
97.优选地，所述步骤s3包括：
98.s301.设等效电容c1，c2
…
ck所对应的测量电极到参考电极的距离为d1，d2
…
dk；
99.s302.计算等效电容ci对应电场强度ei为：
100.ei＝vi/di-e0
101.其中，e0为杂散环境电场强度，i＝1,2,
…
,k；
102.s303.在i＝1,2,
…
,k时，重复执行步骤s302,得到电场强度序列e1,e2,
…
,ek；
103.s304.计算平均电场强度e:
104.e＝(e1+e2+
…
+ek)/k。
105.核验过程中，当平均场强高于门限时，认为被测电力设备辐射量超标、电压异常或发生漏电、放电现象。
106.在本技术的实施例中，所述步骤s4包括：
107.计算平均电荷量q＝e
×
r*r/β-q0,β为常数，β＝9.0*109，q0为杂散环境电荷，e为平均电场强度；r为量测核验装置与被测带电设备的空间直线距离；
108.核验过程中，当超过平均历史电荷量或超过设计值等门限值时，认为被测电力设备出现放电，或被测电力设备出现倾斜、电场不均匀的不良状况。
109.显然，当认为平均电场强度e和电荷量q都是已知稳定量，也可以根据以上关系式等效变换计算测试人员和被测电力设备的有效距离r。
110.在本技术的实施例中，所述方法还包括测量优化步骤：
111.各个测量电极正对被测电力设备后，将此时的电极角度作为标准角度，在与标准角度相差不超过正负15度的前提下，多次调整测量电极的角度，并在标准角度以及每一次调整后，分别按照步骤s1～s4进行测量，得到多组测量数据，比较各组测量数据中电压幅度的大小，去电压幅度最大的一组数据作为最终的测量结果。
112.下面结合具体实施例对本技术进行进一步说明：
113.实施例1，如图2所示。电压电极和电流线圈分别组成电压传感单元和电流传感单元并呈平行排列，使得电压传感单元和电流传感单元组合成开口状、开口钩状或平面状的一体化设备。开口方向对准被测线路或被测设备，或设计成平面后，对准或靠近被测设备；
114.为说明方便，将电压传感单元和电流传感单元组合称为复合传感器。
115.设对110kv停电线路进行电压测量，一般情况下该停电线路没有电压。但由于停电时其他临近的非停电线路会耦合高电压到停电线路，因此导致停电线路可能瞬时带电，如果缺乏探测工具，检修人员就可能触电。如果直接经过仪表测量，因为仪表的地端接地，会引起感应电压快速释放，因此探测的感应电压在数量上可能不准确外，还可能探测不到电压，但是当仪表移开停电线路后，停电线路会快速恢复耦合过来的电压，导致人体触电。而且仪表在测量过程中，人员紧张可能不小心触碰线路触电。采用本装置后，利用绝缘杆将复合传感器支撑起对准被测线路，然后在绝缘杆顶部与本专利装置的电压电流输出进行采集或指示，当电压传感单元探测到电压后，立即声光报警，提醒工作人员此时线路带电。
116.实施例2，如图3所示，电压和电流传感单元对向放置，组成穿心或开合式的复合传感器；
117.与实施例1类似，该复合传感器可以悬挂或套接在线路上，配套采集和通信装置后，线路持续带电情况下可以实时监测线路的功率因数、电流、电压、功率，尤其适用于对线路布置多个监测装置实现对区域的功率因数异常，窃电，短路，放电等进行实时监测并可快速区分出发生故障的位置。
118.当线路停电时，如存在耦合电压串扰，该复合传感器与电压指示预警装置配套，可以实时通过声光指示线路是否带电，提醒检修人员远离。
119.由于带电、停电过程中都没有设备接触地端，因此不会影响线路的负荷，也不会造成对地短路、放电等安全事故。
120.实施例3，如图4所示，通过本专利的传感器实现线路的电压测量。如下图多个平行
的矩形耦合电极组成的电压传感器；操作人员携带外形设计成平面的复合传感器，该传感器的电压传感器由多个圆形的电极组成了垂直方向的多个电容.如图模数转换器采集多个电容输出的电压值，如图c1对应电压v1，c2对应电压v2，c3对应电压v3，当有更多电极时依次类推。显然，c1电容最小，对应的v1最高，v2其次，v3再次。
121.通过所述的指数函数y＝a*e-kx
计算被测线路电压，方程中x为电容值，y为电容端电压值，求解方程获得a，k值。该a值即为被测线路的电压值。
122.如果采用的计算方程为直线，那么方程为y＝kx+k0,所需要计算为k0值，直线方程如虚线所示，该直线与指数曲线一致，都属于随电容增大的衰减特征。
123.如图5所示，不管采取哪种方程，最终计算的是对应方程所描述曲线上x＝0处的y值，即：y轴的切距值。
124.本实施例可以由站在地面的工作人员完成高压线路，高压设备的工作电压测量，并且通过增加电容c的数量，可以完成非常精确的测量效果。
125.实施例4：对实施例3的数据进一步修正。
126.设复合传感器还内置了倾斜度或倾角测量单元。当复合传感器与被测线路没有严格平行时，通过对两者的角度进行修正实现，即的方式实现。
127.如果需要更进一步的提升精度，可以布置多个复合传感器，每个复合传感器有不同的角度，然后对各自计算的电压值进行对比，获得最优值。
128.或者模数转换器和微处理协同工作下，实时输出计算的电压值并显示。然后通过轻微调整复合传感器与被测线路的相对位置，然后观察显示的电压值，原则上取最大值作为被测设备的实际工作电压值。
129.实施例5：利用人工携带对准被测设备进行放电测试，通过电压传感器内部不同电容之间(测量电极和参考电极之间的电容)的电压波形抖动观察被测设备是否放电。或通过将多路电压采集单元设计成穿心结构，直接卡接或套接在被测设备上，典型如变压器套管、电缆、线路、绝缘子等方便卡接的设备部位，利用内部的数字处理模块进行测量，并通过通信模块将信号传输出来，由接收设备对信号进行观察或进一步计算、诊断。
130.实施例6：运行互感器变比、误差测量。
131.设采用两套运行电力设备非接触式电参数量测核验装置同步对电压互感器的高压侧和低压侧进行测量，将测量的数据计算比值作为电压比，如与标准电压变比比较，还可计算电压比值误差。
132.高压侧和低压侧的电压相位差可用于计算电压互感器的电压角差。
133.同样的方法，两套装置对电流互感器的一次电流和二次电流同步测量，将测量的电流比值作为电流比，如与标准电流变比比较，还可计算电流比值误差。
134.其中一次电流的量值可借助电压采集单元的修正方法，即借助电压测量的指数函数y＝a*e-kx
或直线函数y＝kx+k0，获得x为零值时的目标电流值y作为被测运行电流互感器的电流值。具体的模型完全参照电压采集单元采集的参数计算好的曲线，只是将测量的电流值作为指数函数或直线函数上的一个点，然后沿着该曲线寻找到x＝0处的数值作为最终电流。
135.同样，高压侧(一次侧)和低压侧(二次侧)的电流相位差可用于计算电流互感器的电流角差。
136.因此基于本专利的方案，可实现变比遥测，并基于变比遥测值核对线路是否接线错误导致重大变比偏差；以及可计算互感器的计量误差，可发现是否存在严重的比值误差或角差等。
137.实施例7：区域电压成像测量。
138.设成像测量单元布置成8
×
8阵列，即采用了64个复合传感器组成。每个复合传感器内部含所述的多路电压传感器，电流传感器。
139.整个电极采用微型打印薄膜设计，电流传感器采用pcb印制线圈设计，因此可以设计成微型化的传感器，使得整个阵列体积缩小。
140.设每个阵元包括的多路电压传感器数量为3，电流传感器为1，即每个阵元有4路信号输出。8
×
8阵列共有64
×
4＝256路输出。
141.对阵列传感器的模拟量输出分别接入256通道的adc模数转换器，在fpga可编程逻辑控制器件高速控制下，完成同步的256通道信号快速采集。
142.在软件端，自动计算每个阵列元测量的电压值，电流值，功率值，功率因数、电压电流相位差的一种或多种，然后通过数学算法生成区域成像算法，或结合图形传感器(如摄像头)将计算的电压成像图谱与视频结合，形成区域电压等级的成像。
143.通过本专利基于阵列元测量的成像图谱方式，可以至少达到如下效果：
144.(1)区别设备群的电压差异，比如最高电压设备标识为红色，最低电压的标识为灰色。可以清晰的观测到设备群中的电压差异，如500kv变电站中可以清晰的观测到变压器高压侧和低压侧的电压差、高压线路和低压线路、无功补偿设备、互感器初次级等设备的电压差异。
145.(2)可以非接触方式核验设备带电或停电。
146.如输电线路信号弱，可能是停电后的干扰，也可能是故障短路了但线路依旧带电，因此借助本专利的电流传感单元可以观测到被测设备电流较大，因此该设备依旧属于带电设备，不适应直接接触。(该效果当然也适用于单个测量单元即包括一个阵列元的情况-多路电压和1路电流测量单元的测量模块，但针对多个带电设备运行的环境，采用阵列元的成像更加直观并且更容易发现短路故障区域)。
147.(3)快速发现三相电压或三相电流不平衡；或快速发现三相线路某相故障。
148.显然，本专利方案对于提升变电站、户外架空线路、厂区带电设备的安全巡视和故障检修都起到了非常实用、积极的效果。
149.该方案典型可用于高压线路、变电站、铁路系统、储能站、发电站等，可快速识别带电和停电的设备，可快速识别电压等级不同的带电设备。
150.为描述清楚，以上实施例主要以线路或电缆为主，实际上本发明所述的装置可用于各种带电设备，尤其是高压设备，如变压器、绝缘套管、gis组合电器、互感器、绝缘子、避雷器、电容器、开关柜、多个高压设备的场所综合观测等，它在精确测量电压方面优选具有穿心或开合式结构的ct形状设计，在ct内环嵌入多个电压测量电极和电流测量线圈，便于测量电压和电流时屏蔽其他线路的干扰。在其他场合，本发明既可用于测量、监测，又可用于设备带电的查验，尤其是安全巡查，检修时的感应电压预警等，在智能传感器、智能电参数量测芯片、高精度高集成的组合互感器、线路或电力设备的安全监测领域、配套精密传感器的智能电力装备、变电站或线路的电压等级成像、电流密度成像传感器或测试设备方面
都有很好的应用价值。