一种变压器电场检测装置的制作方法

1.本实用新型属于变压器检测技术领域，特别涉及一种变压器电场检测装置。


背景技术：

2.电力是经济发展的重要生产力，是居民幸福生活的基本保障。由于我们电力的供需地点失衡，出现了大批“西电东送”项目。无论是交流输电还是直流输电工程，变压器都是其中最重要的设备之一。变压器附近存在复杂的电磁环境，当输电系统出现故障的情况，变压器可能出现过电压，危害变压器的绝缘系统。当变压器的绝缘出现非正常状况，即使没有过电压，变压器绝缘系统附近的电场较正常情况发生变压。因此，实时检测变压器附近空间的电场对变压器状态估计和系统故障诊断有着重要意义。
3.变压器运行状态和变压器周围电场值有着密切的联系。尽管现在已经出现旋转伏特计、泡耳克斯效应式电场传感器、kerr效应式电场传感器等多种电场传感器，但是由于变压器空间狭窄，而现有电场传感器体积庞大，现有电场传感器内的导电金属组件会显著影响被测电场，在电场中容易造成畸变，不适合检测狭小空间中的电场。光学式的电场传感器整套设备繁杂，造价昂贵，容易受到温度、湿度等环境因素的影响，稳定性较差。而且目前都是非带电测量，即需要将变压器油单独取出，然后测量其电场特性。至今没有变压器带电运行下绝缘系统附近电场强度测量的成熟解决方案。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型的目的是提出一种变压器电场检测装置，具有结构设计合理，减小了空间占用，并且能够开展带电测量实时测量，测量更加便捷。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种变压器电场检测装置，包括电流转电压单元和数据采集单元；
6.电流转电压单元用于将所述电流转换为电压信号；
7.数据采集单元用于采集所述电压信号的参数。
8.还包括mems电场传感器，所述mems电场传感器用于基于变压器电场输出电流。
9.优选地，电流转电压单元包括第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端接同电位，第一运算放大器和第二运算放大器的输出端均与各自的反相输入端之间串联有电阻；第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的正相输入端之间通过并联的开关和电容连接，第二运算放大器的输出端与第一运算放大器的正相输入端之间通过并联的开关和电容连接。
10.优选地，还包括电压放大单元，所述电压放大单元用于将电流转电压单元输出的电压信号放大，所述电压放大单元连接在电流转电压单元与数据采集单元之间，数据采集单元用于采集放大后电压信号的参数。
11.优选地，电压放大单元包括第三运算放大器，第三运算放大器的正相输入端和反相输入端分别串联有电阻，第三运算放大器的输出端与正相输入端和反相输入端串联有电
阻。
12.优选地，还包括滤波单元，滤波单元用于将电压信号进行滤波，数据采集单元用于采集滤波后电压信号的参数。
13.优选地，滤波单元包括第四运算放大器，第四运算放大器正相输入端接地，第四运算放大器反向输入端与输出端之间通过并联的电阻和电容连接。
14.优选地，还包括数据发射单元，数据发射单元用于将电压信号的参数发射出去。
15.优选地，还包括ct取电单元，ct取电单元用于采集电能并将电能输送至mems电场传感器、电流转电压单元、数据采集单元、滤波单元、电压放大单元和数据发射单元。
16.优选地，还包括可充电电池，ct取电单元用于向可充电电池输送电能，可充电电池用于输送电能至mems电场传感器、电流转电压单元、数据采集单元、滤波单元、电压放大单元和数据发射单元。
17.本实用新型一种变压器电场检测装置的使用方法，应用上述的变压器电场检测装置，将mems电场传感器安装在变压器进出线周围，和/或，变压器绕组周围，和/或，变压器油中；mems电场传感器在变压器电场的激发下，产生感应电荷，将感应电荷引出即形成电流，将该电流输送至电流转电压单元，通过电流转电压单元将所述感应电流转换为电压信号，数据采集单元与电流转电压单元连接采集电压信号的参数，通过数据采集单元采集到的电压信号的参数分析变压器的状态。
18.与现有技术相比，本实用新型的变压器电场检测装置，mems电场传感器体积小灵敏度高，适用于狭窄空间电场检测，不会对电场造成畸变，mems电场传感器根据电场生成电流，再转换为电压信号，根据电压信号的参数判断变压器状态；检测装置可以实现在变压器带电运行下进行检测，检测方法更加便捷。
19.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出了本实用新型实施例中变压器电场检测装置的示意图；
22.图2示出了本实用新型实施例中电流转电压单元的示意图；
23.图3示出了本实用新型实施例中电压放大单元的示意图；
24.图4示出了本实用新型实施例中滤波单元的示意图；
25.图5示出了本实用新型实施例的变压器电场检测装置的安装示意图。
26.附图中，第一运算放大器101、第二运算放大器102、第三运算放大器103、第四运算放大器104。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.本实用新型的实施例针对变压器的特点，利用mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统，微电子机械系统)电场传感器，实现变压器附近电场检测，进行变压器状态分析、变压器所处电力系统的状态和绝缘预测。mems电场传感器在其他的文献中又被称为mems电场芯片。本实施例中，mems电场传感器内部有硅基材料，硅基材料在变压器电场中会产生感应电荷，提取感应电荷，就可以反推原始的变压器电场状态，根据变压器电场状态即可获知变压器以及该变压器所处电力系统的状态。
29.参照图1，本实用新型的实施例提出一种变压器电场检测装置，包括mems电场传感器和信号系统，信号系统包括电流转电压单元和数据采集单元，mems电场传感器和信号系统的功能及相互连接关系如下所述。
30.mems电场传感器安装在变压器附近或内部，mems电场传感器在变压器电场的激发下，产生感应电荷，将感应电荷引出即形成电流，该电流输送至电流转电压单元，电流转电压单元将所述感应电流转换为电压信号，数据采集单元与电流转电压单元连接，数据采集单元采集电压信号的参数，参数可以是电压信号的波形、峰值、有效值、平均值等等，根据实际所需选择相应的参数，基于这些参数即可分析变压器的状态，例如分析出变压器的温度、负荷、绝缘性能等。又变压器是电力系统的一部分，电力系统某个地方出现故障，变压器也会有所体现，因此一定程度上也反应出电力系统的状态
。
31.通过mems电场传感器产生的感应电荷较小，因而转换得到的电压信号也较小，进而检测误差也就较大，为了降低检测误差，本实施例中信号系统还包括电压放大单元，电压放大单元用于将电压信号放大。数据采集单元采集放大后电压信号的参数。
32.为了改善电压信号的脉动程度，信号系统还包括滤波单元，滤波单元用于将放大后的电压信号进行滤波，得到去除纹波后的电压信号，数据采集单元采集滤波后电压信号的参数。电力系统中变压器数量很多，并且部分变压器位置比较偏远，数据采集单元采集的参数不能依靠人工收集，需要将采集的参数实时发送给后台检测系统，因此变压器电场检测装置还包括数据发射单元，数据发射单元用于将所述参数发射至后台监测系统，便于后台监测系统分析当前变压器状态。
33.综上所述，mems传感器在变压器电场中产生电流后，电流流入电流转电压单元，将电流信号转换为电压信号，电压信号再流入电压放大单元，电压放大单元将电压信号放大，滤波单元将放大后的电压信号滤波，数据采集单元采集滤波后的电压信号参数，数据采集单元再将这些参数输送至数据发射单元，数据发射单元将电压信号参数发送至后台监测系统。在另外的设计方式上，也可以先对电流信号转换得到电压信号滤波，再将滤波后的电压信号放大。
34.本实施例中的为mems电场传感器、信号系统和数据发射单元供电的供电方式为ct(current transformer，电流互感器)取电+可充电电池。因此电场检测装置还包括ct取电
单元和可充电电池，ct取电单元利用变压器附近的输电线获取电能，并将获取的电能输送至mems电场传感器、信号系统和数据发射单元。同时将获取的电能发送至可充电电池，在可充电电池充满的情况下，ct取电单元不再向可充电电池输送电能。变压器附近输电线路正常带电的情况下，由ct取电单元向mems电场传感器、信号系统和数据发射单元输送电能，可充电电池不向mems电场传感器、信号系统和数据发射单元输送电能。变压器附近输电线路不带电的情况下，由可充电电池向mems电场传感器、信号系统和数据发射单元输送电能。因此无论变压器附近输电线路带电或不带电的情况下，均可以保障变压器检测装置供电的可靠性和持续性。
35.在另外的设计方式上，也可以仅设置ct取电单元而不设置可充电电池，仅依靠ct取电单元为变压器检测装置内的其他电器元件供电。
36.上述mems电场传感器、信号系统、数据发射单元、ct取电单元和可充电电池通过硬件连接，具体可以是通过导电线连接。
37.示例性的，参照图2，为电流转电压单元的电路结构示意图，本实施例中的电流转电压电路采用的开关电容电路，mems产生的电流信号分别进入两个运算放大器的正相输入端，两个运算放大器的反相输入端接同电位，两个运算放大器的输出端均与各自的反相输入端之间串联有电阻。将两个运算放大器分别命名为第一运算放大器101和第二运算放大器102，第一运算放大器101的输出端与第二运算放大器102的正相输入端之间串联有开关和电容，第二运算放大器102的输出端与第一运算放大器101的正相输入端之间串联有开关和电容。mems传感器产生的微弱电流信号跨组放大电路第一级，采用对称耦合的方式放大电流。使用两个相同的运算放大器，其正信号通路与负信号通路完全对称，两个运算放大器的反相输入端接同电位，保证了放大电路信号通路的对称，使正负信号通道放大倍数相同。同时，正相和反相信号通道的反馈输出端交叉耦合，加强了信号放大的对称与稳定。
38.参照图3，为电压放大单元的电路结构示意图，电流转电压单元输出的两路电压分别进入电压放大单元中第三运算放大器103的正相输入端和反相输入端，并且电流转电压单元与第三运算放大器103的正相输入端和反相输入端之间串联有电阻，起到限流作用。第三运算放大器103的输出端与正相输入端和反相输入端串联有电阻，本实施例中的电压放大单元一方面进行电压放大，另一方面，将两路电压信号转为一路电压信号。
39.参照图4，为滤波单元的电路结构示意图，该电路为低通滤波电路，包括并联连接的第四运算放大器104、电阻和电容，第四运算放大器104正相输入端接地，第四运算放大器104反向输入端与输出端之间并联电阻和电容。电压放大单元输出的电压信号进入第四运算放大器104的反相输入端。
40.本实施例还提出一种变压器电场检测方法，应用上述变压器电场检测装置，参照图5，将mems电场传感器安装在变压器进线周围，即图5中的标1的位置，也可以是在出线周围，即图5中的标2的位置，也可以是在变压器绕组周围，即图5中的标3的位置，也可以是在变压器油中，图5中没有标注，一个变压器上可以安装多个变压器电场检测装置，多个变压器电场检测装置可以分别安装在上述几个不同的位置，便于更好的检测变压器状态。
41.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实
施例技术方案的精神和范围。