基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置

基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置
【技术领域】
1.本发明涉及电力设备故障检测技术领域，尤其涉及一种基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置。


背景技术：

2.随着电网规模的不断扩大，电压等级的不断增加，在现有的电力系统中需要使用大量的电抗器进行滤波、限流与无功补偿。干式空心电抗器作为一种重要的电力设备，因其具有机械强度高、结构简易、线性度好、方便维护等优点而受到广泛应用。
3.干式空心电抗器通常安装在户外，常年遭受风吹日晒雨淋等环境因素的影响，因此事故频发。据相关的统计结果表明，大多数的事故是由匝间短路故障所导致的，如果无法对故障状态及时的进行检测与判断，由短路所形成的巨大电流将引起故障位置处的局部升温，进而可能将电抗器烧毁，这将影响电力系统的安全稳定运行。
4.在干式空心电抗器匝间短路故障检测方面，目前主要的检测方法有温度检测法、电气量检测法以及探测线圈法。
5.温度检测法是使用温度传感器测量由电抗器匝间短路故障所导致的局部温升，通过检测温度的变化来反映出电抗器的工作状态。但在实际的应用过程当中，温度传感器是在出厂前预埋在电抗器的包封内部的，因此该方法并不适用于已经投入工作运行的电抗器，并且所需的成本也较高。
6.电气量检测法就是通过检测电气参数的变化判断是否发生故障，其中电气量包括电压、电流、阻抗等。但是由于电抗器的自感特性，实际上电气量在电抗器匝间短路故障前后的变化并不明显，从而采用采用相应的电气量检测装置检测电气量变化的方法可能难以有效地反映匝间短路故障的出现，缺乏一定的可靠性。
7.探测线圈检测法本质是一种间接通过磁场信号检测电抗器匝间短路故障的方法。匝间短路故障时，电抗器的空间磁场分布将不再呈上下对称对称分布，因此在电抗器上下对称位置布置感应线圈，安装在干式空心电抗器两端的感应线圈会因上下所通过的磁通量不同而产生差值，从而实现对故障的检测。但该方法有着以下不足：一是感应线圈的布置可能会对电抗器的正常工作产生影响；二是当电抗器匝间短路故障程度较小及短路匝数较少时，磁通量的改变将并不明显；三是若故障发生在电抗器上下的中点横轴处，此时并不会影响上下磁场的对称分布，两端磁通量将没有差值，故该方法存在一定的测量盲区。


技术实现要素：

8.本发明公开了一种基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
10.一种基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置，包括临近干式空心电抗器设置的磁场测量探头和分别与所述磁场测量探头连接的稳压电源和数据采集处理
模块，所述磁场测量探头采用惠斯通电桥结构，所述惠斯通电桥结构包括设置有第一电阻r1的第一桥臂、设置有第二电阻r2的第二桥臂、设置有第三电阻r3的第三桥臂、设置有第四电阻r4的第四桥臂、电压输入端v
cc
以及电压输出端v0，所述第一桥臂一端连接电压输入端v
cc
，另一端连接所述第三桥臂的一端，所述第三桥臂的另一端接地；所述第二桥臂的一端连接电源v
cc
另一端连接所述第四桥臂的一端，所述第四桥臂的另一端接地，所述电压输出端v0分别连接于所述第一桥臂和所述第三桥臂之间以及所述第二桥臂和所述第四桥臂之间；所述第一电阻r1和所述第四电阻r4以及所述第二电阻r2和所述第三电阻r3的阻值变化相同，相邻的电阻的阻值变化相反。
11.作为本发明的一种优选改进，所述数据采集处理模块包括用于信号采集的a/d转换器、与所述a/d转换器连接以用于数据传输的通讯模组以及与所述通讯模组连接以用于完成磁场数据实时运算的cpu单片机。
12.作为本发明的一种优选改进，所述第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4均由磁阻效应材料制成。
13.作为本发明的一种优选改进，所述磁场测量探头采用磁阻效应传感芯片。
14.作为本发明的一种优选改进，所述磁场测量探头采用两片所述磁阻效应传感芯片，所述磁阻效应传感芯片的敏感轴沿x轴与z轴设置，分别测量干式空心电抗器水平与竖直方向的磁场大小。
15.作为本发明的一种优选改进，所述数据采集处理模块与上位机无线连接。
16.本发明的有益效果如下：
17.1、通过直接采集干式空心电抗器的匝间短路故障磁场数据的方式，实现了对电抗器的工况判断；
18.2、采用磁阻效应传感芯片作为磁场测量探头，使得磁场测量探头拥有着灵敏度高、抗干扰能力强、功耗小以及响应频率高等优点，能够可靠的完成电抗器匝间短路故障磁场的检测；
19.3、磁场测量探头不与电抗器进行直接的物理接触，因此并不会对电抗器的正常工作运行造成影响，也同时保证的测试人员的安全性；
20.4、数据采集处理模块将采集的信号通过无线传输的方式传输至上位机，实现了电气隔离。
【附图说明】
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：
22.图1为本发明基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置的结构示意图；
23.图2为本发明磁场检测装置对干式空心电抗器进行检测的示意图；
24.图3为本发明惠斯通电桥结构图。
【具体实施方式】
25.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
30.请参阅图1和2所示，本发明提供一种基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置，包括临近干式空心电抗器1设置的磁场测量探头2和分别与所述磁场测量探头2连接的稳压电源3和数据采集处理模块4。
31.所述磁场测量探头2采用惠斯通电桥结构，具体如图3所示，所述惠斯通电桥结构包括设置有第一电阻r1的第一桥臂21、设置有第二电阻r2的第二桥臂22、设置有第三电阻r3的第三桥臂23、设置有第四电阻r4的第四桥臂24、电压输入端v
cc
以及电压输出端v0，所述第一桥臂21一端连接电压输入端v
cc
，另一端连接所述第三桥臂23的一端，所述第三桥臂23的另一端接地；所述第二桥臂22的一端连接电源v
cc
另一端连接所述第四桥臂24的一端，所述第四桥臂24的另一端接地。
32.所述电压输出端v0分别连接于所述第一桥臂21和所述第三桥臂23之间以及所述第二桥臂22和所述第四桥臂24之间；所述第一电阻r1和所述第四电阻r4以及所述第二电阻r2和所述第三电阻r3的阻值变化相同，相邻的电阻的阻值变化相反。当有外加磁场作用时，第一电阻r1、第四电阻r4的阻值减小，第二电阻r2、第三电阻r3的阻值增大，全电桥的输出电压如式1所示。
[0033][0034]
式中：r为磁阻效应材料的阻值，δr为磁场作用下电阻的变化量。
[0035]
从式(1)中可以看出，磁阻效应芯片所输出的电压信号与外加的磁场呈正比关系，因此可通过输出的电压信号推导出磁场的大小，如式2所示。
[0036]
b＝k
·v0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0037]
式中：k为输出电压与磁场之间的比例系数。
[0038]
同时惠斯通电桥结构可以显著放大信号，使得电压输出更加明显，并且四个桥臂上的磁阻效应材料温度系数相同，输出信号为差分信号，由温度改变所引起的电阻变化将被抵消，可以有效地消除温度漂移误差。
[0039]
具体的，所述磁场测量探头采用磁阻效应传感芯片，磁阻效应磁场传感芯片采用惠斯通电桥结构，在给芯片施加电压后，芯片两端将输出差分电压信号。而磁阻效应传感芯片具有一个磁场敏感轴，只能感应出敏感轴方向的磁场变化，为采集到更多的磁场数据，磁场测量探头2可布置两片磁阻效应传感芯片，敏感轴沿x轴与z轴，分别测量干式空心电抗器1水平与竖直方向的磁场大小。
[0040]
需进一步说明的是，电抗器通常工作在工频条件下，根据其工作特性，采样频率可设置在3khz～10khz，并实时的用电压信号推算外加在磁场测量探头的磁场大小，并计算磁场的变化差值。采用“采五取三”的原则，在一段时间内分5次进行采样，采样间隔20ms，采样出的5组数据中若有3组出现异常，则表明电抗器发生匝间短路故障。
[0041]
具体的，所述第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第四电阻r4均由磁阻效应材料制成。这样，通过磁阻效应材料的阻值在磁场中的变化来反映磁场的大小，将所获取到的磁场数据进行分析，可以用来判断电抗器是否发生匝间短路故障。
[0042]
所述数据采集处理模块4包括用于信号采集的a/d转换器41、与所述a/d转换器41连接以用于数据传输的通讯模组42以及与所述通讯模组42连接以用于完成磁场数据实时运算的cpu单片机43。
[0043]
所述数据采集处理模块4与上位机5无线传输连接，具体的，无线传输采用zigbee网络协议将磁场数据上传至上位机5，其中无线传输距离为30～100m，传输的数据为磁场结果，由上位机5将数据进行存储和进一步分析。当然，长远距离无线传输可采用485协议的通讯电缆，使用通讯电缆连接上位机5实现数据的远距离传输。
[0044]
下面以具体实施例1对本发明提供的磁场检测装置对干式空心电抗器进行磁场检测进行详细说明。
[0045]
实施例1
[0046]
参见图2所示，干式空心电抗器1，容量60kva，系统电压10kv，额定电流189a，额定电感5.349mh，额定频率50hz。磁场测量装置的布置如图2所示。
[0047]
在干式空心电抗器1下方底部的绝缘子11附近分别设置磁场测量探头2、稳压电源3、数据采集处理模块4。磁场测量探头2数量为3个，均匀布置在电抗器1的正底部水平轴上。稳压电源3为磁场测量探头2供电，电压等级为5v。数据采集处理模块4将磁场测量探头2输出的电压信号采样，采样频率设为5khz。通过“采5取3”的方式，对采样得到的磁场数据波动进行检测。
[0048]
数据采集处理模块4计算出磁场大小与磁场差值，并将相应的结果数据通过无线通讯的方式上传至上位机5，完成电气隔离。
[0049]
在本实例中，当采样所得到的磁场数据波动超过所设定的阈值即可判断电抗器的工作状况出现异常：当采样点处磁场差值与磁场之比大于0.05时，即可认为电抗器发生匝间短路故障。
[0050]
本发明的有益效果如下：
[0051]
1、通过直接采集干式空心电抗器的匝间短路故障磁场数据的方式，实现了对电抗器的工况判断；
[0052]
2、采用磁阻效应传感芯片作为磁场测量探头，使得磁场测量探头拥有着灵敏度高、抗干扰能力强、功耗小以及响应频率高等优点，能够可靠的完成电抗器匝间短路故障磁场的检测；
[0053]
3、磁场测量探头不与电抗器进行直接的物理接触，因此并不会对电抗器的正常工作运行造成影响，也同时保证的测试人员的安全性；
[0054]
4、数据采集处理模块将采集的信号通过无线传输的方式传输至上位机，实现了电气隔离。
[0055]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。