一种用于绝缘子泄露电流监测的装置及方法

本发明属于输电线路在线监测设备，特别涉及一种用于绝缘子泄露电流监测的装置及方法。

背景技术：

1、高压输电线路上设置有绝缘子，绝缘子的质量直接关系到电网的安全稳定运行；其中，长时间运行的绝缘子经历了风吹日晒、雨雪侵蚀和应力集中产生的裂缝和其他缺陷，会引发绝缘子绝缘功能失效，导致绝缘子发生脆性或者击穿事故，造成严重的经济损失。

2、绝缘子的性能可以通过流过其自身的泄露电流大小来进行判断，当绝缘子出现整体性或局部性缺陷，其泄露电流会出现异常；因此，通过监测绝缘子泄露电流可以获得绝缘子的工况。现有技术中，绝缘子泄露电流的监测是采用人工巡检的方式(人工利用绝缘子泄露电流监测仪检测)完成的，人工巡检方式存在受自然环境和地理条件的限制较大，效率较低，定期巡检时间间隔长，以及一线电力工人作业负担重等缺陷。

3、随着电力物联网的快速建设和发展，具有物联网接口的在线监测系统正在成为保障现代电力系统可靠稳定运行的重要组成部分，应用前景广阔；综上，亟需一种新的用于绝缘子泄露电流监测的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于绝缘子泄露电流监测的装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的装置，可实现高压输电线路中绝缘子泄露电流的自取能和自主监测，具有稳定性及可靠性高的优势。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种用于绝缘子泄露电流监测的装置，包括：

4、能量收集器，所述能量收集器用于与地面或高压输电线形成寄生电容，并在高压交变电场作用下产生微安级位移电流；

5、高压电场感应取能主电路及控制电路，所述高压电场感应取能主电路及控制电路中设置有电解电容器；所述高压电场感应取能主电路及控制电路用于将所述微安级位移电流的能量转化为所述电解电容器的电场能；

6、降压斩波电路，所述降压斩波电路中设置有超级电容器；所述降压斩波电路用于将所述电解电容器的电场能转化为所述超级电容器的电场能；

7、微安级电流互感器，所述微安级电流互感器用于采集获取绝缘子的泄漏电流；

8、泄露电流监测电路，所述泄露电流监测电路用于获取所述微安级电流互感器采集获取的泄漏电流的电流值大小并输出；

9、其中，所述超级电容器的电场能用于给所述泄露电流监测电路供电。

10、本发明的进一步改进在于，所述能量收集器为中空圆柱体结构，由侧面外壳、圆环形上底面和圆环形下底面三部分组成，材料为铝合金。

11、本发明的进一步改进在于，所述侧面外壳、圆环形上底面和圆环形下底面的厚度为2mm～6mm。

12、本发明的进一步改进在于，所述高压电场感应取能主电路及控制电路包括：3级级联的取能电路；

13、第1级取能电路，包括：电容c1、二极管d1-2、电感l1、电解电容器ce、n-mos管q1、续流二极管vd和高频控制电路hfcc；其中，电容c1的一端用于通入微安级电流idc，idc为流过电场能量收集器的交流位移电流经h桥整流后得到的直流电流，电容c1的另一端和第1级取能电路的参考地gnd1相连接；电容c1用于通入idc的一端与二极管d1-2的阳极相连接，二极管d1-2的阴极与电感l1的一端相连接，电感l1的另一端与电解电容器ce的正极一端相连接，电解电容器ce的负极端与n-mos管q1的漏极相连接，n-mos管q1的源极作为第1级取能电路的参考地；高频控制电路hfcc用于控制n-mos管q1的门极，其输出接q1门极，使其工作在高频开关状态；续流二极管vd阳极接电解电容器ce的负极，阴极接于二极管d1-2阴极和电感l1一端，用于n-mos管q1关断时为电感l1中电流提供流通路径；

14、第2级取能电路，包括：电容c2、二极管d2-1、d2-2和d2-3、n-mos管q2和第2级低频控制电路lfcc；其中，电容c2的一端接二极管d2-1的阴极，电容c2的另一端接第2级取能电路的参考地gnd2；二极管d2-1的阳极与第1级取能电路的参考地gnd1相连接，阴极与二极管d2-2的阳极相连接，用于防止参考地gnd1和第2级发生短路；二极管d2-2的阴极与二极管d2-3的阳极相连接，用于防止下级电路反向给电容c2充电；二极管d2-3的阴极与第1级取能电路的二极管d1-2的阴极和续流二极管vd的阴极以及电感l1的一端相连接；n-mos管q2漏极与第1级取能电路的参考地gnd1相连接，源极与第2级取能电路参考地gnd2相连接；第2级低频控制电路lfcc用于产生n-mos管q2的低频驱动信号，当电容c2电压u2高于另一个设定值时，控制n-mos管q2导通；

15、第3级取能电路，包括：电容c3、二极管d3-1、d3-2和d3-3、n-mos管q3和第3级低频控制电路lfcc；其中，电容c3的一端接二极管d3-1的阴极，电容c3的另一端接第3级取能电路的参考地gnd3；二极管d3-1的阳极与第2级取能电路的参考地gnd2相连接，阴极与二极管d3-2的阳极相连接，用于防止参考地gnd2和第3级发生短路；二极管d3-2的阴极与二极管d3-3的阳极相连接，用于防止下级电路反向给电容c3充电；二极管d3-3的阴极与第2级取能电路的二极管d2-2的阴极和二极管d2-3的阳极相连接；n-mos管q3漏极与第2级取能电路的参考地gnd2相连接，源极与第3级取能电路参考地gnd3相连接；第3级低频控制电路lfcc用于产生n-mos管q3的低频驱动信号，当电容c3电压u3高于另一个设定值时，控制n-mos管q3导通。

16、本发明的进一步改进在于，高频控制电路hfcc包括：电阻rf1、rf2、rf3和rf5，n-mos管qf1，电解电容cf1和cf2，ldo、滞环比较器af1和af2，开关k1和k2，以及驱动器；

17、电阻rf1一端与二极管d1-2的阴极以及电阻rf3一端相连接，另一端与电阻rf2的一端以及n-mos管qf1的门极相连接；电阻rf2与电阻rf1连接的一端与n-mos管qf1门极相连接，另一端与第1级取能电路参考地gnd1相连接；其中，电阻rf1与电阻rf2串联连接进行分压，用于控制n-mos管qf1门极电压；

18、电阻rf3一端和二极管d1-2的阴极连接，另一端与n-mos管qf1的漏极连接，用于限制电解电容cf1的充电电流；

19、n-mos管qf1的源极接电解电容cf1的正极，用于形成源极跟随器给电解电容cf1充电；

20、电解电容cf1的负极与gnd1相连，电解电容cf1的储存能量用于作为ldo的能量输入来源；

21、ldo输入端接电解电容cf1的正极，参考地位gnd1，输出与开关k1的一端连接，用于输出稳压电源vcc1供hfcc其余部分工作；

22、滞环比较器af1供电端接ldo的输出，同向输入端接va+，反向输入端接vr1、vr2，用于输出用来控制开关k1的开关状态；其中，当开关k1打开时，vcc1供后续部分工作，当k1关闭时，vcc1仅供滞环比较器af1工作；

23、开关k1的另一端与电阻rf5以及滞环比较器af2的供电端连接，电阻rf5和电解电容cf2串联，两者中间电压信号va+与滞环比较器af2的同向输入端连接，反向输入端接vr3、vr4，输出与驱动器的输入连接；

24、驱动器的电源端与n-mos管qf1的源极连接，参考地位gnd1，输出接n-mos管q1门。

25、本发明的进一步改进在于，低频控制电路lfcc包括：电阻ri1、ri2、ri3、n-mos管qi1、电解电容ci1、ldo、滞环比较器ai1和驱动器；

26、其中，电阻ri1一端与二极管d2-3或二极管d3-3以及电阻ri3一端相连接，另一端与电阻ri2的一端以及n-mos管qi1的门极相连接；

27、电阻ri2与电阻ri1连接的一端与n-mos管qi1门极，另一端与第2级取能电路参考地gnd2或第3级取能电路参考地gnd3相连接；其中，电阻ri1与电阻ri2串联连接进行分压，用于控制n-mos管qi1门极电压；

28、电阻ri3与电阻ri1连接的一端还和二极管d2-3或二极管d3-3连接，另一端和n-mos管qi1的漏极连接，用于限制电解电容ci1的充电电流；

29、n-mos管qi1源极接电解电容ci1的正极，用于形成源极跟随器给电解电容ci1充电；

30、电解电容ci1的负极与gnd2或gnd3相连，电解电容ci1的储存能量用于作为ldo的能量输入来源；

31、ldo输入端接电解电容ci1的正极，参考地位gnd2或gnd3，输出与开关k1的一端连接，输出为稳压电源vcc3供lfcc其余部分工作；

32、滞环比较器ai1供电端接ldo的输出，同向输入端接vc+，反向输入端接vr5、vr6，输出与驱动器的输入连接，驱动器的电源端与n-mos管qi1的源极连接，参考地位gnd2或gnd3，输出接q2或q3门，作为q2或q3的低频驱动信号。

33、本发明的进一步改进在于，所述降压斩波电路包括输入端vin、接地端gnd、工作使能端en、输出端sw、反馈端fb、基准电压vcc、电压调节器avr、峰值电流控制器pcm、电压倒向及直流偏置电路afv、电感l2、电容cx、电阻rx、滞环比较器afx和开关kx；

34、输入端vin与电解电容器ce的电压正端相连接，接地端gnd与电解电容器ce的接地端相连接；

35、工作使能端en的电平控制信号来自高频控制电路hfcc；

36、电压倒向及直流偏置电路afv、基准电压vcc和电压调节器avr共同构成电压反馈控制环；电压倒向及直流偏置电路afv的输入端与基准电压vcc和电解电容器的电压正端相连接，电压倒向及直流偏置电路afv的输出端与反馈端fb相连接，反馈端fb在内部连接电压调节器avr，通过与基准电压输入的比较实现电压反馈输出；

37、电路内置电流反馈控制环，电压调节器avr的输出与峰值电流控制器pcm连接，峰值电流控制器pcm的输出与脉冲控制内部开关连接，实现输入端vin和输出端sw的导通和关断；

38、电阻rx的一端与开关kx串联，另一端与超级电容器cs的正极连接，滞环比较器afx的同向输入端与电阻分压桥臂连接，反向输入端与vcc连接，输出与开关kx的控制端连接，实现稳定超级电容器电压的功能。

39、本发明的进一步改进在于，所述泄露电流监测电路包括：泄露电流测量电路、mcu和nb-iot模块；

40、所述泄露电流测量电路包括：二极管d1、d2、d3和d4，电阻rx，开关ky和电容cf；

41、其中，二极管d1的阳极与二极管d3的阴极以及微安级电流互感器的一个输入端连接，二极管d2的阳极与二极管d4的阴极以及微安级电流互感器的另一个输入端连接，二极管d1的阴极与二极管d2的阴极连接，二极管d3的阳极与二极管d4的阳极连接并连接gnd；电阻rx的一端与电容cf的正极以及二极管d1的阴极连接，另一端与开关ky连接，开关ky以及电容cf的负极与接地端gnd连接；所述泄露电流测量电路用于将所述微安级电流互感器采集到的绝缘子泄露电流转化为电压信号；

42、所述mcu的电源输入与所述降压斩波电路的输出侧连接，所述mcu的ad采样与所述泄露电流测量电路中电容cf的正极输出连接，所述mcu的io口与所述泄露电流测量电路中开关ky的控制端连接，所述mcu的串口与nb-iot模块的串口连接，所述mcu用于采样所述泄露电流测量电路输出的电压信号并计算获得泄露电流值，控制所述nb-iot模块的工作并将泄露电流值通过串口发送给所述nb-iot模块；

43、所述nb-iot模块的电源输入与所述降压斩波电路的输出侧连接，所述nb-iot模块的控制引脚与mcu连接，所述nb-iot模块连接信号天线，用于将所述泄露电流值发出。

44、本发明的进一步改进在于，所述采样所述泄露电流测量电路输出的电压信号并计算获得泄露电流值中，

45、流过绝缘子的泄露电流经微安级电流互感器测量后经整流桥给电容cf充电，电容cf上的电压从零开始上升，此时控制器中开始计时，当到达所设定阈值时，比较器输出低电压信号给控制器，控制器控制开关q1开通，电容cf放电，控制器停止计时，通过adc2采集到电容cf达到的最大电压，根据计算出平均泄漏电流的大小；其中，t是电容cf充电过程的时间，u是电容cf达到的最大电压。

46、本发明提供的一种用于绝缘子泄露电流监测的方法，基于本发明上述的用于绝缘子泄露电流监测的装置，所述方法包括以下步骤：

47、将所述用于绝缘子泄露电流监测的装置安装在待监测绝缘子接地侧或导线侧；所述能量收集器与地面或高压输电线形成寄生电容，在高压交变电场作用下产生微安级位移电流；

48、所述高压电场感应取能主电路及控制电路将所述微安级位移电流的能量转化为所述电解电容器的电场能；

49、所述降压斩波电路将所述电解电容器的电场能转化为说是超级电容器的电场能；

50、所述微安级电流互感器采集获取绝缘子的泄漏电流；

51、所述泄露电流监测电路获取所述微安级电流互感器采集获取的泄漏电流的电流值大小并输出；

52、其中，所述超级电容器的电场能用于给所述泄露电流监测电路供电。

53、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

54、本发明提供了一种基于电场感应取能技术的绝缘子泄露电流监测装置，其基于高压电场感应取能原理，通过能量收集器、高压电场感应取能主电路及控制电路实现装置的自主取能，具有很高的稳定性和安全性，且受电力线工况和环境影响很小；可通过泄露电流监测电路，将准确的泄露电流值发送给接收终端，实现了绝缘子泄露电流的自主监测，极大的降低了电力运检部门的运检成本和人力成本，具有重要的实际意义，能够带来较好的经济效益和社会效益。综上所述，本发明提供的装置可实现高压输电线路中绝缘子泄露电流的自取能和自主监测，具有稳定性及可靠性高的优势，极大的降低了电力运检部门的运检成本和人力成本。