超高压穿墙套管的电气状态检测系统的制作方法

本发明涉及电力系统输变电技术领域，具体涉及一种超高压穿墙套管的电气状态检测系统。

背景技术：

在超(特)高压交流变电站以及高压直流输电的换流站，某些设备必须设置在户内，以保证良好的运行环境，比如防止污秽、雨雾等导致的外部绝缘故障。其中一个典型的案例是：在直流输电系统的换流站，换流阀都是安装在阀厅内，需要通过高压直流穿墙套管连接换流阀和室外的直流设备。

超(特)高压穿墙套管由于其外绝缘性能的要求，导致其总长度超出制造的工艺控制水平，因此对超(特)高压穿墙套管，一般采取两节制造然后对接组装的方式安装。图1是现有超(特)高压穿墙套管的典型结构原理图，其中由套管1(户内部分)和套管2(户外部分)两节对接组装构成。套管1具有外套1-1，高压导电杆1-2，电容层1-3，末屏1-4及末屏接地端子1-5，法兰1-6。套管2具有外套2-1，高压导电杆2-2，电容层2-3，末屏2-4及末屏接地端子2-5，法兰2-6。套管1和套管2通过法兰1-6和2-6实施密封和对接，并通过法兰将套管固定安装在墙壁上；导电杆1-2和2-2则通过一铜质圆筒3实施电气连接，圆筒3与导电杆1-2及2-2之间还有镀银弹性触指增强其接触性能。

但是，实际运行中的穿墙套管会由于各种原因导致故障，比如套管内部沿面放电，套管电容击穿等。现有的套管状态监测方法是通过抽取套管的油样或者SF₆气体样本检测其中的油、气成分，通过检测到的成分分析套管的状态。这种方式的缺陷是，一般要等待停电的时候抽样；另外就是一般油、气的成分变化往往滞后于套管的电气性能变化，导致检测的时效性问题。也有通过在套管末屏接地引下线安装电流互感器的方式来监测套管介损和电容量变化实施套管检测的方式，但是这种方式可能造成套管末屏在运行中开路，其应用因此范围受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高压穿墙套管的电气状态检测系统，以快速安全地检测套管的状态。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种超高压穿墙套管的电气状态检测系统，包括电压电流检测电路和监测保护模块；

所述穿墙套管由套管1和套管2两节套管对接组装而成，在套管1和套管2的次外层电容屏分别引出一测量端子；

所述电压电流监测电路包括第一测量单元、第二测量单元和光电转换器，所述光电转换器接所述监测保护模块；

在套管1的测量端子与接地点之间串联所述第一测量单元，所述第一测量单元由外接电容C₁和外接电流互感器TA1串联组成，所述外接电容C₁高压端接入套管1的测量端子，外接电流互感器TA1的低压端接地；在套管2的测量端子与接地点之间串联所述第二测量单元，所述第二测量单元由外接电容C₂和外接电流互感器TA2串联组成，所述外接电容C₂高压端接入套管2的测量端子，外接电流互感器TA2的低压端接地；

将套管1外接电容C₁两端的电压测量信号U₁、将套管2外接电容C₂两端的电压测量信号U₂、套管1外接电流互感器TA1的电流测量信号I_C1，以及套管2外接电流互感器TA2的电流测量信号I_C2分别接入光电转换器的输入端，光电转换器将电压测量信号U₁、电压测量信号U₂、电流测量信号I_C1和电流测量信号I_C2转换成光信号后，通过光纤传输至所述监测保护模块；

通过下式设置外接电容C₁和C₂的值：

其中，U₀为所述穿墙套管的导电杆的一次电压；U₀₁、U₀₂分别为套管1、套管2外接电容C₁、C₂两端的测量电压设计值，C₀₁、C₀₂分别为套管1、套管2的导电杆与测量端子之间的出厂电容值，C_d1、C_d2分别为套管1、套管2的末屏接地端子与测量端子之间的出厂电容值；

所述监测保护模块通过检测I_C1/U₁是否等于初始设置值jωC₁来判断外接电容C₁是否正常；通过检测I_C2/U₂是否等于初始设置值jωC₂来判断外接电容C₂是否正常；

若外接电容C₁和外接电容C₂均正常，所述套管监测保护模块通过检测套管1和套管2测量端子外接电容的电压测量信号U₁与电压测量信号U₂的比值是否接近于根据套管出厂值C₀₁、C₀₂、C_d1、C_d2与设置值C₁、C₂计算的如下初始设置值

和/或

通过套管1和套管2的测量端子外接电流互感器的电流测量信号与的比值是否接近于根据套管出厂值C₀₁、C₀₂、C_d1、C_d2与设置值C₁、C₂计算的如下初始设置值

来判断套管内部的电容量C₀₁、C_d1、C₀₂、C_d2是否出现变化，实现套管的状态监测。

本发明超高压穿墙套管的电气状态检测系统对传统的穿墙套管做了部分技术改进，并在此基础上设计了电压电流检测电路和监测保护模块，通过检测外接电容的电压和外接电流互感器的电流对穿墙套管的状态进行监测与保护，由于可以随时检测且不影响套管的运行，使得本检测系统具有较高的时效性和安全性。

附图说明

图1是现有超(特)高压穿墙套管的结构原理图；

图2是改进的超(特)高压穿墙套管的结构原理图及其电压电流检测电路；

图3是图2去除标记后的简化图；

图4是电压电流检测电路的一个实施例；

图5本发明实施例超高压穿墙套管的电气状态检测系统的结构示意图；

图6是套管及其电压电流检测电路的等效原理电路图；

图7是本发明实施例中的监测与保护逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

图2是改进的超(特)高压穿墙套管的结构原理图，其中由套管1(户内部分)和套管2(户外部分)两节对接组装构成。套管1具有外套1-1，高压导电杆1-2，电容层1-3，末屏1-4及末屏接地端子1-5，法兰1-6。套管2具有高压外套2具有外套2-1，高压导电杆2-2，电容层2-3，末屏2-4及末屏接地端子2-5，法兰2-6。套管1和套管2通过法兰1-6和2-6实施密封和对接，并通过法兰将套管固定在墙壁上；导电杆1-2和2-2则通过一铜质圆筒3实施电气连接，圆筒与导电杆1-2及2-2之间还有镀银弹性触指增强其接触性能。此外，在套管1增加一电压测量端子1-7，在套管2增加一电压测量端子2-7。这两个电压测量端子分别由套管1和套管2的次外层电容屏中引出。

测量端子如果不外接测量装置，一般是直接可靠接地，这使得套管的接地更加可靠，因为有两个接地点，可以防止其中的末屏接地点或者测量接地点开路导致的套管故障。

如图2所示，在套管1的测量端子1-7与接地点之间串联一测量单元，所述的测量单元由电容C₁和电流互感器TA1串联组成，所述的电容C₁高压端接入套管的测量端子1-7，电流互感器TA1的低压端接地；在套管2的测量端子与接地点之间串联一测量单元，所述的测量单元由电容C₂和电流互感器TA2串联组成，所述的电容C₂高压端接入套管的测量端子2-7，电流互感器TA2的低压端接地。为便于查看，将图2中的标记删除，得到图3。

所述的套管监测系统还包括：在套管1和套管2的测量单元分别并联一放电间隙与避雷器或压敏电阻，放电间隙与避雷器或压敏电阻的高压端与外接电容的高压端并联，低压端接地。图4为放电间隙与避雷器或压敏电阻接入前置测量电路的方式，其中C和TA分别代表图2中套管1的C₁和TA₁或者套管2中的C₂和TA₂，10为放电间隙，11为避雷器或者压敏电阻。

图4中还包括光电转换器，光电转换器的输入端引入套管1外接电容C₁两端的电压测量信号U₁、套管2外接电容C₂两端的电压测量信号U₂、套管1外接电流互感器TA1的电流测量信号I_C1、套管2外接电流互感器TA2的电流测量信号I_C2，光电转换器将U₁、U₂、I_C1、I_C2转换成光信号后，通过光纤传输至监测保护模块。

图5是本发明的检测与保护控制总框图。其中的电压和电流检测电路如图2所示，通过光电转换器将U₁、U₂、I_C1、I_C2转换成光信号后，通过光纤传输至监测保护模块。监测保护模块则实施对检测量U₁、U₂、I_C1、I_C2的分析判断，通过分析判断的结果发出告警信号或者控制信号。

在具体实施方式上，首先要获取套管出厂时的各电容值：套管1的导电杆1-2与测量端子1-7之间的电容值C₀₁，套管1的末屏接地端子1-5与测量端子1-7之间的电容值C_d1；套管2的导电杆2-2与测量端子2-7之间的电容值C₀₂，套管2的末屏接地端子2-5与测量端子2-7之间的电容值C_d2。在获知上述出厂值后，可以通过下式选择并设置外接测量电容C₁和C₂的值：

其中U₀是穿墙套管导电杆的一次电压，U₀₁是套管1的外接电容C₁两端的电压测量设计值，U₀₂是套管2的外接电容C₂两端的电压测量设计值。一般在设计时选择U₀₁＝U₀₂。

应用图2至图5所示的超(特)高压套管电流和电压的检测电路，实现套管保护的原理如下：

首先将图2的一次电路简化，得到图6的简化原理图，该简化原理图针对套管1而言。套管2的简化原理图在电路形式上与图6一致，只需将套管2的各电气量替代套管1中相应的电气量即可。

正常情况下，通过套管1的外接电容C₁检测到的电压U₁为

通过套管2的外接电容C₂检测到的电压U₂为

通过套管1外接电流互感器TA1检测到的电流I_C1为

通过套管2外接电流互感器TA2检测到的电流I_C2为：

通过套管1的检测电压I_C1和U₁的比值得到

通过套管2的检测电压I_C2和U₂的比值得到

因此，通过监测回路检测I_C1/U₁的值，I_C2/U₂的值是否分别满足上述两个关系，即可判断C₁和C₂的状态。如果C₁或者C₂偏离了上述初始值，说明C₁或者C₂出现问题。

另外，可以分别通过U₁和U₂的比值来判断套管的状态。套管正常条件下，其比值满足下述关系

亦可以通过电流I_C1和I_C2的比值来判断套管的状态。套管正常条件下，其比值满足下述关系

在外接电容C₁和C₂正常的条件下，如果套管内部的电容值出现任何变化，则上述比值将偏离原始值，说明套管出现故障，有内部电容击穿。

在外接电容C₁和C₂正常的条件下，套管内部出现任何故障，由此导致电压比值以及但是依照(13)和(14)式，k_U和k_I的变化趋势一致，且保持k_U/k_I≈1。因此可以通过此方式判断监测保护系统是否正常，实现保护装置的自检功能。

正常情况下，式(13)和式(14)是相角接近于零的常复数，且相角基本等于零。如果套管1或者套管2的介损值出现变化变化，则可以通过式(13)和式(14)反映出来，即通过检测的相角以及的相角变化，实现套管的介损监测功能。

依据上述原理，对超(特)高压套管实现监测和保护的方法如下：

(1)设置

(2)计算实际的测量电压U₁和测量电压U₂的比值进一步计算k_U与k_U0的比值A_U＝k_U/k_U0。如果A_U≈1，则说明套管处于正常状态；如果A_U≥A₂，或者A_U≤A₃(A₃＝1/A₂)，则套管处于轻微故障，发出告警信号；如果A_U≥A₁，或者A_U≤A₄(A₄＝1/A₁)，则发出跳闸信号。

(3)设置

(4)计算实际的测量电流I_C1和测量电流I_C2的比值进一步计算k_I与k_I0的比值A_I＝k_I/k_I0。如果A_I≈1，则说明套管处于正常状态；如果A_I≥A₂，或者A_I≤A₃(A₃＝1/A₂)，则套管处于轻微故障，发出告警信号；如果A_I≥A₁，或者A_I≤A₄(A₄＝1/A₃)，则发出跳闸信号。

(5)利用测量电压U₁和测量电流I_C1推算出测量导纳或阻抗值是否与外接电容C₁的导纳或阻抗值的初始值一致，来判断外接电容C₁是否正常；同时利用测量电压U₂和测量电流I_C2推算出测量导纳或阻抗值是否与外接电容C₂的导纳或阻抗值一致，来判断外接电容C₂是否正常。

(6)利用实际测量得到的A_U/A_I是否接近于1，来实现套管监测系统的自检功能

图7是本发明实施例提供的监测与保护处理模块的工作原理图，

本实施例中设置有4个保护的整定值：跳闸值A₁、告警值A₂、告警值A₃、跳闸值A₄。这4个整定值需满足A₁>A₂>1>A₃>A₄的关系。A₁～A₄整定值的具体取值可以根据具体的条件进行确定。根据预防性试验规程，可以考虑将A₁设置为1.15，将A₂设置为1.05。

由于套管从轻度击穿到严重击穿的时间过程将持续数个周波乃至数小时，在检测到电压的比值k_U和电流的比值k_I出现越限时，通过告警或者跳闸的方式防止套管接地短路的发生。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。