一种干式空心电抗器在线监测装置及检测方法与流程

1.本发明属于电力系统保护领域，涉及电抗器故障防护领域，特别涉及一种新型的干式空心电抗器匝间短路及断线故障在线监测识别装置及检测方法。


背景技术：

2.就现阶段的发展而言，行业内的在线监测装置根据在线监测装置的监测内容可以大致分为三种，即基于温升、基于磁场探测和基于电流特征测量的干式空心电抗器动态监测装置。其中基于温升的在线监测装置对产品寿命造成影响本高，实施复杂，推广难度高；基于磁场探测在线监测装置不能直接体现产品故障参数的变化，而且易受变电站电磁干扰的影响；基于电流特征测量的在线监测装置检测灵敏度偏低，且对于断线等对损耗影响不大的故障识别适用性低。
3.本发明的在线监测装置属于基于电流特征测量的在线监测装置，但本发明选用更优越的电流采集方案，增加了电流采集点的数量，优化了故障判断识别算法，提高了装置灵敏度。


技术实现要素：

4.本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种干式空心电抗器在线监测装置及检测方法。
5.本发明是通过如下技术方案实现的：一种干式空心电抗器在线监测装置，包括：数据采集模块、后台控制模块，数据采集模块、后台控制模块通过无线通讯连接；所述数据采集模块包括取能ct、罗氏线圈、就地采集板，其中取能ct套在电抗器的进线母排上，罗氏线圈套在空心电抗器的星架臂上，用来采集干式空心电抗器各个星架臂的电流，并根据采集到的各星架臂电流计算出对应的裂相横插算法矩阵；所述就地采集板包括板卡，电流积分器、和放大电路模块，所述电流积分器、和放大电路模块通过数模转换芯片模块连接主芯片模块，主芯片模块连接zigbee无线通讯模块，然后通过无线通讯传输至后台控制板模块；所述后台控制模块包括台式电脑模块、后台控制板模块，为根据数据采集模块传输过来的空心电抗器各星架臂数据和对应的裂相横插算法矩阵对电抗器进行匝间短路及断线故障识别和判断，并在识别出故障后及时发出故障信号并报警，以便对电抗器匝间电路及断线故障及时进行控制；所述后台控制板模块包括后台控制板，用来判断识别电抗器故障并发出故障信号和报警。
6.进一步地，所述罗氏线圈通过罗氏线圈安装外壳固定在空心电抗器的星架臂上，罗氏线圈安装外壳包括安装外壳和固定螺栓，罗氏线圈卡在外壳凹槽内。
7.所述就地采集板的板卡通过取能ct搭配电源模块提供电源输入，罗氏线圈采集到的空心电抗器电流信号由下方端子进入板卡。
8.所述就地采集板通过自带的安装孔和取能ct的配套电源模块一起通过螺栓固定在控制机箱底部的绝缘板上，绝缘板使用螺栓固定在控制机箱内。
9.后台控制板模块的台式电脑包含7个页面，即主页面、定值设置页面、数据图表页面、电流图表页面、数据归档页面、soe查询页面和联系页面本发明还提供了一种干式空心电抗器在线监测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：s1: 将罗氏线圈通过罗氏线圈安装外壳套在干式空心电抗器的星架臂上，采集干式空心电抗器各个星架臂的电流；s2: 罗氏线圈采集的电流信号进入就地采集板后先经过电流积分器和放大电路模块做初步的信号还原，然后经过数模转换芯片模块做数模转换后进入主芯片模块，对数据进行处理并计算相应的裂相横插算法矩阵；s3：后台控制模块的后台控制板通过zigbee无线通讯模块从数据采集模块接收到s2得到的裂相横插算法矩阵后，将其输送到主芯片内，进行电抗器匝间短路及断线故障识别判断。
10.进一步地，所述s1中设置8个星架臂，所述s2中，计算相应的裂相横插算法矩阵过程如下：实时测得其八个星架臂的电流数据，记为i1、i2、i3......i7、i8。对于这八个电流数据，使其两两之间互相做比，即可得到针对此组电流数据的实时裂相横插算法矩阵q[i][j]，即：q[i][j]=ii/ij（i≤j且i≤8，j≤8）进一步地，所述s3中电抗器匝间短路及断线故障识别判断过程如下：后台控制板接收到两个相隔故障判断时限t的裂相横插算法矩阵q1[i][j]和q2[i][j]后，先逐项计算两个矩阵的变化率d[i][j]，即：d[i][j]=(q2[i][j]-q1[i][j]) / q1[i][j]（i≤j且i≤8，j≤8）若某一项变化率超过故障识别定值d，即存在d[i][j]》d，则装置判断此电抗器出现匝间短路或断线故障。
[0011]
与现有技术相比，本发明的有益之处为：1、本发明可以对四星臂、六星臂、八星臂的干式空心电抗器各星架臂电流进行实时动态监测，将这些电流数据实时显示在装置后台；可以对电抗器的正常工作状态和匝间短路或断线故障状态进行识别，并发出故障信号和报警信息；可以在装置后台对故障数据进行查询，大致确认出现匝间短路或断线故障的位置，方便对干式空心电抗器匝间短路或断线故障进行排查；监测系统和后台控制部分使用无线连接，可以远程监测，避开了场地和环境的限制；2、本发明属于基于电流特征测量的在线监测装置，但本发明选用更优越的电流采集方案，增加了电流采集点的数量，优化了故障判断识别算法，提高了装置灵敏度。
附图说明
[0012]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0013]
图1为罗氏线圈外壳3d模型；
图2为就地采集板结构图；图3为控制机箱底部绝缘板开孔图；图4为控制机箱结构图；图5为后台界面主页面；图6为后台界面定值设置页面；图7为后台界面数据图表页面；图8为后台界面电流图表页面；图9为后台界面数据归档页面；图10为后台控制板结构图；图11为后台控制板挡条3d模型；图12为本干式空心电抗器在线监测装置系统图；图13为就地采集板积分放大电路原理图；图14为就地采集板无线传输部分原理图；图15为后台控制板故障信号输出电路；图中，1、罗氏线圈安装外壳，2、安装外壳，3、固定螺栓，4、外壳凹槽。
具体实施方式
[0014]
下面未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。
[0015]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0016]
实施例1本发明提供了一种干式空心电抗器在线监测装置，主要针对识别干式空心电抗器的匝间短路及断线故障，此装置包含两大模块，即数据采集模块和后台控制模块。根据电抗器的结构特点和两个模块的功能不同，这两个模块在电抗器现场分开安装，二者通过无线通讯连接起来。下面对这两个模块在本空抗在线监测装置中的功能和在电抗器现场的安装环境做详细描述。
[0017]
此空心电抗器在线监测装置的数据采集模块的主要功能为采集干式空心电抗器各个星架臂的电流，并根据采集到的各星架臂电流计算出对应的裂相横插算法矩阵。数据采集模块所包含的元器件有三种，即取能ct、罗氏线圈和就地采集板。其中取能ct和罗氏线圈可根据电抗器的型号选型并直接在市面上购买，而就地采集板则为一块pcb板卡，需搭载arm程序使用。
[0018]
数据采集模块在现场安装时，取能ct直接套在电抗器的进线母排上即可根据母排上的电流感应出电动势，再经其配套的电源模块整流后即可给就地采集板供电；罗氏线圈是电抗器星架臂电流数据的最初始采集单元，需将其套在空心电抗器的星架臂上。
[0019]
如图1所示，使用罗氏线圈安装外壳1来固定罗氏线圈，此外壳包含一个安装外壳2和7个固定螺栓3，均使用耐高温尼龙绝缘材料，安装时先将罗氏线圈卡在外壳凹槽4内，在
利用7个固定螺栓将外壳固定在空心电抗器的星架臂上，由此实现罗氏线圈的安装固定。就地采集板是数据采集模块的主要元器件，其外形尺寸为168mm*142mm，结构如图2所示。板卡由取能ct搭配电源模块提供+12v电源输入，罗氏线圈采集到的空心电抗器电流信号由下方16p端子进入板卡，此端子最多可同时接收8个罗氏线圈采集到的电流信号，对应空心电抗器的8个星架臂。电流信号进入就地采集板后先经过电流积分器和放大电路模块做初步的信号还原，然后经过数模转换芯片模块做数模转换后进入主芯片模块，按照其中搭载的arm程序逻辑对数据进行处理并计算相应的裂相横插算法矩阵后将结果输送至zigbee无线通讯模块，通过无线通讯传输至后台控制板模块。本事实例中，数模转换芯片模块使用数模转换芯片ad7606，主芯片模块使用主芯片stm32f407。就地采集板通过自带的6个安装孔和取能ct的配套电源模块一起通过尼龙螺栓固定在如图3所示的控制机箱底部绝缘板上，图中的虚线框为电源模块和就地采集板的外部轮廓，绝缘板使用螺栓固定在如图4所示控制机箱内。
[0020]
本实施例中，就地采集板积分放大电路原理图、就地采集板无线传输部分原理图如图13、14所示，后台控制板故障信号输出电路如图15所示。
[0021]
此空心电抗器在线监测装置后台控制模块的主要功能为根据数据采集模块传输过来的空心电抗器各星架臂数据和对应的裂相横插算法矩阵对电抗器进行匝间短路及断线故障识别和判断，并在识别出故障后及时发出故障信号并报警，以便对电抗器匝间电路及断线故障及时进行控制。此模块主要由台式电脑模块和后台控制板模块组成，其中台式电脑可在市面上购买合适的型号并搭载后台界面即可，后台控制板则和就地采集板一样为pcb板卡，同样需要搭载arm程序使用。
[0022]
关于后台控制模块的台式电脑所搭载的后台界面，其包含7个页面，即主页面、定值设置页面、数据图表页面、电流图表页面、数据归档页面、soe查询页面和联系页面。部分关键页面布置如图5—图9所示。主页面用于显示一套电抗器设备的三相三个电抗器各星架臂的实时电流数据和流过电抗器的总电流数据，并在侧边显示后台管理板和就地采集板的通讯状态，以及对电抗器是否故障进行指示。定值设置页面用于显示和下发电抗器各星架臂电流计算和电抗器故障判断的定值。数据图表页面用于显示基于各星架臂实时电流数据计算得到的裂相横插算法矩阵，包括实时矩阵的显示和历史故障矩阵的查询。电流图表页面用于查询某一相电抗器在某个时间段内各星架臂的历史电流数据。数据归档页面用于查询某一相电抗器在某一时间段内的历史故障矩阵记录。soe查询页面用于查询soe记录，并显示三相通道的运行状态。联系页面则用于显示联系方式等相关信息，便于用户和开发人员的沟通。
[0023]
关于后台控制模块的后台控制板，此板卡是判断识别电抗器故障并发出故障信号和报警的关键元器件，板卡外形尺寸为130mm*70mm，其结构如图10所示。后台控制板通过zigbee无线通讯模块从数据采集模块接收到电抗器各星架臂的电流数据和对应的裂相横插算法矩阵后，将其输送到主芯片stm32f407内，进行电抗器匝间短路及断线故障识别判断，若识别出电抗器故障，则控制故障信号输出模块发出故障信号，同时控制蜂鸣器发出报警。此后台控制板通过如图11所示的挡条固定在台式电脑的主机机箱内，并使用数据线通过rs-232接口和台式电脑主机实现数据传输，同时也通过此接口获取电源输入。
[0024]
实施例2
为使得本发明的目的、特征能够更加明显和易懂，下面简要介绍本在线监测装置识别干式空心电抗器匝间短路或断线故障的方法和原理，并简要说明其故障识别过程。
[0025]
对于一台干式空心电抗器，在其使用过程中，若电抗器无异常情况，流过电抗器的总电流在其各个星架臂中的分配比例是一定的，即理想情况下流过其各个星架臂的电流之比是一定的，而当此电抗器发生匝间短路或断线故障时，故障点对应的星架臂电流所分到的电流配比必然发生变化，电抗器各星架臂电流数据之比发生变化。
[0026]
由此，本在线监测装置对采集到的空心电抗器各星架臂电流数据进行处理，计算其对应的裂相横插算法矩阵，作为故障判断识别的主要依据，以下为此矩阵计算过程。对于一台八星臂的干式空心电抗器，本在线监测装置可实时测得其八个星架臂的电流数据，记为i1、i2、i3......i7、i8。对于这八个电流数据，使其两两之间互相做比，即可得到针对此组电流数据的实时裂相横插算法矩阵q[i][j]，即：q[i][j]=ii/ij（i≤j且i≤8，j≤8）使用时，本装置可以对四星臂、六星臂、八星臂的干式空心电抗器各星架臂电流进行实时动态监测，将这些电流数据实时显示在装置后台。
[0027]
若干式空心电抗器正常稳定工作，此矩阵中的各项为定值，若干式空心电抗器出现匝间短路或断线故障，流过其各个星架臂的电流之比发生变化，从而导致得到的裂相横插算法矩阵中的某些项出现变化，本在线监测装置由此识别出电抗器故障。
[0028]
由上述说明可知，本干式空心电抗器在线监测装置故障识别过程可分为两个阶段，第一个阶段是采集计算出空心电抗器各星架臂的电流并计算相应的裂相横插算法矩阵，此阶段在装置硬件里的数据采集模块内完成，计算过程依托就地采集板内的arm程序。
[0029]
arm程序计算流程为：对于进入主芯片的电流数据信号，先将其转存入缓冲区，然后计算星架臂电流数据，再对计算得来的星架臂电流数据进行校准，由此得到流过电抗器各星架臂的实时准确电流，最后根据这些实时准确电流计算裂相横插算法矩阵。经过以上一次计算循环，即可得到电抗器各星架臂的一组实时电流和与其相对应的裂相横插算法矩阵。
[0030]
第二阶段是根据得到的实时电流和与其相对应的裂相横插算法矩阵对电抗器是否出现匝间短路或断线故障进行识别判断，此阶段在后台控制模块完成，识别和判断过程依托后台控制板arm程序，arm程序识别判断逻辑为：后台控制板主芯片接收到两个相隔故障判断时限t的裂相横插算法矩阵q1[i][j]和q2[i][j]后，先逐项计算两个矩阵的变化率d[i][j]，即：d[i][j]=(q2[i][j]-q1[i][j]) / q1[i][j]（i≤j且i≤8，j≤8）若某一项变化率超过故障识别定值d，即存在d[i][j]》d，则装置判断此电抗器出现匝间短路或断线故障。此逻辑中涉及到故障判断时限t和故障识别定值d两个定值，其中故障判断时限t表明用于对比的两个裂相横插算法矩阵对应的星架臂电流采集时间相隔时间t。故障识别定值d表明当两个用于比较的裂相横插算法矩阵中的某一项波动范围超过定值d时，装置判断电抗器故障，后台发出故障信号并报警。
[0031]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。