专利名称：高压电容型设备的故障识别装置及其应用设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压并联电容器，尤其涉及一种高压电容型设备的故障识别装置及其应用设备。
背景技术：
采用高压并联电容器进行无功补偿是改善功率因数最常用的方式，该种补偿方式具有投资小，有功功率损耗小，运行维护方便的优点。但高压并联电容器是满载运行设备，额定电流较大，长时间运行后易出现电容元件的老化造成高压并联电容器损坏的情况，甚至会出现鼓肚、群爆等严重的设备事故，给电网安全运行造成影响，同时高压并联电容器还要承受操作过电压及系统内谐波成份的影响，造成设备缺陷率较高。目前，仅仅只能通过停电检修等方式对高压并联电容器的运行状态进行评估，其它保护手段仅可保证运行中的故障不被扩大。国内外电网企业对运行的高压并联电容器的检测方法主要有红外诊断及电容量测试。红外测温诊断无法有效发现设备的内部缺陷。目前对电容量的检测属于周期性检测，检测周期为3年，无法及时有效发现设备的内部缺陷。近年来，由于高压并联电容器事故频发，对供电可靠性造成了较大威胁，因此高压并联电容器在线监测手段的研究越来越受到关注。国内外研究人员在此领域都进行了许多研究。总结各种监测技术发现，现有高压并联电容器监测系统一方面实时性、准确性不够。另一方面目前在线监测系统一般只是对整组高压并联电容器的某些参数进行监测，还是不能达到准确判断故障电容器的目的，实际应用比较繁琐。高压并联电容器在长期运行中，由于缺陷、故障较多，而目前电网检修运行方式无法有效实现提前预判设备故障，以致易出现单台电容器故障扩大为整组故障，存在较大的设备安全运行隐患，影响了无功电压的就地支撑能力。

发明内容
本发明目的在于提供一种比较准确、可靠、实用的高压电容型设备的故障识别装置及其应用设备，其可以连续监测单台高压电容型设备的运行工况，诊断早期缺陷，及时发出报警信号，并给出相应反措措施，能够保障整组高压电容型设备的运行安全，有效提高电力系统的安全经济效益。本发明采用如下技术方案—种高压电容型设备的故障识别装置，其特征在于包括收发单元、处理单元和判断单元；其中，所述收发单元用于收发外部输入的所述电容器的某一时刻的电路信号，并输入所述处理单元；所述处理单元对所述电路信号进行处理，并将处理的结果输入所述判断单元；所述判断单元根据所述结果判断所述电容器的运行工况。
所述判断单元用于将所述处理单元处理的所述结果与预设的阈值比较，判断所述电容器的运行工况。还包括显示单元，所述显示单元用于显示所述处理单元输出的所述结果，所述判断单元通过所述显示单元显示的所述结果，判断所述电容器的运行工况。所述电路信号包括每条支路所述电容器的电流信号的特征值和端电压信号，所述处理单元输出的所述结果为相应支路所述电容器的电容值。所述电路信号还包括每台所述电容器的温度信号和每组所述电容器的不平衡电
压信号。还包括监控单元，设置在所述收发单元与所述处理单元之间，用于监测所述收发单元的运行工况以及存储所述收发单元输出的所述电路信号。还包括输入单元，通过所述收发单元向外界发出测量信号的操作指令。一种高压电容型设备的故障识别装置的应用设备，其特征在于还包括信号测量装置，所述信号测量装置用于测量高压电容型设备的电路信号，并对该电路信号进行处理，处理得到的结果输送给所述故障识别装置，由所述故障识别装置判断所述一次导体的运行工况。所述信号测量装置包括电流传感机构和电压传感机构；其中，所述电流传感机构用于测量所述高压电容型设备的电流信号，并获取该电流信号的特征值后输出，所述电压传感机构用于测量所述高压电容型设备的端电压信号。所述电流传感机构包括电流传感器和检测单元，所述电流传感器用于测量所述高压电容型设备的电流信号，所述检测单元用于接收所述电流信号，并获取该电流信号的特征值后输出。还包括供电单元,所述供电单元包括取能单元和电源模块,所述取能单元通过所述高压电容型设备上的电流感应获取电流源并输出，所述电源模块接收所述取能单元输出的所述电流源，并将所述电流源转换成稳定的电压源后提供给所述检测单元；或充放电单元，在所述检测单元工作时，所述充放电单元为所述检测单元提供稳定的电压；在所述检测单元不工作时，所述电流传感器所述充放电单元为充电。所述检测单元包括A/D转换子单元、计算子单元和通讯子单元；其中，所述A/D转换子单元用于接收所述电流传感器输出的所述电流信号并转换成数字信号后输出；所述计算子单元用于接收所述A/D转换子单元输出的所述数字信号并进行分析计算，得到所述电流信号的特征值后输出；所述通讯子单元用于接收所述特征值并输出。所述通讯子单元为无线通讯模块或光纤。所述电流传感器套装或封固于所述高压电容型设备或套装在穿设有所述高压电容型设备的高压套管的根部或顶部，所述电流传感器为环形线圈、钳形线圈、开口式线圈、罗氏线圈和霍尔线圈中的一种。所述电压传感机构为具有两个二次绕组的放电线圈，其中一个所述二次绕组为保护提供信号，另一个所述二次绕组用于测量每组所述电容器的不平衡电压信号以及每条支路所述电容器的端电压信号。还包括在线监测主机，设置在所述电流传感机构与所述故障识别装置之间，用于收发数据信号。本发明的技术效果是本发明通过各种传感器测量单台高压电容型设备的温度变化、电容量变化和电压差，并通过无线网络传输至故障识别装置，由故障识别装置综合判定单台高压并联电容器运行状态，诊断早期缺陷，给出相应告警及反措，并通过故障录波记录、故障前后电压信息，为事故分析提供依据。


图I为本发明所测量的高压电容型设备的实施例示意图；图2为本发明高压电容型设备的故障识别装置的应用设备的结构框图；图3为图2中电流传感机构的结构框图；图4为图3中电流传感器的结构示意图；图5为图3中电流传感器的结构框图；图6为图2中高压电容型设备的故障识别装置的结构框图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。本发明的测量对象通常是“高压电容型设备”，比如电容器、穿墙套管和变压器等。这里的“高压电容型设备”指的是有电流流过的设备，当该设备安装电流传感器后，电流传感器能够根据电磁感应原理测量出流经该设备的电流信号。下面以高压并联电容器作为测量对象对本发明进行阐述。如图I所示，图I中示出的是一组高压并联电容器，该组高压并联电容器由a、b、c三相组成，每一相仅示出一台电容器C，实际上，每一相可以由多条支路并联组成，而且每条支路可以串联N台电容器，N大于等于I。本发明的待测的电路信号包括每条支路电容器C的电流信号i (下文均简称为“电容器C的电流信号i”)和每条支路电容器C的两端的电压信号u (下文均简称为“电容器C的端电压信号u”)，还可以包括每组电容器C的不平衡电压信号AU(下文均简称为“电容器C的不平衡电压信号AU”)和每条支路中每台电容器C的温度信号T (下文均简称为“电容器C的温度信号T”)。为了对电容器C的故障实施预警，本发明连续监测电容器C的运行工况。如图2所示，本发明包括信号测量装置、故障识别装置和在线监测主机，信号测量装置用于采集电容器C的电路信号，并对该电路信号进行处理，处理的结果由在线监测主机通过无线或光纤或电缆的方式上传至故障识别装置，再由故障识别装置根据处理的结果判断电容器C的运行工况。信号测量装置包括电流传感机构、电压传感机构和温度传感机构。其中，如图3-5所示，电流传感机构用于测量电容器C的电流信号i，该机构包括电流传感器I和检测单元2，本实施例中，电流传感器I采用的是一个环形结构，如环形线圈，环形线圈套装或封固于电容器C或穿设在电容器C的高压套管的根部或顶部。该电流信号i通过流经电容器C的电流I而感应获得，电流信号i指的是某一个时刻对应的电流信号。与其他的电流传感器相t匕，环形结构更容易取得较高精度的信号，电流传感器I可以采用钳形线圈、开口式线圈、罗氏线圈和霍尔线圈中的任一一种，但不限于此。
本实施例中，可以采用内置电池，作为供电单元为检测单元2供电，也可以采用由取能单元3和电源模块4构成的供电单元为检测单元2供电。下面通过一个具体的实施例进一步详细描述取能单元3和电源模块4在本发明中所起到的作用和功能。如图4所示，上述“取能”指的是通过电磁感应的原理从电容器C感应获取电流。取能单元3采用的也是环形结构，比如取能线圈，这种环形结构比较容易实现，但是方形、矩形、椭圆、甚至开口的结构也是可以实现的。取能单元3套装或封固于电容器C或穿设于电容器C的高压套管的根部或顶部，通过流经电容器C的电流感应获取电流源，输出给电源模块4。由于取能单元3与电流传感器I的形状以及放置位置相同，因此可以将取能单元3和电流传感器I放置在同一个环 形外壳内。电源模块4可以从市面进行购置，比如型号为LPK2-P的电源模块，其主要作用是将取能单元3输送的电流源转换成稳定的电压源，然后提供给检测单元2。与电池相比，采用取能单元3和电源模块4的组合好处在于取能单元3和电源模块4的组合能够延长使用寿命，而避免了电池需要经常更换的缺陷。上述实施例中，还可以采用充放电单元5作为供电单元为检测单元2供电，充放电单元5可以是可充电电池或电容，这样，在检测单元2工作时，充放电单元5可以为检测单元2提供稳定的电压源，而在检测单元2不工作时，由电流传感器I为充放电单元5充电。如图3、图4所示，检测单元2用于接收电流传感器I采集到的电流信号i后，获取电流信号i的特征值后输出。检测单元2包括A/D转换子单元21、计算子单元22和通讯子单元23，其中，A/D转换子单元21用于接收电流传感器I输出的电流信号i，并进行模数转换，得到一个电流信号i的数字信号后再输出。计算子单元22用于接收A/D转换子单元21输出的数字信号，并将数字信号进行分析计算，如傅里叶变换，得到电流信号i的特征值，该特征值指基波或各次谐波的幅度的有效值、平均值、峰值和频率中的一个或一个以上的组合。各次谐波指三次谐波或五次谐波或七次谐波等。电流信号i的特征值通过通讯子单元23进行输出。本实施例中，通讯子单元23可以采用无线通讯模块，也可以采用光纤，进行信号传输。检测单元2还可以包括滤波子单元24，其用于对电流传感器I或者A/D转换子单元21输出的信号进行滤波处理，以滤掉除了想要的特征值以外的信号值。如图I、图2所示，电压传感机构用于测量电容器C的端电压u和不平衡电压值AU。电压传感机构采用的是放电线圈，然而，常规的放电线圈只有一个二次绕组为保护装置提供电压信号。本实施例中的放电线圈具有两个二次绕组，一个绕组精度为0.5级，用来为保护提供信号，另一个绕组精度为0. 2级，用来测量上述各电压信号。温度传感机构用于测量每台电容器C的壳体以及接头处的温度信号T，本实施例中的温度传感机构采用的是现有设备。温度传感机构和电压传感机构所测量得到的数据可以通过无线或光纤方式传输到在线监测主机。如图6所示，故障识别装置包括收发单元61、处理单元62和判断单元63。其中，收发单元61用于收发在线监测主机输入的电容器C的电路信号，并输入处理单元62，由处理单元62对电路信号进行处理，并将处理的结果输入判断单元63，判断单元63根据处理结果判断电容器C的运行工况。处理单元62中设有计算电容值公式c = i/jwu,其中，c为每一条支路的电容值，i为测量到的每一条支路的电流信号的大小，j为虚数单位，u为每一条支路的电容器C两端的端电压，w为电力系统的频率，50HZ 土 2HZ。当电路信号仅包括电容器C的电流信号的特征值和端电压u的时候，处理单元62计算出每一条支路的电容器C的电容值，判断单元63根据输入的电容值判断电容器C的运行工况。当电路信号除了包括电容器C的电流信号的特征值和端电压u之外，还包括电容器C的温度信号T和不平衡电压信号TV的时候，处理单元62仍然是计算出每一条支路的电容器C的电容值，判断单元63除了可以根据输入的电容值判断电容器C的运行工况之夕卜，还可以附加电容器C的温度信号T和不平衡电压信号AU，以综合判断电容器C的运行工况，这样判断的结果会更为准确。当系统(母线)的电压和频率变化不大的时候，收发单元61可以将电流信号的特征值输入判断单元63，由判断单元63直接根据电流信号的特征值对电容器C的运行工况进行判断。因此，判断单元63中可以预先设置电容器C的电容、温度信号T和不平衡电压信号AU以及电流信号的特征值的相应阈值，判断单元63可以将其内的阈值与输入的相应信号进行比较，来判断电容器C的运行工况；也可以另外再设置显示单元64，用于显示从处理单兀62输出的电容器C的电容值以及从收发单兀61输入的电容器C的温度信号T和不平 衡电压信号AU。判断单元63通过显示单元64显示出的内容，来判断电容器C的运行工况。判断单元63判断出的运行工况均会在显示单元64进行显示。而且，处理单元62输出的电容器C的电容值以及从收发单兀61输入的电容器C的温度信号T和不平衡电压信号A U均会在存储单元66中存储。上述各实施例中，本发明还包括监控单元65，其设置在收发单元61与处理单元62之间，用于监测收发单元61的运行工况以及存储收发单元61输出的各种电路信号。上述各实施例中，本发明还包括输入单元67，依次通过收发单元61和在线监测主机，向信号测量装置发出测量信号的操作指令。值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
权利要求
1.一种高压电容型设备的故障识别装置，其特征在于包括收发单元、处理单元和判断单元；其中，所述收发单元用于收发外部输入的所述电容器的某一时刻的电路信号，并输入所述处理单元；所述处理单元对所述电路信号进行处理，并将处理的结果输入所述判断单元；所述判断单元根据所述结果判断所述电容器的运行工况。
2.如权利要求I所述的故障识别装置，其特征在于所述判断单元用于将所述处理单元处理的所述结果与预设的阈值比较，判断所述电容器的运行工况。
3.如权利要求I所述的故障识别装置，其特征在于还包括显示单元，所述显示单元用于显示所述处理单元输出的所述结果，所述判断单元通过所述显示单元显示的所述结果，判断所述电容器的运行工况。
4.如权利要求1-3中任一项所述的故障识别装置，其特征在于所述电路信号包括每条支路所述电容器的电流信号的特征值和端电压信号，所述处理单元输出的所述结果为相应支路所述电容器的电容值。
5.如权利要求4所述的故障识别装置，其特征在于所述电路信号还包括每台所述电容器的温度信号和每组所述电容器的不平衡电压信号。
6.如权利要求5所述的故障识别装置，其特征在于还包括监控单元，设置在所述收发单元与所述处理单元之间，用于监测所述收发单元的运行工况以及存储所述收发单元输出的所述电路信号。
7.如权利要求6所述的故障识别装置，其特征在于还包括输入单元，通过所述收发单元向外界发出测量信号的操作指令。
8.一种包括如权利要求1-7中任一项所述的所述故障识别装置的应用设备，其特征在于还包括信号测量装置，所述信号测量装置用于测量高压电容型设备的电路信号，并对该电路信号进行处理，处理得到的结果输送给所述故障识别装置，由所述故障识别装置判断所述一次导体的运行工况。
9.如权利要求8所述的应用设备，其特征在于所述信号测量装置包括电流传感机构和电压传感机构；其中，所述电流传感机构用于测量所述高压电容型设备的电流信号，并获取该电流信号的特征值后输出，所述电压传感机构用于测量所述高压电容型设备的端电压信号。
10.如权利要求9所述的应用设备，其特征在于所述电流传感机构包括电流传感器和检测单元，所述电流传感器用于测量所述高压电容型设备的电流信号，所述检测单元用于接收所述电流信号，并获取该电流信号的特征值后输出。
11.如权利要求10所述的应用设备，其特征在于还包括供电单元，所述供电单元包括取能单元和电源模块，所述取能单元通过所述高压电容型设备上的电流感应获取电流源并输出，所述电源模块接收所述取能单元输出的所述电流源，并将所述电流源转换成稳定的电压源后提供给所述检测单元；或 充放电单元，在所述检测单元工作时，所述充放电单元为所述检测单元提供稳定的电压；在所述检测单元不工作时，所述电流传感器所述充放电单元为充电。
12.如权利要求8-11中任一项所述的应用设备，其特征在于所述检测单元包括A/D转换子单元、计算子单元和通讯子单元；其中，所述A/D转换子单元用于接收所述电流传感器输出的所述电流信号并转换成数字信号后输出；所述计算子单元用于接收所述A/D转换子单元输出的所述数字信号并进行分析计算，得到所述电流信号的特征值后输出；所述通讯子单元用于接收所述特征值并输出。
13.如权利要求12所述的应用设备，其特征在于所述通讯子单元为无线通讯模块或光纤。
14.如权利要求13所述的应用设备，其特征在于所述电流传感器套装或封固于所述高压电容型设备或套装在穿设有所述高压电容型设备的高压套管的根部或顶部，所述电流传感器为环形线圈、钳形线圈、开口式线圈、罗氏线圈和霍尔线圈中的一种。
15.如权利要求14所述的应用设备，其特征在于所述电压传感机构为具有两个二次绕组的放电线圈，其中一个所述二次绕组为保护提供信号，另一个所述二次绕组用于测量每组所述电容器的不平衡电压信号以及每条支路所述电容器的端电压信号。
16.如权利要求12所述的应用设备，其特征在于还包括在线监测主机，设置在所述电流传感机构与所述故障识别装置之间，用于收发数据信号。
全文摘要
本发明公开了一种高压电容型设备的故障识别装置及其应用设备，包括收发单元、处理单元和判断单元；其中，所述收发单元用于收发外部输入的所述电容器的某一时刻的电路信号，并输入所述处理单元；所述处理单元对所述电路信号进行处理，并将处理的结果输入所述判断单元；所述判断单元根据所述结果判断所述电容器的运行工况。本发明可以连续监测单台高压电容型设备的运行工况，诊断早期缺陷，及时发出报警信号，并给出相应反措措施，能够保障整组高压电容型设备的运行安全，有效提高电力系统的安全经济效益。
文档编号G01R31/00GK102628905SQ20121011949
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者卢义京, 孙红华, 杨山岭, 王志龙, 王钰, 贾晓静, 高丰 申请人:北京诺德威电力技术开发有限责任公司