CN115656878A - 自供能gis盆式绝缘子泄漏电流检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于GIS盆式绝缘子泄漏电流测量技术领域，涉及一种自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，包括：外壳、感应电流取能线圈、泄漏电流传感器及信号处理单元；所述感应电流取能线圈缠绕在所述GIS盆式绝缘子的外环壁上，所述泄漏电流传感器包括：屏蔽电极、采集电极，所述信号处理单元包括：电能采集处理模块、信号采集处理模块、无线串口通信模块，所述电能采集处理模块连接所述感应电流取能线圈的另一端，所述电能采集处理模块连接所述信号采集处理模块。本发明自供能、采用串口无线通信模块，不需要施工，也不要布线，能大大节省材料和人工成本，安装实施十分方便，不需要在变电站内进行大量复杂的二次接线。
Description
技术领域
本发明属于GIS盆式绝缘子泄漏电流测量技术领域，尤其是一种自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器。
背景技术
GIS设备（Gas insulated switchear，组合电器）是目前我国变电站内广泛使用的电力设备，GIS设备具有结构紧凑，占地面积小的特点，但也存在设备巡视、检测手段少的问题。近几年电力系统内多次发生的GIS设备内部故障，造成了严重的社会经济损失。
GIS设备内部以盆式绝缘子为主要的绝缘支撑件，盆式绝缘子绝缘能力的老化情况、绝缘水平决定着整个GIS设备的寿命，因此监测盆式绝缘子的绝缘水平和老化情况对保障GIS设备安全运行、乃至电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。
目前来说，绝缘电阻是GIS盆式绝缘子评估的重要指标。在工程使用过程中，绝缘电阻受空气、灰尘、水分等环境因素的影响下，绝缘电阻器件内部会产生空气间隙以及绝缘裂痕，这种情况会使得绝缘电阻出现突然下降的现象，而绝缘电阻的阻值大小，与系统流过器件的泄漏电流有着必然的相关性，通过对绝缘电阻的泄漏电流的测量可以计算出绝缘电阻的阻值以及绝缘性能。
但目前，因为盆式绝缘子是承受GIS设备主要绝缘电压承压件，需要一体浇筑成型，对盆式绝缘子泄漏电流测量一直被视为评估绝缘材料性能的重要参数。但因泄漏电流影响因素众多，不同绝缘材料的绝缘子，其泄漏电流数值也往往不同，实测值大体在微安与毫安级之间，介质损耗因数多在5%-20%之间，采集到的泄漏电流信号极其微弱，用泄漏电流对GIS绝缘子进行寿命评估需要长期检测泄漏电流变化，并进行横向、纵向对比才有现场实践的意义。
目前常见泄漏电流测量均为离线设备进行临时测量。或者在线设备，但需要外部供电，对GIS绝缘子整体安全造成较大隐患。因此，亟需一种安全可靠的GIS盆式绝缘子泄漏电流测量系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实时监测GIS盆式绝缘子内部泄漏电流的自供能传感器，解决GIS盆式绝缘子泄漏电流不能在线监测、需要外部供能的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，包括：
外壳、所述外壳固装在GIS盆式绝缘子的外环壁上；
感应电流取能线圈、所述感应电流取能线圈缠绕在所述GIS盆式绝缘子的外环壁上，所述感应电流取能线圈的一端与GIS设备金属外壳连接，当GIS盆式绝缘子的一次导体中流过一定电流时，在感应电流取能线圈内感应出一定值的二次电流；
泄漏电流传感器、所述泄漏电流传感器安装在所述外壳内，所述泄漏电流传感器包括：屏蔽电极、采集电极，其中屏蔽电极与采集电极呈同心圆形状，采集电极处在中心位置，屏蔽电极为环形，围绕在采集电极周围，两者之间互相绝缘，紧贴安装在GIS盆式绝缘子环氧树脂裸露部位；
信号处理单元，所述信号处理单元安装在所述外壳内，所述信号处理单元包括：电能采集处理模块、信号采集处理模块、无线串口通信模块，所述电能采集处理模块连接所述感应电流取能线圈的另一端，所述电能采集处理模块连接所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块连接无线串口通信模块，所述无线串口通信模块连接所述电能采集处理模块，所述无线串口通信模块无线连接上位机，二次电流通过电能采集处理模块采集处理后，得到的电能为信号采集处理模块及无线串口通信模块供能。
进一步地，所述电能采集处理模块包括：TVS保护二极管、整流二极管、限流电阻R1、稳压电容C1、DC-DC变换模块、储能稳压电容C2，所述感应电流取能线圈一端与GIS设备金属外壳连接，另一端分别与TVS保护二极管及整流二极管连接，整流二极管与稳压电容C1及限流电阻R1连接，稳压电容C1及限流电阻R1与DC-DC变换模块连接，DC-DC变换模块与储能稳压电容C2连接。
进一步地，所述信号采集处理模块包括：微电流静电计及数字采集卡，所述微电流静电计连接泄漏电流传感器的采集电极，所述数字采集卡连接微电流静电计，所述数字采集卡连接所述无线串口通信模块。
进一步地，所述信号采集处理模块还包括温度采集模块，所述温度采集模块连接所述数字采集卡。
进一步地，所述泄漏电流传感器还包括地电极。
进一步地，所述信号采集处理模块与无线串口通信模块按同样的通信协议通信，数字采集卡采集到的信号直接传输至无线串口通信模块，在串口通信模块内，增加头文件后，透传至上位机。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明主要应用于常规GIS环氧树脂盆式绝缘子泄漏电流稳定可持续的测量，可实时量测GIS盆式绝缘子泄漏电流数据和实施温度，并通过无线串口方式上传至上位机，上位机进一步对测量数据进行解释，绘制实时泄漏电流波形，便于设备运维人员实时观测GIS盆式绝缘子泄漏电流波形，便于变电站智能监控系统监测分析设备健康状况，并可在上位机设置故障或绝缘性能下降的泄漏电流数据库，通过比对GIS盆式绝缘子的实时量测数据，能够确定当前设备健康状况，或者对同一GIS盆式绝缘子进行纵向对比，对同一批次盆式绝缘子进行横向对比，以期更为准确的判断设备运行健康状况，评估GIS设备运行寿命。
2.本发明自供能、采用串口无线通信模块，不需要施工，也不要布线，能大大节省材料和人工成本，安装实施十分方便，不需要在变电站内进行大量复杂的二次接线。
3.结构简单、性能稳定、能够长期在超强的电磁环境下工作。
附图说明
图1为本发明传感器在GIS盆式绝缘子上的安装示意图；
图2为本发明电路框图；
图3为泄漏电流传感器的结构示意图；
图4为电能采集处理模块的电路图。
图中标记为：
1为感应电流取能线圈、2为GIS盆式绝缘子、3为一次导体、4为泄漏电流传感器、401为采集电极、402为屏蔽电极、403为地电级、5为外壳、6为信号处理单元。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，安装在常规环氧树脂盆式绝缘子上。包括：外壳5、感应电流取能线圈1、泄漏电流传感器4、信号处理单元6，所述外壳5固装在GIS盆式绝缘子2的外环壁上，在外壳5内安装泄漏电流传感器4及信号处理单元6。
所述外壳5仅作为信号处理单元6、泄漏电流传感器4的外壳，且外壳5与GIS设备金属外壳直接连接，保障了信号处理单元6处在一个相对良好的电磁环境内。
感应电流取能线圈1缠绕在GIS盆式绝缘子2的外边沿，其一端与GIS设备金属外壳直接接触，即以GIS设备金属外壳为地电位，另一端与电能采集模块相连，本取能方式仅适用于分相式GIS盆式绝缘子2，当在一次导体3中有电流流过时，通过电磁感应的方式感应出电能。
泄漏电流传感器4紧贴安装在GIS盆式绝缘子2上，从GIS盆式绝缘子2浇筑孔或者GIS盆式绝缘子未被金属包覆的外边缘处测量泄漏电流信号。
如图3所示，所述泄漏电流传感器4包括：地电级403、屏蔽电极402、采集电极401，其中屏蔽电极402与采集电极401呈同心圆形状，采集电极401处在中心位置，屏蔽电极402为环形，围绕在采集电极401周围，两者之间互相绝缘，紧贴安装在GIS盆式绝缘子2环氧树脂裸露部位。
信号处理单元6包括：电能采集处理模块、信号采集处理模块、无线串口通信模块，所述电能采集处理模块连接所述感应电流取能线圈1，所述电能采集处理模块连接所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块连接无线串口通信模块，所述无线串口通信模块连接所述电能采集处理模块。其中无线串口通信模块为本传感器与上位机通信的唯一方式，信号处理单元6整体安装在外壳5内部。
如图4所示，电能采集处理模块包括：TVS保护二极管、整流二极管、限流电阻R1、稳压电容C1、DC-DC变换模块、储能稳压电容C2，所述感应电流取能线圈1一端与GIS设备金属外壳连接，另一端分别与TVS保护二极管及整流二极管连接，整流二极管与稳压电容C1及限流电阻R1连接，稳压电容C1及限流电阻R1与DC-DC变换模块连接，DC-DC变换模块与储能稳压电容C2连接。
信号采集处理模块包括：微电流静电计、数字采集卡和温度采集模块，所述微电流静电计连接泄漏电流传感器4的采集电极401，所述数字采集卡分别连接微电流静电计及温度采集模块，所述数字采集卡连接所述无线串口通信模块。
信号采集处理模块与无线串口通信模块按同样的通信协议通信，数字采集卡采集到的信号均直接传输至无线串口通信模块，在串口通信模块内，增加头文件后，透传至上位机，由上位机解释出微电流静电计采集到的电流值以及测量时的温度值。
本发明自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器自供能部分工作方式如下：当单相式GIS盆式绝缘子2的一次导体3中流过一定电流时，将在感应电流取能线圈1内感应出一定值的二次电流，此二次电流通过电能采集处理模块，进行采集处理后，得到稳定的电能储存在储能稳压电容C2内，储能稳压电容C2电压保持在3.3V左右。储能稳压电容C2为微电流静电计、数字采集卡、无线串口通信模块供能。
当储能稳压电容C2中存储足够的电能，即电压保持在3.3V左右时，信号处理单元6开始工作。
本发明自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器信号采集时工作方式如下：微电流静电计可采集0.1pA-1mA的微小电流。在GIS盆式绝缘子2正常工作时，泄漏电流传感器4与地电位GIS设备金属外壳间会有nA级别的微小电流（设备绝缘状况较好时，电流大小在pA级别），本发明中微电流静电计会实时通过此微小体电流，通过数字采集卡，可随时将此电流转换为数字信号。无线串口通信模块以一定时间间隔（如15S）召测数字采集卡内的信息，同时召测温度信息，召测到相关信息后，会以透传的形式向外传输，传输至上位机后，即实现泄漏电流和温度的采集。
信号采集处理模块主要采集泄漏电流传感器4的采集电极401的信号，消除了屏蔽电极402采集到的表面电流影响。也就是说，本泄漏电流检测传感器主要检测GIS盆式绝缘子2体内泄漏电流，此电流作为GIS盆式绝缘子2主体环氧树脂老化程度的重要指标。
考虑泄漏电流对温度变化较为敏感，本发明检测泄漏电流时，同时记录采集点的温度值，用于后续泄漏电流的校正，以及GIS盆式绝缘子2老化程度的计算。
本发明的工作方式如下：
（1）当单相式GIS盆式绝缘子2的一次导体3中流过一定电流时，将在感应电流取能线圈1内感应出一定值的二次电流，此二次电流通过电能采集处理模块，进行采集处理后，得到稳定的电能储存在储能稳压电容C2内，储能稳压电容C2电压保持在3.3V左右。
（2）储能稳压电容C2为微电流静电计、数字采集卡、无线串口通信模块供能，信号处理单元6开始工作。
（3）微电流静电计采集泄漏电流传感器4测量到的nA级别的微小电流，并通过数字采集卡，可随时将此电流转换为数字信号。
（4）无线串口通信模块以一定时间间隔（如15S）召测数字采集卡内的信息，同时召测温度信息，并将召测到的相关信息加上头文件后，以透传的形式向外传输。
（5）通过安装在变电站内的上位机在检测到本发明发出的信号后，按照传输协议进行解码后，实现GIS盆式绝缘子内体泄漏电流的解析和实时温度的采集。
（6）上位机通过对测量数据进行解析，绘制实时泄漏电流波形，设备运维人员可实时观测GIS盆式绝缘子泄漏电流波形，同时变电站智能监控系统监测分析设备健康状况，并可在上位机设置故障或绝缘性能下降的泄漏电流数据库，通过比对GIS盆式绝缘子的实时量测数据，能够确定当前设备健康状况，或者对同一GIS盆式绝缘子进行纵向对比，对同一批次盆式绝缘子进行横向对比，以期更为准确的判断设备运行健康状况，评估GIS设备运行寿命。
本发明经过实验室试验，完全符合《国家电网公司电力安全工作规程变电部分》中的要求，可在现场应用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，包括：
外壳（5）、所述外壳（5）固装在GIS盆式绝缘子（2）的外环壁上；
感应电流取能线圈（1）、所述感应电流取能线圈（1）缠绕在所述GIS盆式绝缘子（2）的外环壁上，所述感应电流取能线圈（1）的一端与GIS设备金属外壳连接，当GIS盆式绝缘子（2）的一次导体（3）中流过电流时，在感应电流取能线圈（1）内感应出二次电流；
泄漏电流传感器（4）、所述泄漏电流传感器（4）安装在所述外壳（5）内，所述泄漏电流传感器（4）包括：屏蔽电极（402）、采集电极（401），其中屏蔽电极（402）与采集电极（401）呈同心圆形状，采集电极（401）处在中心位置，屏蔽电极（402）为环形，围绕在采集电极（401）周围，两者之间互相绝缘，紧贴安装在GIS盆式绝缘子（2）环氧树脂裸露部位；
信号处理单元（6），所述信号处理单元（6）安装在所述外壳（5）内，所述信号处理单元（6）包括：电能采集处理模块、信号采集处理模块、无线串口通信模块，所述电能采集处理模块连接所述感应电流取能线圈（1）的另一端，所述电能采集处理模块连接所述信号采集处理模块，所述信号采集处理模块连接无线串口通信模块，所述无线串口通信模块连接所述电能采集处理模块，所述无线串口通信模块无线连接上位机，二次电流通过电能采集处理模块采集处理后，得到的电能为信号采集处理模块及无线串口通信模块供能。
2.根据权利要求1所述的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，所述电能采集处理模块包括：TVS保护二极管、整流二极管、限流电阻R1、稳压电容C1、DC-DC变换模块、储能稳压电容C2，所述感应电流取能线圈（1）一端与GIS设备金属外壳连接，另一端分别与TVS保护二极管及整流二极管连接，整流二极管与稳压电容C1及限流电阻R1连接，稳压电容C1及限流电阻R1与DC-DC变换模块连接，DC-DC变换模块与储能稳压电容C2连接。
3.根据权利要求2所述的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，所述信号采集处理模块包括：微电流静电计及数字采集卡，所述微电流静电计连接泄漏电流传感器（4）的采集电极（401），所述数字采集卡连接微电流静电计，所述数字采集卡连接所述无线串口通信模块。
4.根据权利要求3所述的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，所述信号采集处理模块还包括温度采集模块，所述温度采集模块连接所述数字采集卡。
5.根据权利要求1所述的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，所述泄漏电流传感器（4）还包括地电极（403）。
6.根据权利要求1所述的自供能GIS盆式绝缘子泄漏电流检测传感器，其特征在于，所述信号采集处理模块与无线串口通信模块按同样的通信协议通信，数字采集卡采集到的信号直接传输至无线串口通信模块，在串口通信模块内，增加头文件后，透传至上位机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230131 |