一种电力电容器的介质损耗在线测量装置

摘要

本发明公开了一种电力电容器的介质损耗在线测量装置，由电压互感器、电流互感器、热电偶、贴片热电偶、多通道数据选择器、数据采集卡、计算机和显示器通过电缆信号线相互连接构成，其中热电偶、贴片热电偶另一端与多通道数据选择器和数据采集卡依次连接，电压互感器和电流互感器也分别与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机和显示器依次连接。本发明公开的测量装置在测量电力电容器的运行电压、电流基础上，增加电力电容器所在环境温度及外壳的稳态温度的非电量参数的测量装置，实现准确测量运行中电力电容器的介质损耗值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力设备在线监测的技术领域，特别涉及一种应用于交流电力系统中的高压电力电容器的介质损耗的在线监测装置。

背景技术

随着社会经济的发展，社会用电量迅速增长，电力系统的规模和输送容量也迅速增长，电力电容器广泛应用于交流电力系统的无功功率补偿或直流输电的滤波环节，电力电容器的安全可靠运行可有力支撑电力系统的电压稳定和保证电压质量。由于电力电容器组用于大容量的无功功率补偿场合，其在运行中容易受到过电压、过电流、温度、谐波等主要损坏因素影响，造成电容器的介质损耗异常增大，使得单个电容器很容易损坏，从而导致整组电容器组停运，甚至有可能引发严重的电力设备事故和人身安全。而电力电容器的实际运行介质损耗，可以通过在线监测装置来进行监测计算，从而有效判断电容器的介质绝缘情况，及时对电容器的损坏故障预测并发出报警信息。因此，加强对电容器组的在线运行监测，预防电容器组事故并提高电容器组可靠性，对提高电力系统的可靠性和保证电能质量具有重大意义。

目前广泛应用于交流电力系统或直流输电的滤波环节的电力电容器为全膜电容器，其额定电压绝大多数为6.3～12kV，工作频率为50Hz，其内部介质由聚丙烯薄膜及浸渍剂构成。由于现在电力电容器的介质损耗较原先的膜纸结构电容器大幅降低，介质损耗角正切值tanδ达到0.02％以下，其功率损耗角约为0.011°角，电流相量超前电压相量的相位角89.989°角，非常接近理想电容器，因此，按电容器的功率损耗定义计算，要准确测量相对于90°角来说很小的电角度，如果按目前采用的仅依靠电容器上的电压、电流信号进行测量和运算，测量误差大，很难保证测量结果的测量准确度。所以，提出一种高精度在线测量电力电容器的介质损耗的装置已成为提高电力系统运行可靠性的迫切要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的三相电力电容器组的介质损耗在线监测装置，可实现在线监测各个电容器的实际运行介质损耗，并有效判断电容器的介质绝缘情况，及时对电容器的损坏故障预测并发出报警信息。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种电力电容器的介质损耗在线测量装置，通过电缆信号线相互连接，包括：

用于获取电力电容器电压信号的电压互感器，所述电压互感器的一次侧设置在电力电容器的两端，二次侧与数据采集卡相连接；

用于获取电力电容器电流信号的电流互感器，所述电流互感器安装于每台电力电容器的其中一个套管与电容器连接处，二次侧与数据采集卡相连接；

用于测量电力电容器环境温度的热电偶，所述热电偶位于任意两台电力电容器之间的间隔内，其另一端与多通道数据选择器相连接；所述热电偶位于任意两相电力电容器之间的间隔内为优选方案；

用于测量电力电容器的外壳稳态温度的贴片热电偶，所述贴片热电偶贴于电力电容器本体上，其另一端与多通道数据选择器相连接；所述贴片热电偶贴于电力电容器本体外壳的三分二高度处为优选方案，此处测到的电容器的外壳稳态温度的精确度最高；

用于对温度信号进行多路选择处理的多通道数据选择器；

用于对电力电容器电压、电流信号和经过多路选择处理之后的温度信号进行采集的数据采集卡；

用于实现对数据采集卡采集到的数据进行处理、报警和实时监测的计算机；

用于显示计算机处理结果的显示器；

其中，热电偶、贴片热电偶另一端与多通道数据选择器和数据采集卡依次连接，电压互感器和电流互感器也分别与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机和显示器依次连接。

为了更好地实现本发明，所述电压互感器是指0.5级以上的电压互感器，各电压互感器在工频下的相角误差偏差性≤2％。

所述电压互感器具有A、B、C三组，分别对应电力电容器组A、B、C三相的电压。

所述电流互感器是指高精度、带间隙坡膜合金磁芯的电流互感器，其输出信号为模拟电信号或模拟光信号。

所述多通道数据选择器是指28路多通道数据选择器。

所述数据采集卡是指最高实时采样速率为40MS/s、模拟带宽为10MHz、A/D转换分辨率为12位、输入电压为-15～+15V的具有32路模拟输入端的模拟数据转换信号采集卡。

所述计算机是指工控计算机。

所述计算机带有人机交互接口。

本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的测量原理是这样的：

电力电容器的介质损耗正切值为：$\tan \delta =\frac{P}{\sqrt{S^2-P^2}};$

其中P为电力电容器的稳态损耗有功功率：P＝Q_d+Q_f，

电力电容器的对流散热量为：Q_d＝α(t_w-t₀)·A

式中，α为对流散热系数，单位为W/(m²·℃)；t_w为电力电容器外壳最热温度(位于电力电容器本体三分之二高度处)，单位为℃；t₀为环境温度，单位为℃；A为电力电容器有效散热面积，单位为m²；

电力电容器辐射散热量为：$Q_f=5.7ϵ[{\left(\frac{273+t_W}{100}\right)}^4+{\left(\frac{273+t_0}{100}\right)}^4]·A,$

式中，ε为电力电容器外壳辐射系数，取值范围为0.91～0.95；t_W为电力电容器外壳最热温度(位于电力电容器本体三分之二高度处)，单位为℃；t₀为环境温度，单位为℃；A为电力电容器有效散热面积，单位为m²；

其中S为电力电容器的视在功率：S＝UI，

式中，U为电力电容器上电压有效值，I为电力电容器的电流有效值；

因此，只要测定电力电容器的电压、电流、环境温度、电力电容器外壳最热温度，就可计算得到运行中电力电容器的介质损耗。

一般的高压电力电容器组的电容器台数多、无功功率容量大，因此电容器组一般采用框架分体式结构，即电容器组多由24台或30台相同容量(如每台334kvar)的电力电容器组成，其接线方式一般为8台或10台电容器并联成一相，三相电容器(共24台/30台)按Y型接成一个电容器组，采用中性点不接地的星形或双星形接法。针对电力电容器组的上述特点，本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置是这样工作的：将电压互感器的一次侧设置在每相电力电容器的两端，通过电压互感器的二次侧取得每相电力电容器的交流电压信号(即每台电力电容器的交流电压信号)；从每台电力电容器的其中一个套管与电容器连接处，通过磁芯有间隙电流互感器取得流过每台电力电容器的电流信号，电压、电流信号输入到32路多输入模拟数据转换(ADC)信号采集卡中(根据计算的需要，采样频率≥20kHz)；另外将热电偶置于任意两台电力电容器之间的间隔内(置于任意两相电力电容器之间的间隔内为优选方案)，用于测量电力电容器的环境温度，其输出与多通道数据选择器相连接；将贴片热电偶贴于每台电力电容器本体的三分二高度处测量每台电容器的外壳温度，这些温度信号转换为电压信号经过28路多通道数据选择器处理后，再输入模拟数据转换(ADC)信号采集卡中(由于温度的变化较慢，采样频率为200Hz即可)；这些电流、电压、温度等测量信号在互感器、热电偶的输出端选择为合适的模拟电压信号输出，通过电缆信号线送到模数采集卡中，转换为数字量再送到工控计算机中，通过工控计算机的运算处理后，得出电力电容器的运行介质损耗，显示在显示器上。工控计算机采用LabView测量平台作为测量工作的运行平台，根据所输入的信号量，计算得出每台电力电容器运行的真实介质损耗值。工控计算机还可以将测得的电力电容器的电流有效值及电力电容器外壳的稳态温度值，与温度限值比较，实现电容器的故障预警，为防止电容器组故障扩大提供保护信息。工控计算机还设置有人机交互接口，可实现显示定时记录或故障过程的电压、电流数据，历史数据查询，谐波分析，当前运行显示，故障预警，数据输出等功能。

本发明相对于现有技术的主要优点和有益效果是：(1)现有的电力电容器介质损耗测量主要是离线测量，即在电容器的出厂测试或安装前的试验测试时进行，不是直接测量电力电容器在线运行时的真空介质损耗；又或者是利用电力电容器的实际运行电压、电流测量值及相位差，对电力电容器的介质损耗进行运行算得到，其缺点是由于电容器的介质损耗角很小，互感器的相位角误差的偏差大于介质损耗角，从而不能经济且准确测量电容器运行时的介质损耗。而本发明的装置，利用电力电容器的有功损耗发热引起电容器外壳温度升高，根据所测的电压、电流值、外壳温度、环境温度的数据，在线得出电力电容器的运行中的介质损耗，测量精度高，可为电力电容器的运行监测、绝缘老化、故障预警、故障电容器快速定位提供高效实用的信息；(2)本发明的成本低廉，仅需要在原有的在线监测设备中增加热电偶装置和相关的软件计算功能即可，因此，可在电力电容器的研制试验、温升试验和运行企业中大面积推广，具有能提供准确的现场支撑数据和提高生产效率的社会效益。

附图说明

图1是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的结构方框图；

图2是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的功能模块连接图；

图3是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的电流互感器、电压互感器、贴片热电偶、热电偶在一台电力电容器上的连接示意图；

图4是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的电压互感器、电流互感器、贴片热电偶、热电偶在三相电力电容器组上的连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

针对高压电力电容器组的电容器台数多、无功功率容量大的特点，电容器组一般采用框架分体式结构，即电容器组多由24台或30台相同容量(如每台334kvar)的电力电容器组成，其接线方式一般为8台或10台电容器并联成一相，三相电容器(共24台/30台)按Y型接成一个电容器组，采用中性点不接地的星形或双星形接法。

现以24台电容器形成的电容器组为例，详细说明本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的工作过程：按照本发明的测量原理，对于每一个电容器组，需要测量A、B、C三相电力电容器上的运行电压、流过每台电力电容器的电流、该电容器组所处的环境温度和每台电力电容器外壳的稳态温度。本发明的装置由电压互感器1、电流互感器2、贴片热电偶3、热电偶4、多通道数据选择器5、数据采集卡6、计算机8和显示器7通过电缆信号线相互连接构成，其结构方框图如图1所示：热电偶4、贴片热电偶3另一端与多通道数据选择器5和数据采集卡6依次连接，电压互感器1和电流互感器2也分别与数据采集卡6连接，数据采集卡6与计算机8和显示器7依次连接。其中，电压互感器1采用0.5级以上的电压互感器，各电压互感器在工频下的相角误差偏差性≤2％；电压互感器1具有A、B、C三组，分别对应电容器组A、B、C三相的电压；电流互感器2采用高精度、带间隙坡膜合金磁芯的电流互感器，其输出信号为模拟电信号或模拟光信号；多通道数据选择器5是指28路多通道数据选择器；数据采集卡6采用最高实时采样速率为40MS/s、模拟带宽为10MHz、A/D转换分辨率为12位、输入电压为-15～+15V的具有32路模拟输入端的模拟数据转换信号采集卡(ADC)；计算机8采用工控计算机，其利用LabView测量平台作为测量工作的运行平台，根据所输入的信号量，计算得出每台电力电容器运行的真实介质损耗值，显示在显示器7上，并可实现报警和实时监测。

图3是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的电流互感器2、电压互感器1、贴片热电偶3、热电偶4在一台电力电容器上的连接示意图，电压互感器1的一次侧连接在电力电容器9的两端，二次侧连接数据采集卡6；电流互感器2安装于电力电容器9的其中一个套管与电容器连接处，二次侧通过电缆信号线与数据采集卡6相连接；热电偶4位于任意两台电力电容器之间的间隔内，最佳位置是位于任意两相电力电容器之间的间隔内，其另一端与多通道数据选择器5相连接；贴片热电偶3贴于电力电容器9本体外壳的三分二高度处，其另一端与多通道数据选择器5相连接；将图3的连接方式应用到整个电力电容器组上如图4所示，图4是本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置的电压互感器1、电流互感器2、贴片热电偶3、热电偶4在三相电力设备上的连接示意图，电压互感器1的一次侧连接每相电力电容器的两端，从电压互感器1的二次侧取得交流电压信号，二次侧连接数据采集卡6，电压互感器1具有A、B、C三组，分别对应电容器组A、B、C三相的电压；电流互感器2安装于每台电力电容器的其中一个套管与电容器连接处，电流互感器2的二次侧通过电缆信号线与数据采集卡6相连接；热电偶4位于任意两相电力电容器之间的间隔内，其另一端与多通道数据选择器5相连接，贴片热电偶3贴于电力电容器本体外壳的三分二高度处，其另一端与多通道数据选择器5相连接。

本发明电力电容器的介质损耗在线测量装置是这样工作的：如图2所示，电压互感器1获得的电压信号、电流互感器2获得的电流信号输入到32路多输入模拟数据转换(ADC)数据采集卡6中进行模数转换(根据计算的需要，采样频率≥20kHz)；另外热电偶4测量的环境温度和贴片热电偶3测得的电力电容器9的外壳温度，经过多通道数据选择器5的信号选择后，再输入模拟数据转换(ADC)数据采集卡6中进行模数转换(由于温度的变化较慢，采样频率为200Hz即可)；这些电流、电压、温度等测量信号在互感器、热电偶的输出端选择为合适的模拟电压信号输出，通过电缆信号线送到数据采集卡6中，转换为数字量再送到工控计算机8中，由工控计算机8进行计算，得出电力电容器的运行介质损耗，在显示器7上显示出来。工控计算机8采用LabView测量平台作为测量工作的运行平台，根据所输入的信号量，计算得出每台电力电容器运行的真实介质损耗值。由于此时计算出来的介质损耗包含了谐波等原因所引起的介质损耗，因而比一般的仅利用电压、电流量所测量得到的介质损耗准确、真实反映了电容器运行中的介质损耗。

此外，工控计算机还可以将测得的电力电容器的电流有效值及电力电容器外壳的稳态温度值，与温度限值比较，实现电容器的故障预警，为防止电容器组故障扩大提供保护信息。工控计算机还设有人机交互接口，可实现人机交互，实现显示定时记录或故障过程的电压、电流数据，历史数据查询，谐波分析，当前运行显示，故障预警，数据输出等功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。