CN104062509A - Uhf电容检测装置及其工作方法 - Google Patents

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顾志强
黄涛
周鹏
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Abstract

本发明涉及一种UHF电容检测装置及其工作方法，包括：用于检测电容器局部放电的UHF检测单元，该UHF检测单元包括：UHF传感器，该UHF传感器设有屏蔽罩的腔体内，该屏蔽罩设于绝缘封套内；本发明通过UHF传感器有效的避免了低频区的干扰信号，使对电容的局部放电检测更加准确，并且通过在电容器上部开一小孔以检测电容器局部放电时所产生的UHF信号，具有对电容破坏小，检测精度高的特点。

Description

UHF电容检测装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域，尤其涉及一种UHF电容检测装置及其工作方法。
背景技术
现阶段出现的电容器检测均采用超声波检测法，其传感器大都采用压电晶体以及接收放大器组成，通常对未对环境、工作温度和信号的进行抗干扰处理，然而由于超声波的特性对温度等参数比较敏感以及后端信号干扰的放大，从而导致在现场测试时，信号驳杂难辨，增加了对缺陷的判断难度；并且，在电容检测方面，现有的电力电容器在线诊断技术集中于对电容量介质损耗角的测量检测结果滞后于故障的发生且检测结果并不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种UHF电容检测装置，其提高了电容器局部放电所检测的信号频带，避免了在低频区环境、工作温度对信号的干扰。
为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种UHF电容检测装置，包括：用于检测电容器局部放电的UHF检测单元，该UHF检测单元包括：UHF传感器，该UHF传感器设有屏蔽罩的腔体内，该屏蔽罩设于绝缘封套内。
进一步，为了满足电容器在线测量，并且对电容器的寿命进行预估，所述UHF电容检测装置还包括：用于采集电容两端的电压向量的高频电流传感器，所述UHF传感器、高频电流传感器分别通过相应调理单元与数据处理控制单元相连。
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0。
电容量计算模块，建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级；预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；通过UHF传感器采集的被测电容产生的UHF信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx。
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；并通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
进一步，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
在上述UHF电容检测装置的基础上，本发明还提供一种UHF电容检测装置的工作方法，该工作方法解决了对电容器UHF信号进行采集的技术问题。
所述的UHF电容检测装置的工作方法，包括：在电容器顶部开一小孔，所述UHF传感器的探测部对准该小孔，以检测该电容器在局部放电时所产生的UHF信号。
进一步，为了实现对电容器寿命进行预估所述的UHF电容检测装置的工作方法，包括：
步骤一：通过高频电流传感器采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U0；
步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级。
预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0。
通过UHF传感器采集被测电容产生的UHF信号，以获得被测电容声的压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx。
步骤三：根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值。
步骤四：通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
进一步，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)本发明通过UHF传感器有效的避免了低频区的干扰信号，使对电容的局部放电检测更加准确。(2)本发明把UHF传感器和高频电流传感器结合起来，实现了无需关闭电源的在线检测；(3)本发明通过在电容器上部开一小孔以检测电容器局部放电时所产生的UHF信号，具有对电容破坏小，检测精度高的特点；(4)本发明通过UHF传感器采集被测电容产生的电容声压级Lpx；高频电流传感器采集电容两端的电压值，建立电容量预估公式，利用该公式对被测电容的寿命进行预测，比传统的仅仅检测当前电容实际电容量来判断电容寿命更加具有前瞻性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的UHF检测单元的内部结构示意图；
图2为所述UHF电容检测装置的原理框图；
图3为所述UHF电容检测装置的工作方法的流程图。
其中，UHF传感器1、屏蔽罩2、绝缘封套3。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
见图1和图2，一种UHF电容检测装置，包括：用于检测电容器局部放电的UHF检测单元，该UHF检测单元包括：UHF传感器1，该UHF传感器1设有屏蔽罩2的腔体内，该屏蔽罩2设于绝缘封套3内，所述UHF传感器采集的电容器局部放电的信号频带为300MHz～2.5GHz，大大排除了现场大部分干扰。
所述屏蔽罩2采用金属屏蔽组件，其大大增强抗电磁干扰能力强，提高检测灵敏度。
如图2所示，所述UHF电容检测装置还包括：用于采集电容两端的电压向量的高频电流传感器。
所述UHF传感器、高频电流传感器分别通过相应数据调理单元与数据处理控制单元相连；即，UHF传感器、高频电流传感器分别通过第一、第二数据调理单元与数控处理控制单元相连，且第一、第二数据调理单元可以采用由集成运算放大器构成的一定比例的放大器。
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力***保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。
电容量计算模块，适于根据预设被测电容类型、额定电容量C0，通过所述电容声压级数据库获得被测电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级Lp0；通过UHF传感器采集的被测电容产生的UHF信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；其中，所述电容声压级Lp0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；计算相应电容声压级Lpx的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中Cx1和Cx2为在当前基波电压的有效值U0下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容在各基波电压的有效值下经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的；且通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
所述叠加电压u(t)的有效值U计算方法包括：基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值。所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
所述数据处理控制单元通过FPGA模块来实现，即，FPGA芯片XC6SLX9-TQG144。
实施例2
在实施例1基础上还提供了一种UHF电容检测装置的工作方法，包括：在电容器顶部开一小孔，所述UHF传感器1的探测部对准该小孔，以检测该电容器在局部放电时所产生的UHF信号。
如图3所示，为了实现对电容器寿命的预估，所述UHF电容检测装置的工作方法，还包括：
步骤S100，获得被测电容两端的叠加电压、基波电压的有效值。
通过高频电流传感器采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力***保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。
步骤S200，获得被测电容的实际电容量。
建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容在仅有各基波的有效值所分别对应的电容声压级。
预设被测电容类型、额定电容量C0，通过所述电容声压级数据库获得被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容声压级Lp0；通过UHF传感器采集被测电容产生的UHF信号，以获得被测电容的声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；其中，所述电容声压级Lp0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与仅有各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；其中，仅有各基波电压指的是无谐波电压；计算相应电容声压级Lpx的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。
步骤S300，通过建立电容量预估公式，计算出被测电容发生损坏的预期时间。
步骤S310，建立电容量预估公式及电容量变化系数k计算公式。
根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，Cx1和Cx2为在当前基波电压的有效值U0下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容与仅有各基波电压的有效值经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的。
步骤S320，计算出被测电容发生损坏的预期时间。
通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间，即被测电容的使用寿命；其中，极限电容值C由人为设定，也为电容量发出警告的阈值，便于对电容进行在线评估。
进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
进一步，考虑到谐波能量分布，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
表1为实验数据与实测对比结果一，表1的电力电容选用巨华电力电容BSMJ-0.415-15-315Kvar，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表1 实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在525V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.08uf。
表2为实验数据与实测对比结果二，表2的电力电容选用上海威斯康电力电容BSMJ0.4-15-3电容BSMJ 0.45-15-3，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表2 实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在450V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.12uf；或在415V基波有效值下，一天的电容变化量经过实测为0.11uf。
表3为实验数据与实测对比结果三，表3的电力电容选用德力西自愈式低压电容器并联电力电容器 BSMJS0.4 20-3 BSMJ，设定所述极限电容值C为原容量的40％。
表3 实验数据与实测对照表
其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在380V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.063uf。
本发明中基波有效值也可以认为是理想状态下的电压有效值。
从表1至表3可以看出，本发明的UHF电容检测装置预估电容剩余时间是切实有效的，具有准确性高的特点，在电容器的实际电容量接近电容损坏时的极限电容值C时，所结算的结果越接近实测结果。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种UHF电容检测装置，其特征在于包括：用于检测电容器局部放电的UHF检测单元，该UHF检测单元包括：UHF传感器，该UHF传感器设有屏蔽罩的腔体内，该屏蔽罩设于绝缘封套内。
2.根据权利要求1所述的UHF电容检测装置，其特征在于，所述UHF电容检测装置还包括：用于采集电容两端的电压向量的高频电流传感器，
所述UHF传感器、高频电流传感器分别通过相应调理单元与数据处理控制单元相连；
所述数据处理控制单元，包括：
电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U0；
电容量计算模块，建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级；预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；通过UHF传感器采集的被测电容产生的UHF信号，以获得相应电容声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；
被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；并通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
3.根据权利要求2所述的UHF电容检测装置，其特征在于，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
4.根据权利要求3所述的UHF电容检测装置，其特征在于，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
5.根据权利要求1所述的UHF电容检测装置的工作方法，其特征在于，包括：在电容器顶部开一小孔，所述UHF传感器的探测部对准该小孔，以检测该电容器在局部放电时所产生的UHF信号。
6.根据权利要求5所述的UHF电容检测装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法还包括：
步骤一：通过高频电流传感器采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U0；
步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级；
预设被测电容类型、额定电容量C0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级Lp0；
根据所述UHF信号，获得被测电容的声压级Lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量Cx；
步骤三：根据被测电容的实际电容量Cx和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝Cx-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U0下对应的电容量变化系数，即，其中，Cx1和Cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；
步骤四：通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。
7.根据权利要求6所述的UHF电容检测装置的工作方法，其特征在于，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值获得。
8.根据权利要求7所述的UHF电容检测装置的工作方法，其特征在于，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。
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