CN112305465B - 确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***及测量方法，测量***包括：电测量设备包括工频调压器、变压器、充电电阻、整流硅堆、分压器、放电电容器、断路器、内熔丝、罗氏线圈交流探头以及示波器，电测量设备利用放电电容器对内熔丝进行放电，利用分压器和罗氏线圈分别确定内熔丝两端电压及内熔丝的电流，并利用示波器记录；光测量设备包括试验容器、绝缘油、反射镜面、光源、高速相机以及计算机，光测量设备记录内熔丝熔断状态；以及高压电容器内熔丝熔断需要经历固态加热和熔化两个过程，根据熔丝固态加热阶段吸收热量以及熔丝熔断过程吸收能量，确定熔丝熔断过程最低需要能量。

Description

确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***及测量方法
技术领域
本申请涉及电力检测技术领域，特别是涉及一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***及测量方法。
背景技术
内熔丝是高压电容器故障保护的重要措施之一，内熔丝的作用是在电容器元件极间短路时，利用短路放电能量熔断熔丝本体，开断短路电容器元件所在支路，将短路电容器元件与电源隔离，使得完好电容器元件可以继续运行。
为了保证内熔丝能够在电容器故障时可靠熔断，必须选择合适的熔丝尺寸。内熔丝通常采用铜作为主要原材料，其熔断性能主要受熔丝横截面积和熔体长度的影响。设计内熔丝尺寸时，首先应计算电容器元件击穿时，流过击穿电容器元件的放电电流，再根据放电回路参数计算注入与其串联内熔丝的能量，依此选择合适的内熔丝尺寸。
内熔丝的尺寸不宜选得过大，也不宜选得过小，选得过大会造成元件击穿时内熔丝不能熔断或者不能可靠熔断，甚至产生间歇性电弧，导致故障扩大。选得太小会导致内熔丝在正常运行或例行试验时发生熔断或损伤熔体，导致电容器不能正常工作。目前，国内不少输变电工程中，电容器单元内熔丝尺寸都是根据经验进行设计，缺少精确的理论计算作为支撑，因此也出现过多次因内熔丝配置不合理导致保护误动或故障扩大的情况。
内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂，且目前针对这一问题的研究文献较少。因此，针对苄基甲苯绝缘油中电容器内熔丝熔断物理过程及其空间形态演化特性的研究，不仅是研究难点，而且对于深入理解熔断过程的物理机制，以及为电容器内熔丝选型设计进行参数优化提供依据，从而实现电容器内熔丝可靠熔断性能的大幅度提升，具有重要的研究意义和工程价值。
针对上述的现有技术中存在的内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本公开提供了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***及测量方法，以至少解决现有技术中存在的内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂的技术问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***，测量***包括：电测量设备包括工频调压器、变压器、充电电阻、整流硅堆、分压器、放电电容器、断路器、内熔丝、罗氏线圈交流探头以及示波器，电测量设备利用放电电容器对内熔丝进行放电，利用分压器和罗氏线圈分别确定内熔丝两端电压及内熔丝的电流，并利用示波器记录；光测量设备包括试验容器、绝缘油、反射镜面、光源、高速相机以及计算机，光测量设备记录内熔丝熔断状态；以及高压电容器内熔丝熔断需要经历固态加热和熔化两个过程，根据熔丝固态加热阶段吸收热量以及熔丝熔断过程吸收能量，确定熔丝熔断过程最低需要能量。
可选地，工频调压器的输入电压为220V或380V工频交流电压，输出电压为0～430V，变压器的输入电压为工频调压器的输出电压，为充电电路供能。
可选地，充电电阻对充电电流大小进行限制，整流硅堆是将预定数量的二极管组成的整流电路一起封装在树脂中，形成的整流电路。
可选地，分压器是由串联电容器分压，再经电磁式互感器降压和隔离，作为表计以及继电保护的一种电压互感器，放电电容器的输入为充电电路的输出电压，并进行储能。
可选地，断路器实现充电电路与放电电路的通断，内熔丝串联于电路中，与放电电容器以及断路器共同实现电容器内熔丝的放电熔断。
可选地，罗氏线圈交流探头是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，通过套在被测量的导体上来测量交流电流，示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器。
可选地，试验容器由不锈钢箱体及两处红外玻璃组成，其中红外玻璃的红外线透过率为94％，在7μm时，窗口的红外线透过率为92％，绝缘油采用苄基甲苯。
可选地，光源为高亮度白光LED光源，通过将高速相机输出的同步信号输入到光源的输入端，与实现高速相机准确同步。
可选地，高速相机采用USB 3.0接口，无需专用采集卡，实现与计算机的方便连接，采用单光学输入，多单元组成，四像增强CCD相机模块。
根据本申请的另一个方面，提供了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量方法，包括：连接测量***中的电路各元件，断开断路器；将调压器输入端接入220V或380V电源，合上调压器开关；调节调压器旋钮，逐步升高调压器输出电压，监测分压器输出值，确保分压器输出值不超过电容器额定电压值；待分压器输出值达到电容器额定电压值后，合上断路器，直至电容器电压降为0；以及在放电过程中通过罗氏线圈和示波器记录放电电流波形，同时启动高速相机及光源，对电容器内熔丝熔断状态进行拍摄。
从而，通过模拟真实安装环境条件下对高压并联电容器内熔丝熔断形态的测量，真实展现在不同试验条件下内熔丝熔断过程及形态，以实现对其设计值进行校核，改进和优化设计参数，提高产品的运行可靠性。进而解决现有技术中存在的内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂的技术问题。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的熔丝的熔断的五个过程的示意图；
图2是根据本申请一个实施例的的试验回路的示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
在本实施例中，参考图1所示，熔丝的熔断分为五个过程：固态加热、熔化、液化、汽化、等离子化。电容器内熔丝熔断至少需经历固态加热和熔化两个过程。直径为D(mm)，长度为L(mm)，原材料为铜丝的内熔丝，其熔断能量推导如下：
熔丝固体加热阶段吸收热量W1
W1＝mcΔT＝ρSLc(T-T0) (1)
其中，m—熔丝的质量，ρ—熔丝的密度，8.92g/cm3，c—熔丝的比热，0.38J/(g·K)，T—熔丝的熔点，1084.4℃，T0—熔丝的初始温度，常温为25℃熔丝的熔化过程吸收能量为W2
W2＝QnV＝QSL/n (2)
其中，Q—熔丝的熔化热，13.05kJ/mol，n—熔丝的摩尔体积，7.11cm3/mol，熔丝熔化过程最小需求能量W。
W＝W1+W2
＝ρSLc(T-T0)+QSL/n
＝SL[ρc(T-T0)+Q/n]
＝SL(8.92×0.38×(1084.4-25)/1000+13.05/7.11)
＝5.43SL
即熔丝熔断过程最低需要能量W＝5.43SL。
本实施例提供了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***。参考图2所示，图2为用于对电容器内熔丝熔断特性进行电学测量及同步的试验回路。测量***包括：电测量设备包括工频调压器、变压器、充电电阻、整流硅堆、分压器、放电电容器、断路器、内熔丝、罗氏线圈交流探头以及示波器，电测量设备利用放电电容器对内熔丝进行放电，利用分压器和罗氏线圈分别确定内熔丝两端电压及内熔丝的电流，并利用示波器记录；光测量设备包括试验容器、绝缘油、反射镜面、光源、高速相机以及计算机，光测量设备记录内熔丝熔断状态；以及高压电容器内熔丝熔断需要经历固态加热和熔化两个过程，根据熔丝固态加热阶段吸收热量以及熔丝熔断过程吸收能量，确定熔丝熔断过程最低需要能量。电测量设备和光测量设备同步启动。
从而，通过模拟真实安装环境条件下对高压并联电容器内熔丝熔断形态的测量，真实展现在不同试验条件下内熔丝熔断过程及形态，以实现对其设计值进行校核，改进和优化设计参数，提高产品的运行可靠性。进而解决现有技术中存在的内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂的技术问题。
可选地，工频调压器的输入电压为220V或380V工频交流电压，输出电压为0～430V，变压器的输入电压为工频调压器的输出电压，为充电电路供能。
具体地，工频调压器的输入电压为220V或380V工频交流电压，输出电压为0～430V，可实现输出电压的灵活调节。变压器的输入电压为工频调压器的输出电压，为充电电路供能。
可选地，充电电阻对充电电流大小进行限制，整流硅堆是将预定数量的二极管组成的整流电路一起封装在树脂中，形成的整流电路。
具体地，充电电阻对充电电流大小进行限制，避免通电瞬间短路产生的较大充电电流损坏功率器件。充电电阻阻值的选择必须综合考虑设备允许的最大电流、起动速度、电阻体积等因素。整流硅堆是将预定数量的二极管组成的整流电路一起封装在树脂中，形成的整流电路，是高压整流中将交流变成直流必不可少的元件。整流硅堆输入为经过放电电阻限流的交流电压，输出为经过整流后的直流电压。
可选地，分压器是由串联电容器分压，再经电磁式互感器降压和隔离，作为表计以及继电保护的一种电压互感器，放电电容器的输入为充电电路的输出电压，并进行储能。
具体地，分压器是由串联电容器分压，再经电磁式互感器降压和隔离，作为表计以及继电保护的一种电压互感器，在电路中实现对并联放电电容器端电压的精确测量。放电电容器的输入为充电电路的输出电压，并进行储能。
可选地，断路器实现充电电路与放电电路的通断，内熔丝串联于电路中，与放电电容器以及断路器共同实现电容器内熔丝的放电熔断。
可选地，罗氏线圈交流探头是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，通过套在被测量的导体上来测量交流电流，示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器。
具体地，罗氏线圈交流探头是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。适用于较宽频率范围内的交流电流的测量，对导体、尺寸都无特殊要求，具有较快的瞬间反应能力，广泛应用于电流测量，尤其是高频、大电流测量。罗氏线圈采用灵敏度1mV/A，峰值电流6kA，高频带宽16MHz，低频带宽0.6Hz。示波器是用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，实现对放电电流的波形、频率、电压强度等测量。示波器实时采样率最高达10GSa/s，模拟通道配置500MHz无源电压探头，大于600000wfms/s的最大波形捕获率。
可选地，试验容器由不锈钢箱体及两处红外玻璃组成，其中红外玻璃的红外线透过率为94％，在7μm时，窗口的红外线透过率为92％，绝缘油采用苄基甲苯。
可选地，光源为高亮度白光LED光源，通过将高速相机输出的同步信号输入到光源的输入端，与实现高速相机准确同步。
具体地，光源为高亮度白光LED光源，通过将高速相机输出的同步信号输入到光源的输入端，实现高速相机与光源的准确同步。光源技术参数如表1所示：
表1
电源输入 AC220V，50Hz，4.5A
光颜色 正白
流明 11000lm×12
色温 6600K
闪频 无
紫外线 无
功率 600W
可选地，高速相机采用USB 3.0接口，无需专用采集卡，实现与计算机的方便连接，采用单光学输入，多单元组成，四像增强CCD相机模块。
可选地，高速相机用于捕捉拍摄电容器内熔丝熔断过程中的高清图像，具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力。高速相机采用USB 3.0接口，无需专用采集卡，实现与计算机的方便连接。采用单光学输入，多单元组成，四像增强CCD相机模块，快速可交换MCP像增强管和高分辨率CCD影像传感器，分辨率大于60lp/mm，极速快门3ns，具备单个光子探测能力。
根据本申请的另一个方面，提供了一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量方法，包括：连接测量***中的电路各元件，断开断路器；将调压器输入端接入220V或380V电源，合上调压器开关；调节调压器旋钮，逐步升高调压器输出电压，监测分压器输出值，确保分压器输出值不超过电容器额定电压值；待分压器输出值达到电容器额定电压值后，合上断路器，直至电容器电压降为0；以及在放电过程中通过罗氏线圈和示波器记录放电电流波形，同时启动高速相机及光源，对电容器内熔丝熔断状态进行拍摄。
从而，通过模拟真实安装环境条件下对高压并联电容器内熔丝熔断形态的测量，真实展现在不同试验条件下内熔丝熔断过程及形态，以实现对其设计值进行校核，改进和优化设计参数，提高产品的运行可靠性。进而解决现有技术中存在的内熔丝在阻性阶段后熔断的状态，尤其空间分布的均匀性与扩散速度，将对纳米颗粒粒径产生显著影响。此外，由于油绝缘环境中内熔丝熔断过程受到液体介质的影响，其熔断的形态较空气中更为复杂的技术问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量***，其特征在于，所述测量***包括：
电测量设备包括工频调压器、变压器、充电电阻、整流硅堆、分压器、放电电容器、断路器、内熔丝、罗氏线圈交流探头以及示波器，所述电测量设备利用所述放电电容器对所述内熔丝进行放电，利用所述分压器和所述罗氏线圈分别确定所述内熔丝两端电压及内熔丝的电流，并利用所述示波器记录；
光测量设备包括试验容器、绝缘油、反射镜面、光源、高速相机以及计算机，所述光测量设备记录所述内熔丝熔断状态；以及
所述高压电容器内熔丝熔断需要经历固态加热和熔化两个过程，根据熔丝固态加热阶段吸收热量以及熔丝熔断过程吸收能量，确定熔丝熔断过程最低需要能量；
熔丝的熔断分为五个过程：固态加热、熔化、液化、汽化、等离子化，电容器内熔丝熔断至少需经历固态加热和熔化两个过程，直径为D，单位为mm，长度为L，单位mm，原材料为铜丝的内熔丝，其熔断能量推导如下：
熔丝固体加热阶段吸收热量W1
W1＝mcΔT＝ρSLc(T-T0) (1)
其中，m—熔丝的质量，ρ—熔丝的密度，8.92g/cm3，c—熔丝的比热，0.38J/(g·K)，T—熔丝的熔点，1084.4℃，T0—熔丝的初始温度，常温为25℃熔丝的熔化过程吸收能量为W2
W2＝QnV＝QSL/n (2)
其中，Q—熔丝的熔化热，13.05kJ/mol，n—熔丝的摩尔体积，7.11cm3/mol，熔丝熔化过程最小需求能量W；
W＝W1+W2
＝ρSLc(T-T0)+QSL/n
＝SL[ρc(T-T0)+Q/n]
＝SL(8.92×0.38×(1084.4-25)/1000
+13.05/7.11)
＝5.43SL
即熔丝熔断过程最低需要能量W＝5.43SL，所述工频调压器的输入电压为220V或380V工频交流电压，输出电压为0～430V，所述变压器的输入电压为所述工频调压器的输出电压，为充电电路供能；
所述充电电阻对充电电流大小进行限制，所述整流硅堆是将预定数量的二极管组成的整流电路一起封装在树脂中，形成的整流电路；
所述分压器是由串联电容器分压，再经电磁式互感器降压和隔离，作为表计以及继电保护的一种电压互感器，所述放电电容器的输入为充电电路的输出电压，并进行储能；
所述断路器实现充电电路与放电电路的通断，所述内熔丝串联于电路中，与所述放电电容器以及所述断路器共同实现电容器内熔丝的放电熔断；
所述罗氏线圈交流探头是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，通过套在被测量的导体上来测量交流电流，所述示波器是用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器；
所述试验容器由不锈钢箱体及两处红外玻璃组成，其中红外玻璃的红外线透过率为94％，在7μm时，窗口的红外线透过率为92％，所述绝缘油采用苄基甲苯；
所述光源为高亮度白光LED光源，通过将高速相机输出的同步信号输入到光源的输入端，实现与高速相机准确同步；
所述高速相机采用USB3.0接口，无需专用采集卡，实现与计算机的方便连接，采用单光学输入，多单元组成，四像增强CCD相机模块。
2.一种根据权利要求1的测量***确定高压电容器内熔丝熔断状态的测量方法，其特征在于，包括：
连接测量***中的电路各元件，断开断路器；
将调压器输入端接入220V或380V电源，合上调压器开关；
调节调压器旋钮，逐步升高调压器输出电压，监测分压器输出值，确保所述分压器输出值不超过电容器额定电压值；
待所述分压器输出值达到电容器额定电压值后，合上所述断路器，直至电容器电压降为0；以及
在放电过程中通过罗氏线圈和示波器记录放电电流波形，同时启动高速相机及光源，对电容器内熔丝熔断状态进行拍摄。
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