CN114563670A - 发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置及方法 - Google Patents

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韩磊
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Abstract

本发明涉及发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置及方法，巧妙的将电容器外壳与地之间通过绝缘垫块进行分离，并通过软铜线进行连接，方便采集通过电容器的电流，并直接使用了GCB内的PT，为设备运行提供了可靠的参考数据，降低了设备非计划停机的风险，可以将封闭于GCB内部的无法直接观察的冲击电容器极间绝缘通过电容量测试实现在线监测。为电厂运行、巡视、检修提供大数据支撑和参考，同时当发电企业发生非计划停运时，可以快速准确的判断是否因冲击电容器的绝缘引发跳机，有助于发电企业快速排查跳机原因，在最短的时间内完成机组并网操作，减少电网调度部门对发电企业的电量考核。

Description

发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置及方法
技术领域
本发明涉及冲击电容器极间绝缘在线监测装置及方法，特别是一种发电机出口断路器(下称GCB)内冲击电容器极间绝缘在线监测装置及方法。
背景技术
目前随着国家能源行业碳达峰和碳中和目标的提出，传统火力发电厂的装机容量占比呈下滑趋势，在役火力发电厂(含核电厂，下同)的单机容量基本在600MW以上；作为传统清洁能源行业的大型水电站单机容量也在700MW左右。在役发电机组应面向未来，使现有的各种发电方式能够更好地适应未来的智能社会以及能源革命和创新。GCB装设于发电机出口与主变压器之间，可以执行机组并网或解列操作；检修时使得主变压器可以兼做启备变使用。同时当发电机侧发生故障时，GCB动作将故障点与***隔离，避免了厂用电事故切换，简化了厂用电源的控制保护接线，降低了保护动作的联锁复杂性。当主变压器故障时，GCB可以迅速切除，使得发电机、变压器和高厂变处于各自独立的保护范围内。GCB运行中承载很高的负荷电流，还必须具备开断非常大的额定短路电流的能力，在开断过程中，其灭弧室断口间承受很高的电弧作用，断口间处于导通状态。在短路电流交流零点电弧熄灭后，断口间的绝缘介质强度的回复必须能够承受恢复电压的作用，才可以完成一次成功开断。为了提高GCB的开断性能，通常在其断口两侧加装冲击电容器来改善电流零点后断口间的瞬态恢复电压(即TRV)。同时GCB作为离相封闭母线的一部分，冲击电容器挂接与母线与外壳之间，当放生发生一点接地后，仅通过绝缘电阻测试很难发现由于冲击电容器极间绝缘故障引起的单相接地故障。GCB因其特殊结构，冲击电容器同避雷器、电压互感器、刀闸、灭弧室等封闭安装于壳体内，其绝缘性能难以直观发现或通过红外成像等手段测试。冲击电容器主要采用油膜结构，当发生极间绝缘老化和漏渗油时，很难第一时间发现问题，需要打开盖板逐项排查。目前仅通过预防性试验开展测试，但是机组运行小时数不够造成了设备超期未修。GCB内冲击电容器的极间绝缘性能缺乏直观有效的判定方法。因此，其改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置及方法，可有效解决GCB内冲击电容器绝缘性能无法在线监测的问题。
本发明解决的技术方案是，
一种发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器和电压互感器，其特征在于，冲击电容器和电压互感器均倒置安装于GCB壳体的盖板上，冲击电容器的安装吊架与GCB壳体的盖板之间设置有绝缘垫块，通过绝缘螺栓压紧固定，冲击电容器的安装吊架与GCB壳体的盖板通过金属软母线短接，冲击电容器的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器二次绕组取电压信号，所述绝缘在线监测装置还包括信号处理装置；
信号处理装置通过实时采集的电流信号和电压信号计算实时电容量Cx，并将实时电容量Cx与铭牌额定值Cn比较，通过电容量变化量△C来在线监测发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况。
优选的，所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器、电压互感器的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连。
一种基于上述在线监测装置的发电机出口断路器内冲击电容器极间绝缘在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一：安装在线监测装置
电厂停机检修时，安装在线监测装置，并通过外施***运行电压的办法，测量电压互感器变比k1；
所述在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器和电压互感器，其特征在于，冲击电容器和电压互感器均倒置安装于GCB壳体的盖板上，冲击电容器的安装吊架与GCB壳体的盖板之间设置有绝缘垫块，通过绝缘螺栓压紧固定，冲击电容器的安装吊架与GCB壳体的盖板通过金属软母线短接，冲击电容器的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器二次绕组取电压信号，所述在线监测装置还包括信号处理装置；
所述电流互感器采集的电流信号通过设置在GCB壳体上的电流信号引出套管引出至的输入端；所述电压互感器采集的电压信号通过设置在GCB壳体上的电压信号引出套管引出至信号处理装置的输入端；
所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器、电压互感器的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连；
步骤二：在线监测
GCB正常运行，电流互感器实时采集电流Iax，电压互感器实时采集二次电压U1a1n，信号处理装置根据以下公式依次计算得到视在功率S、无功功率Q、***容抗Xc、冲击电容器电容值Cx：
S＝k1×U1a1n×Iax
Q≈S，视为Q＝S
Xc＝k1×U1a1n÷Iax
Cx＝1÷(2×π×f×Xc)
(冲击电容器内部无放电电阻，***功率损耗主要为无功损耗，忽略有功损耗P)
并将得到的数据进行数据存储并绘制Cx-t数据曲线；
信号处理装置将实时测量的冲击电容器电容值Cx与铭牌额定电容值Cn通过下述公式进行差值比较计算，得到电容量变化量△C：
△C＝(Cx-Cn)÷Cn×100％
通过以下判据对发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况进行判定：
a、电容量变化量△C介于[-5％,+10％]之内，判定当前为初始状态，冲击电容器主绝缘良好；
b、电容量变化量△C介于(-∞,-5％)之内，判定冲击电容器主绝缘已经发生故障(如电容芯子串联段断路等)，在显示器显示界面发出故障报警信号，同时报警器报警；
c、电容量变化量△C介于(+10％,+∞)之内，判定冲击电容器主绝缘已经劣化(如电容芯子发生了严重的击穿，油膜绝缘受潮等)，在显示器显示界面发出劣化报警信号，同时报警器报警。
冲击电容器内部是由若干电容芯子按照串并联的结构组成。电容芯子电极采用铝箔，极间介质采用聚丙烯膜，浸渍苄基甲苯(填充和绝缘的作用)。当极间介质绝缘劣化后，介电常数发生变化，进而影响电容芯子的电容量，冲击电容器的电容量伴随改变；不同电容芯子的串并联发生短路和断路时也会影响冲击电容器的电容量。因此本发明在线监测方法通过采集GCB内的PT二次电压信号，冲击电容器接地端的电流信号，并通过处理器的信号计算，得到冲击电容器的实时电容量Cx，并将实时电容量Cx与铭牌额定值Cn比较，通过电容量变化量△C来在线监测发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况。
与现有技术相比，本发明在线监测装置结构新颖独特，简单合理，易生产，易操作，在现有GCB的基础上进行改造即可。为设备运行提供了可靠的参考数据，降低了设备非计划停机的风险，可以将封闭于GCB内部的无法直接观察的冲击电容器极间绝缘通过电容量测试实现在线监测。能够为电厂运行、巡视、检修提供大数据支撑和参考，冲击电容器作为GCB内的一个设备，绝缘容易被忽视。同时当发电企业发生非计划停运时，可以快速准确的判断是否因冲击电容器的绝缘引发跳机，有助于发电企业快速排查跳机原因，在最短的时间内完成机组并网操作，减少电网调度部门对发电企业的电量考核。进而间接为发电企业创收。本发明对GCB内冲击电容器绝缘状态在线监测的创新，巧妙的将电容器外壳与地之间通过绝缘垫块进行分离，并通过软铜线进行连接，方便采集通过电容器的电流，并直接使用了GCB内的PT，降低了成本，其使用方便，效果好，是发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测方法的创新，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明的电气原理图(图中C1和C2为GCB灭弧室两侧的冲击电容器，虚线框内的所有设备构成了GCB)。
图2为本发明GCB冲击电容器处的剖视图。
图3为本发明在线监测装置的结构示意图。
图4为本发明GCB电压互感器处的剖视图。
图5为本发明信号处理装置的电路原理框式图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-5给出，本发明一种发电机出口断路器内冲击电容器极间绝缘在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器5和电压互感器8，冲击电容器5和电压互感器8均倒置安装于GCB壳体的盖板1上，冲击电容器5的安装吊架2与GCB壳体的盖板1之间设置有绝缘垫块3，通过绝缘螺栓4压紧固定，冲击电容器5的安装吊架2与GCB壳体的盖板1通过金属软母线6短接，冲击电容器5的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器7，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器8二次绕组取电压信号，所述绝缘在线监测装置还包括信号处理装置；
信号处理装置通过实时采集的电流信号和电压信号计算实时电容量Cx，并将实时电容量Cx与铭牌额定值Cn比较，通过电容量变化量△C来在线监测发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况。
为保证使用效果，所述金属软母6的一个接线端通过绝缘螺栓4压紧接触在安装吊架2上，另一个接线端接触安装在GCB壳体的盖板1上，电流互感器7的输入端与金属软母线6相连。
所述电流互感器7采集的电流信号通过设置在GCB壳体上的电流信号引出套管引出至的输入端；所述电压互感器8采集的电压信号通过设置在GCB壳体上的电压信号引出套管引出至信号处理装置的输入端。
GCB灭弧室断口的两端外壁设置小圆孔(如图4中1a、1n所示)，用于电压和电流信号的引出，安装套管引出后用防火泥封堵，防止异物落入或小动物进入。信号线采用带屏蔽的电缆，防止强电场对信号测量造成的干扰，且信号线紧贴GCB外壳布置，与GCB的高压通电部分保持足够的绝缘距离。冲击电容器和电压互感器U、V、W三相呈水平一字型布置，GCB两侧各安装有1个冲击电容器，共有U、V、W三相，所以需要6组信号采集结构。
所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器7、电压互感器8的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连。
按键与控制器相连用于输入相关指令，电源用于为各个元器件供电，AD转换器用于信号转换；所述控制器能将测量到的电压乘以电压互感器的变比，得到当前的***运行相对地电压；结合测量到的冲击电容器电流，两者通过功率分析计算得到视在功率S和无功功率Q，进而得到当前的容抗，控制器通过测量到的电压能识别当前的***频率f，以及计算值视在功率S、无功功率Q、冲击电容器电容值Cx，显示器用于显示测量的电压U1a1n、电流Iax和频率f，信号处理装置具备额定值和报警值设定功能，当实时电容量Cx超过偏差时，控制器能在显示界面提示报警信号，同时报警器报警。该控制器为现有技术，如型号为MCS-80960的单片机控制器等。
一种基于上述在线监测装置的发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一：安装在线监测装置
电厂停机检修时，安装在线监测装置，并通过外施***运行电压的办法，测量电压互感器变比k1；
所述在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器5和电压互感器8，其特征在于，冲击电容器5和电压互感器8均倒置安装于GCB壳体的盖板1上，冲击电容器5的安装吊架2与GCB壳体的盖板1之间设置有绝缘垫块3，通过绝缘螺栓4压紧固定，冲击电容器5的安装吊架2与GCB壳体的盖板1通过金属软母线6短接，冲击电容器5的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器7，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器8二次绕组取电压信号，所述在线监测装置还包括信号处理装置；
所述电流互感器7采集的电流信号通过设置在GCB壳体上的电流信号引出套管引出至的输入端；所述电压互感器8采集的电压信号通过设置在GCB壳体上的电压信号引出套管引出至信号处理装置的输入端；
所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器7、电压互感器8的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连；
步骤二：在线监测
GCB正常运行，电流互感器实时采集电流Iax，电压互感器实时采集二次电压U1a1n，信号处理装置根据以下公式依次计算得到视在功率S、无功功率Q、***容抗Xc、冲击电容器电容值Cx：
S＝k1×U1a1n×Iax
Q≈S，视为Q＝S
Xc＝k1×U1a1n÷Iax
Cx＝1÷(2×π×f×Xc)
并将得到的数据进行数据存储并绘制Cx-t数据曲线；
信号处理装置将实时测量的冲击电容器电容值Cx与铭牌额定电容值Cn通过下述公式进行差值比较计算，得到电容量变化量△C：
△C＝(Cx-Cn)÷Cn×100％
通过以下判据对发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况进行判定：
a、电容量变化量△C介于[-5％,+10％]之内，判定当前为初始状态，冲击电容器主绝缘良好；
b、电容量变化量△C介于(-∞,-5％)之内，判定冲击电容器主绝缘已经发生故障(如电容芯子串联段断路等)，在显示器显示界面发出故障报警信号，同时报警器报警；
c、电容量变化量△C介于(+10％,+∞)之内，判定冲击电容器主绝缘已经劣化(如电容芯子发生了严重的击穿，油膜绝缘受潮等)，在显示器显示界面发出劣化报警信号，同时报警器报警。
本发明经实际应用，取得了良好的技术效果，实验室采用外部励磁变压器产生高压10kV，施加于冲击电容器高压端，模拟运行状态；测量电流信号的信号采集装置卡接于冲击电容器的外壳接地端；电压信号取自于励磁变压器的测量绕组(变压器亦是特殊的电压互感器，测量绕组可兼做二次绕组使用)。利用实验室现有的几台电容器不同并联组合模拟，按本发明装置连接设备并通过本发明方法进行数值采集和在线监测，经实验室带电测试数据如表1所示：
表1GCB内冲击电容器模拟带电测试数据
Figure BDA0003526761210000061
表格中工况1对应冲击电容器额定电容量为260nf，实测值为264.8nf，对应于主变侧冲击电容器。△C的数值为+1.85％，落在[-5％,+10％]的范围内，绝缘状态应为良好。
表格中工况2所用冲击电容器额定电容量为132nf，实测值为131.2nf，对应于发电机侧冲击电容器。△C的数值为-0.6％，落在[-5％,+10％]的范围内，绝缘状态应为良好。
表格中工况3a对应冲击电容器为260nf与132nf电容器的并联组合，实测电容量为395.4nf，模拟电容器绝缘劣化状态，与132nf电容器对比，△C的数值为+199.5％，落在(+10％,+∞)的范围内，绝缘状态应为劣化，与模拟劣化状态相符；
表格中工况3b对应冲击电容器为260nf与132nf电容器的并联组合，实测电容量为395.4nf，模拟电容器绝缘劣化状态，与264nf电容器对比，△C的数值为+49.77％，落在(+10％,+∞)的范围内，绝缘状态应为劣化，与模拟劣化状态相符；
表格中工况4对应冲击电容器额定电容量为260nf，实测值为193.3nf，对应于主变侧冲击电容器，△C的数值为-25.6％，落在(-∞,-5％)的范围内，绝缘已经发生故障。经解体发现电容器内串联段间连接线烧损。
2021年10月某发电企业2号机组420MW负荷运行中，本发明装置报电容量偏差+14.3％，经向调度申请紧急停机，经检查，发电机出口所带励磁变，电压互感器，封闭母线等均绝缘正常，故障位置初步判断位于GCB侧，与装置报警吻合。打开GCB盖板，发现主变侧冲击电容器有鼓包和渗油现象，该发明专利的方法得到了有效验证。

Claims (5)

1.一种发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器(5)和电压互感器(8)，其特征在于，冲击电容器(5)和电压互感器(8)均倒置安装于GCB壳体的盖板(1)上，冲击电容器(5)的安装吊架(2)与GCB壳体的盖板(1)之间设置有绝缘垫块(3)，通过绝缘螺栓(4)压紧固定，冲击电容器(5)的安装吊架(2)与GCB壳体的盖板(1)通过金属软母线(6)短接，冲击电容器(5)的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器(7)，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器(8)二次绕组取电压信号，所述绝缘在线监测装置还包括信号处理装置；
信号处理装置通过实时采集的电流信号和电压信号计算实时电容量Cx，并将实时电容量Cx与铭牌额定值Cn比较，通过电容量变化量△C来在线监测发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况。
2.根据权利要求1所述的发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置，其特征在于，所述金属软母(6)的一个接线端通过绝缘螺栓(4)压紧接触在安装吊架(2)上，另一个接线端接触安装在GCB壳体的盖板(1)上，电流互感器(7)的输入端与金属软母线(6)相连。
3.根据权利要求1所述的发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置，其特征在于，所述电流互感器(7)采集的电流信号通过设置在GCB壳体上的电流信号引出套管引出至的输入端；所述电压互感器(8)采集的电压信号通过设置在GCB壳体上的电压信号引出套管引出至信号处理装置的输入端。
4.根据权利要求1所述的发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测装置，其特征在于，所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器(7)、电压互感器(8)的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连。
5.一种基于权利要求1在线监测装置的发电机出口断路器内冲击电容器绝缘在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：安装在线监测装置
电厂停机检修时，安装在线监测装置，并通过外施***运行电压的办法，测量电压互感器变比k1；
所述在线监测装置，包括GCB，GCB包括壳体和装在壳体内的冲击电容器(5)和电压互感器(8)，其特征在于，冲击电容器(5)和电压互感器(8)均倒置安装于GCB壳体的盖板(1)上，冲击电容器(5)的安装吊架(2)与GCB壳体的盖板(1)之间设置有绝缘垫块(3)，通过绝缘螺栓(4)压紧固定，冲击电容器(5)的安装吊架(2)与GCB壳体的盖板(1)通过金属软母线(6)短接，冲击电容器(5)的外壳接地端安装有用于采集电流信号的电流互感器(7)，同时通过从GCB壳体内部的电压互感器(8)二次绕组取电压信号，所述在线监测装置还包括信号处理装置；
所述电流互感器(7)采集的电流信号通过设置在GCB壳体上的电流信号引出套管引出至的输入端；所述电压互感器(8)采集的电压信号通过设置在GCB壳体上的电压信号引出套管引出至信号处理装置的输入端；
所述信号处理装置包括控制器、AD转换器、报警器、电源和按键，电流互感器(7)、电压互感器(8)的信号输出端与AD转换器的信号输入端相连，AD转换器的输出端与控制器的输入端相连，控制器的输出端分别与显示器、报警器的输入端相连；
步骤二：在线监测
GCB正常运行，电流互感器实时采集电流Iax，电压互感器实时采集二次电压U1a1n，信号处理装置根据以下公式依次计算得到视在功率S、无功功率Q、***容抗Xc、冲击电容器电容值Cx：
S＝k1×U1a1n×Iax
Q＝S
Xc＝k1×U1a1n÷Iax
Cx＝1÷(2×π×f×Xc)
并将得到的数据进行数据存储并绘制Cx-t数据曲线；
信号处理装置将实时测量的冲击电容器电容值Cx与铭牌额定电容值Cn通过下述公式进行差值比较计算，得到电容量变化量△C：
△C＝(Cx-Cn)÷Cn×100％
通过以下判据对发电机出口断路器内冲击电容器绝缘情况进行判定：
a、电容量变化量△C介于[-5％,+10％]之内，判定当前为初始状态，冲击电容器主绝缘良好；
b、电容量变化量△C介于(-∞,-5％)之内，判定冲击电容器主绝缘已经发生故障，在显示器显示界面发出故障报警信号，同时报警器报警；
c、电容量变化量△C介于(+10％,+∞)之内，判定冲击电容器主绝缘已经劣化，在显示器显示界面发出劣化报警信号，同时报警器报警。
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