基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。针对于现有瓦斯继电器常误动、输出特征信息单一、气液两相信息挖掘不足等问题，提出一种高灵敏度的区间电容式传感器及其气液两相多特征的测量方法，具有电容差式测量与周期特征辨识的功能，以克服实际中变压器振动扰动、大电流下油流涌动等干扰问题，可充分、可靠地挖掘出变压器在运行过程中油流速率、游离气体速率及产气量等信息。并且，依托这类信息特征与变压器运行工况、内部故障类型之间的强关联关系，本方法可为变压器在线监测、新型的变压器非电量保护的实现提供实时参考数据。根据现有应用结果，验证了该方法的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法
本专利技术属于电力设备在线监测及智能诊断领域，涉及一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。
技术介绍
油浸式电力变压器和电抗器是目前电力系统中关键性电力设备，分别起着电能传输、异常短路电流抑制的作用。当变压器内发生匝间短路或内部绝缘电弧的故障时，将出现油流、游离气体产出等现象，现有的气体继电器保护基于产气增多及油流过快的现象提出了轻瓦斯、重瓦斯保护，作为电力设备的非电量保护其已与变压器的差动保护配合构成了重要的主动保护系统。然而，近年来电力企业经常发生由于变压器本体瓦斯保护误动而引起变压器跳闸故障，造成电网运行可靠性和电力用户供电可靠性降低，其主要是由于外部地震、变压器自身振动、绕组瞬时变形引起的油流涌动等干扰造成了瓦斯保护误动，目前的处理方法是一旦瓦斯继电器动作，将彻底查清动作原因，当电力变压器本体无故障后方可继续投运，以避免瓦斯保护的误动造成干扰，但是该方法却极大地增加了现场工作，未起到主动保护的效果。而对于油浸式电力变压器中重瓦斯保护主要利用变压器本体内部的绝缘油受气体膨胀压力下向油枕进行流动现象，在油流的作用下挡板承受压力超过设定压力值时，将触发重瓦斯保护；而轻瓦斯主要利用轻微故障下变压器内部持续气体累积作用，但达到设定积累值时触发轻瓦斯保护动作，即两种保护主要运用阈值油速、阈值气体体积量特征，无法掌握整个过程中其他气液两相流特征。因此，在一定程度上，并未充分地挖掘油流中所包含的变压器工况信息，其中包括了全过程的油速变化率、气体流速、游离气体产生速率等参量，限制了其在变压器运行工况上辨识准确性及可靠性，需要一种新的方法更可靠地挖掘出油流两相体多特征量。为了获取气液两相流特征，目前较为成熟的方法包括了孔板法、转子流量法、靶式流量法、超声法、光学测量法以及电磁测量法，不同方法具有不同的特点及高适应性的应用环境，同时相互间也存在着一定局限性。针对变压器气液两相流气体多特征测量，需要解决多特征同步测量、扰动误测、运行环境恶劣、监测不可靠等问题，现有方法及技术无法充分地解决所有问题，需要提出一种新的检测方式以实现多参量、抗扰动、高可靠的实时性监测方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于针对于现有气液两相流特征测量装置及方法的不足，提出了一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。基于区间电容值的变化，构建出区间化差异特征、整体变化特征等以实时地获取变压器内部气液两相流中油流流速、气体流速、游离气体产气速率及外部振动等特征量，充分利用了电容式传感的高可靠性特点，并运用对称布置、互差算法及工况识别算法识别出外部扰动，依托于所设计的智能信息设备完成数据处理、远程通信等功能，以实现抗扰动、高可靠、多参量的实时性监测工程目标。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一方面，本专利技术提供一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，包括区间电容极板及流体管道结构；所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上。进一步，还包括信号采集及处理系统，具体包括输入电压源、高分辨率A/D变换器与高速信号读取模块、电流-电压转换模块、信号滤波模块、信号时频转化模块，所述输入电压源连接曲面极板，并通过电压转换电路将实际电压幅值转换至信号采集模块有效区间内；所述A/D变换器与高速信号读取模块实现电压信号的采集、存储；所述电流-电压转换模块实现电流信号的转换，再通过多通道高分辨率A/D变换器及高速信号读取模块实现多通道电流信号的同步采集、存储；所述信号滤波模块包括有源滤波电路、数字滤波电路，实现原始信号的滤波处理，减少干扰信号的影响；所述信号时频转化模块利用FFT算法实现信号的时频变换，以获取不同参量的频率特征。进一步，还包括数据分析及存储系统，具体包括数据分析硬件模块、存储模块，所述数据分析硬件模块具备FPU的高频可编程处理器核心，通过多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法，挖掘出各模块电容变化、参量波动特征、运行工况信息，对电力设备气液两相流体中油流流速、气体流速、气体含量、游离气体的产生速率进行辨识，并实现变压器基本工况的识别。进一步，还包括装置自身测控系统，具体包括高温报警系统、电源异常报警系统、人机通信调控系统；所述高温报警系统利用数字式分布式温度传感器对装置内部多点温度进行测量，并利用高速IIC选通芯片实现多点温度信息的传输、采集，基于内部温度预警方法实现异常温度的判定，并控制高温异常的预警电路实现温度异常状态的表征；所述电源异常报警系统利用实时电压采集电路采集端口信号电压，并输入至比较电路中与设定的阈值电压进行比较，当输出电压低于阈值电压时，将触发电压异常报警电路；所述人机通信调控系统完成对相应功能的选择、设备调试和显示。进一步，还包括通信系统及电源系统，所述通信系统包括标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制；所述电源系统包括外部电源供应系统、不间断电源系统、稳压系统、数模隔离系统，通过整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，搭建电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；通过较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性。进一步，所述曲形极板与V形极板构成模块化电容，其电容大小表示为：Ceq＝εeqKeq(1)Keq＝K0-K1(|ΔL|)/L(3)其中，Ceq为V形电容的等效电容值，V1为气体体积，V2为油流体积，Vs为电容内部总体积，εeq为等效介电常数，ε1为气体介电常数，ε2为绝缘油介电常数，Keq为等效电容形状参量，K0为无位移下基准电容形状参量，ΔL为电容的整体位移量，L为V形电容整体极板长度；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：包括区间电容极板及流体管道结构；/n所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；/n在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：包括区间电容极板及流体管道结构；
所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；
在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上。


2.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括信号采集及处理系统，具体包括输入电压源、高分辨率A/D变换器与高速信号读取模块、电流-电压转换模块、信号滤波模块、信号时频转化模块，
所述输入电压源连接曲面极板，并通过电压转换电路将实际电压幅值转换至信号采集模块有效区间内；
所述A/D变换器与高速信号读取模块实现电压信号的采集、存储；
所述电流-电压转换模块实现电流信号的转换，再通过多通道高分辨率A/D变换器及高速信号读取模块实现多通道电流信号的同步采集、存储；
所述信号滤波模块包括有源滤波电路、数字滤波电路，实现原始信号的滤波处理，减少干扰信号的影响；
所述信号时频转化模块利用FFT算法实现信号的时频变换，以获取不同参量的频率特征。


3.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括数据分析及存储系统，具体包括数据分析硬件模块、存储模块，所述数据分析硬件模块具备FPU的高频可编程处理器核心，通过多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法，挖掘出各模块电容变化、参量波动特征、运行工况信息，对电力设备气液两相流体中油流流速、气体流速、气体含量、游离气体的产生速率进行辨识，并实现变压器基本工况的识别。


4.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括装置自身测控系统，具体包括高温报警系统、电源异常报警系统、人机通信调控系统；
所述高温报警系统利用数字式分布式温度传感器对装置内部多点温度进行测量，并利用高速IIC选通芯片实现多点温度信息的传输、采集，基于内部温度预警方法实现异常温度的判定，并控制高温异常的预警电路实现温度异常状态的表征；
所述电源异常报警系统利用实时电压采集电路采集端口信号电压，并输入至比较电路中与设定的阈值电压进行比较，当输出电压低于阈值电压时，将触发电压异常报警电路；
所述人机通信调控系统完成对相应功能的选择、设备调试和显示。


5.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括通信系统及电源系统，所述通信系统包括标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制；
所述电源系统包括外部电源供应系统、不间断电源系统、稳压系统、数模隔离系统，通过整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，搭建电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；通过较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性。


6.根据权利要求5所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：所述曲形极板与V形极板构成模块化电容，其电容大小表示为：
Ceq＝εeqKeq(1)



Keq＝K0-K1(|ΔL|)/L(3)
其中，Ceq为V形电容的等效电容值，V1为气体体积，V2为油流体积，Vs为电容内部总体积，εeq为等效介电常数，ε1为气体介电常数，ε2为绝缘油介电常数，Keq为等效电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：周湶，欧阳希，陈伟根，廖瑞金，李剑，罗振辉，王有元，杜林，熊小伏，王建，黄正勇，王飞鹏，万福，谭亚雄，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50