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1、(10)申请公布号 CN 103558446 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558446 A (21)申请号 201310596309.7 (22)申请日 2013.11.22 G01R 19/165(2006.01) G01R 31/00(2006.01) H02J 13/00(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 华北电力大学 （保定） 国网辽宁省电力有限公司电力科学 研究院 中国电力科学研究院 (72)发明人 王永强 詹宁宁 律方成 毕建刚 邓彦国 (74)专利代理机构 北京麟保德和知识产权。
2、代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11428 代理人 周恺丰 (54) 发明名称 一种过电压在线监测系统 (57) 摘要 本发明公开了电力系统过电压监测技术领域 中的一种过电压在线监测系统。该系统包括空心 线圈电流互感器、 信号调理电路和监测单元 ； 变 压器套管末屏引出线垂直穿过空心线圈电流互 感器中心， 空心线圈电流互感器与信号调理电路 相连， 信号调理电路与监测单元相连 ； 空心线圈 电流互感器用于感应变压器套管末屏引出线上流 过的电压信号， 并将感应的电压信号输出到信号 调理电路 ； 信号调理电路用于对感应的电压信号 进行处理获得波形信号， 并将所述波形信号输出 到监测单元 ； 监测单元。
3、用于对波形信号进行分析 并识别过电压类型。本发明可以获得不失真的一 次侧电压波形， 实现对过电压的类型的准确识别 ； 并且本发明不需要改动电站一次接线， 造价低且 可靠性高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103558446 A CN 103558446 A 1/1 页 2 1. 一种过电压在线监测系统， 通过感应变压器套管末屏引出线上的电压信号， 识别电 力系统中的过电压， 其特征是所述系统包括空心线圈电流互感器、 信号调理电。
4、路和监测单 元 ； 所述变压器套管末屏引出线垂直穿过空心线圈电流互感器中心 ； 所述空心线圈电流互感器与信号调理电路相连 ； 所述信号调理电路与监测单元相连 ； 所述空心线圈电流互感器用于感应变压器套管末屏引出线上流过的电压信号， 并将感 应的电压信号输出到信号调理电路 ； 所述信号调理电路用于对感应的电压信号进行处理获得波形信号， 并将所述波形信号 输出到监测单元 ； 所述监测单元用于对波形信号进行分析并识别过电压类型。 2. 根据权利要求 1 所述的系统， 其特征是所述信号调理电路包括保护电路、 积分电路、 绝对值电路、 放大电路和滤波电路 ； 其中， 所述保护电路和积分电路分别与空心线圈。
5、电流互感器相连 ； 所述积分电路、 绝对值电路、 放大电路、 滤波电路和监测单元顺序相连 ； 所述保护电路用于检测空心线圈电流互感器的短路故障， 并在检测到空心线圈电流互 感器发生短路故障时， 切断信号调理电路与空心线圈电流互感器的连接 ； 所述积分电路用于将感应的电压信号转换为电流信号并输出到绝对值电路 ； 所述绝对值电路用于对转换后的电流信号整流， 得到幅值大于零的电流波形信号并输 出到放大电路 ； 所述放大电路用于对电流波形信号的幅值进行比例放大并输出到滤波电路 ； 所述滤波电路用于滤除放大后的电流波形信号中的干扰信号并输出到监测单元。 权 利 要 求 书 CN 103558446 A 。
6、2 1/4 页 3 一种过电压在线监测系统 技术领域 0001 本发明属于电力系统过电压监测技术领域， 尤其涉及一种过电压在线监测系统。 背景技术 0002 随着中国电网电压等级的不断提高， 电网运行的安全性越来越受到重视。运行经 验表明， 电网中发生的各种事故大部分都是由系统的过电压引起的。当系统发生过电压事 故时， 如何正确分析事故具体原因， 成为一直以来困扰人们的难题。因此， 采用有效可靠的 过电压在线监测系统对电网进行过电压的在线监测显得十分必要。 通过过电压在线监测系 统， 了解事故发生前后过电压的情况和发生过程中其对电网电压的影响的准确资料， 为技 术人员分析事故原因提供可靠依据。。
7、 0003 目前， 现有的过电压在线监测系统就其信号获取原理来说有三种， 一是通过电站 本身的电压互感器 （简称 PT） 从二次侧提取的电压信号作为过电压数据， 进行过电压在线监 测 ； 二是通过直接装设在电站母线上的电容分压器对过电压信号进行在线监测 ； 三是通过 高压容性设备套管末屏与电容连接组成电容分压器获取电压信号。这三种方法均存在明 显缺陷 ： 对于第一种监测系统来说， 由于电压互感器在过电压的高频信号作用下呈现的饱 和特性 （非线性） 与频关效应， 二次侧提取的电压信号严重失真， 不能直接使用， 否则失真严 重， 且信号调理过程较为复杂， 一次侧波形的还原性准确度不高。 第二种和第。
8、三种监测系统 尽管可以真实再现一次系统的过电压， 但由于它采集信号所用的分压器与电网一次回路有 直接的电气连接， 因而现场改动大， 施工困难， 并且分压器本身的故障也会对电网运行的可 靠性产生不利的影响。 发明内容 0004 本发明的目的在于， 针对现有过电压在线监测系统存在的不足， 提供一种过电压 在线监测系统。 0005 为了实现上述目的， 本发明提出的技术方案是， 一种过电压在线监测系统， 通过感 应变压器套管末屏引出线上的电压信号， 识别电力系统中的过电压， 其特征是所述系统包 括空心线圈电流互感器、 信号调理电路和监测单元 ； 0006 所述变压器套管末屏引出线垂直穿过空心线圈电流互。
9、感器中心 ； 0007 所述空心线圈电流互感器与信号调理电路相连 ； 0008 所述信号调理电路与监测单元相连 ； 0009 所述空心线圈电流互感器用于感应变压器套管末屏引出线上流过的电压信号， 并 将感应的电压信号输出到信号调理电路 ； 0010 所述信号调理电路用于对感应的电压信号进行处理获得波形信号， 并将所述波形 信号输出到监测单元 ； 0011 所述监测单元用于对波形信号进行分析并识别过电压类型。 0012 所述信号调理电路包括保护电路、 积分电路、 绝对值电路、 放大电路和滤波电路 ； 说 明 书 CN 103558446 A 3 2/4 页 4 0013 其中， 所述保护电路和积。
10、分电路分别与空心线圈电流互感器相连 ； 0014 所述积分电路、 绝对值电路、 放大电路、 滤波电路和监测单元顺序相连 ； 0015 所述保护电路用于检测空心线圈电流互感器的短路故障， 并在检测到空心线圈电 流互感器发生短路故障时， 切断信号调理电路与空心线圈电流互感器的连接 ； 0016 所述积分电路用于将感应的电压信号转换为电流信号并输出到绝对值电路 ； 0017 所述绝对值电路用于对转换后的电流信号整流， 得到幅值大于零的电流波形信号 并输出到放大电路 ； 0018 所述放大电路用于对电流波形信号的幅值进行比例放大并输出到滤波电路 ； 0019 所述滤波电路用于滤除放大后的电流波形信号中。
11、的干扰信号并输出到监测单元。 0020 本发明可以获得不失真的一次侧电压波形， 从而实现对过电压的类型的准确识 别 ； 同时， 本发明提供的系统不需要改动电站一次接线， 造价低且可靠性高。 附图说明 0021 图 1 是本发明提供的过电压在线监测系统整体结构图 ； 0022 图 2 是空心线圈电流互感器安装示意图 ； 0023 图3是变压器套管的绝缘等效电路图 ； 其中(a)是变压器套管的绝缘等效回路图， (b) 是变压器套管的绝缘等效电路中的电压电流向量图 ； 0024 图 4 是空心线圈电流互感器产生感应电压原理图 ； 0025 图 5 是接入信号电阻的空心线圈电流互感器形成的等效积分电路。
12、图 ； 0026 图 6 是信号调理电路结构图 ； 0027 图 7 是过电压分析识别过程示意图。 具体实施方式 0028 下面结合附图， 对优选实施例作详细说明。 应该强调的是， 下述说明仅仅是示例性 的， 而不是为了限制本发明的范围及其应用。 0029 图1是本发明提供的过电压在线监测系统整体结构图。 如图1所示， 本发明提供的 过电压在线监测系统包括空心线圈电流互感器、 信号调理电路和监测单元。变压器套管末 屏引出线垂直穿过空心线圈电流互感器中心， 空心线圈电流互感器与信号调理电路相连， 信号调理电路与监测单元相连。图 2 是空心线圈电流互感器安装示意图， 从图 2 可以看出， 由于空心。
13、线圈电流互感器和变压器套管末屏引出线之间不存在电气连接， 因此本发明提供 的系统安装方便， 不需要改动电站一次接线， 且可靠性高。 0030 本发明提供的过电压在线监测系统通过感应变压器套管末屏引出线上的电压信 号， 识别电网中的过电压。 其中， 空心线圈电流互感器用于感应变压器套管末屏引出线上流 过的电压信号， 并将感应的电压信号输出到信号调理电路。信号调理电路用于对感应的电 压信号进行处理获得波形信号， 并将所述波形信号输出到监测单元。监测单元用于对波形 信号进行分析， 识别过电压类型。 0031 过电压产生的原理是， 套管用于把电流引入或引出变压器、 断路器、 电容器或其他 电器设备的金。
14、属外壳 , 也用于导体或母线穿过建筑物或墙壁 ( 如电站用套管 )。电容式套 管是目前高压、 超高压系统中最常用的形式。电容式套管的绝缘采取内绝缘与外绝缘相结 说 明 书 CN 103558446 A 4 3/4 页 5 合的结构 , 电容套管的导杆常采用铜杆或铜管。通常的油纸电容式套管的电容芯子以电缆 纸浸以矿物油为绝缘 , 在导杆上包以多层绝缘 , 在层间按设计所要求的位置上夹有铝箔。 在交流电压作用下变压器套管的绝缘等效电路如图3所示。 图3中， (a)是变压器套管的绝 缘等效回路图， (b) 是变压器套管的绝缘等效电路中的电压电流向量图。图中， C 和 R 分别 为等效电路的并联电容和。
15、并联电阻， 流过介质的电流 I 由阻性分量 IR和容性分量 IC组成。 为介质损耗角。 电力设备预防性试验规程 规定运行中的 110kV 500kV 容性设备的 介质损耗角的正切值tan不超过0.8%-1.0%。 在过电压作用下， 等效电路中绝缘电阻R很 大， 流经等效电路的容性电流IC大大增加， 有IC远大于IR， 此时电容型设备可以近似等效为 一纯电容。 因此， 在过电压通过母线进入套管绝缘等效电容， 在套管末屏接地线上会产生瞬 时过电流。这个瞬时过电流就是本发明所采集使用的过电压信号。 0032 图 4 是空心线圈电流互感器产生感应电压原理图， 其圆心的黑色圆圈代表变压器 套管末屏引出线。
16、。如图 4 所示， 空心线圈电流互感器感应变压器套管末屏引出线上流过的 电压信号的原理是， 空心线圈电流互感器测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路 定律。当被测电流沿轴线通过线圈时 , 在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场。 变化的磁场会在线圈两端上产生感应电压 E。如果在环形线圈两端接一个小阻值的信号电 阻， 由线圈自感和信号电阻， 形成积分电路， 如图 5 所示， 则在信号电阻上就可得到与被测 电流成正比的电压， 这就是内积分型的空心线圈。其中， 积分电路的电压电流方程为 ： 0033 0034 公式 （1） 中， M 为线圈互感， i1为一次侧输入电流， U1为一次侧输入电压。
17、， i2为二 次侧输出电流， 即空心线圈输出电流， U2为二次侧输出电压， L 为线圈互感， R 为线圈内阻， RL为采样电阻， C0为杂散电容。基于该方程， 系统的传递函数为 ： 0035 0036 图6是信号调理电路结构图， 如图6所示， 信号调理电路包括保护电路、 积分电路、 绝对值电路、 放大电路和滤波电路。 其中， 保护电路和积分电路分别与空心线圈电流互感器 相连， 积分电路、 绝对值电路、 放大电路、 滤波电路和监测单元顺序相连。 0037 保护电路的输入信号为空心线圈的感应电压， 用于传感器二次侧短路故障的检测 和保护， 即检测空心线圈电流互感器的短路故障， 并在检测到空心线圈电。
18、流互感器发生短 路故障时， 切断信号调理电路与空心线圈电流互感器的连接。保护电路可以限制后续电路 的短路和过载电流以及过电压对后续电路的侵扰。 0038 积分电路输入信号为空心线圈二次侧的电流， 对二次侧电流进行积分即可得到一 次侧的原始信号波形。将感应的电压信号转换为电流信号后， 输出到绝对值电路。 0039 绝对值电路又称为整流电路， 其用于对转换后的电流信号整流， 得到幅值大于零 的电流波形信号并输出到放大电路。 0040 放大电路用于对电流波形信号的幅值进行比例放大并输出到滤波电路。 说 明 书 CN 103558446 A 5 4/4 页 6 0041 滤波电路用于滤除放大后的电流波。
19、形信号中的干扰信号并输出到监测单元。 0042 图 7 是过电压分析识别过程示意图。如图 7 所示， 在监测单元获得波形信号后， 首先判断电压信号是否达到过电压标准值， 一旦超过即开始采集数据， 并将数据向后传递。 后续分析程序根据获得的电压波形的各种参数 ( 如频率、 幅值与波形陡度等 )， 形成特征向 量， 将该特征向量与数据库中已存储的各种类型过电压的特征进行比较， 并结合现场实际 情况， 判别过电压的类型， 给出相应的过电压防护建议。 0043 本发明采用空心线圈电流互感器在变压器套管末屏引出线上对末屏电流进行采 样， 经信号调理电路处理获得不失真的一次侧电压波形并通过后台分析软件对过。
20、电压的类 型进行判断。系统中所有装置均不需要改动电站一次接线， 造价低， 可靠性高。空心线圈电 流传感器的测量由于无磁饱和， 输出的一次侧波形无畸变。再通过信号调理保护电路将空 心线圈电流传感器的输出信号精度再次提高后传输到监测单元， 保护电路可以限制后续电 路的短路和过载电流以及过电压对后续高速数据采集卡的侵扰。 监测单元中高速数据采集 卡可以采集高频过电压信号。本发明不仅能够实时监测电网中的过电压波形， 并通过后台 分析软件对过电压波形的分析， 为电力系统的设备事故原因分析提供可靠数据并提供相应 可靠的防护建议， 而且其硬件结构简单， 造价低， 工作可靠性高。 0044 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。 说 明 书 CN 103558446 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558446 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103558446 A 8 3/3 页 9 图 7 说 明 书 附 图 CN 103558446 A 9 。