《一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103558467 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558467 A (21)申请号 201310520954.0 (22)申请日 2013.10.29 G01R 31/00(2006.01) (71)申请人 中国南方电网有限责任公司超高压 输电公司 地址 510620 广东省广州市天河路 116 号 申请人 清华大学 (72)发明人 赵建宁 钱海 王奇 常安 邓军 胡军 欧阳勇 何金良 王善祥 (74)专利代理机构 广州科粤专利商标代理有限 公司 44001 代理人 黄培智 (54) 发明名称 一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线 监测装。
2、置 (57) 摘要 本发明公开了一种基于各向异性磁阻电桥的 容性设备在线监测装置， 其包括监测电路， 监测电 路的输入端标记为 A 端， 其两个输出端分别标记 为 B 端和 C 端， 其接地端标记为 D 端， 监测电路包 括第一电阻、 第二电阻、 第三电阻、 第四电阻、 第五 电阻和第六电阻， 其中， A 端与容性设备的输出端 相连， 第一电阻和第三电阻串接后连接于A端和C 端之间， 第六电阻连接于 A 端和 B 端之间， 第五电 阻连接于C端和D端之间， 第二电阻和第四电阻串 接后连接于B端和D端之间， 第一电阻和第二电阻 为电阻相同的固定电阻， 第三电阻和第四电阻为 零场电阻率相等的第一异。
3、性磁电阻， 第五电阻和 第六电阻为零场电阻率相等的第二异性磁电阻。 本发明能够真正实现同步实时测量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 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6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103558467 A CN 103558467 A 1/1 页 2 1. 一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其特征在于， 其包括监测电 路 （1） 和容性设备 （2） ， 所述监测电路 （1） 的输入端标记为 A 端， 其两个输出端分别标记为 B 端和 C 端， 其接地端标记为 D。
4、 端， 所述监测电路 （1） 包括第一电阻 （111） 、 第二电阻 （112） 、 第三电阻 （121） 、 第四电阻 （122） 、 第五电阻 （131） 和第六电阻 （132） ， 其中， 所述 A 端与容性 设备 （2） 的输出端相连， 第一电阻 （112） 和第三电阻 （121） 串接后连接于 A 端和 C 端之间， 第六电阻 （132） 连接于 A 端和 B 端之间， 第五电阻 （131） 连接于 C 端和 D 端之间， 第二电阻 （112） 和第四电阻 （122） 串接后连接于 B 端和 D 端之间， 所述第一电阻 （111） 和第二电阻 （112） 为电阻相同的固定电阻 （11。
5、） ， 所述第三电阻 （121） 和第四电阻 （122） 为零场电阻率相 等的第一异性磁电阻 （12） ， 所述第五电阻 （131） 和第六电阻 （132） 为零场电阻率相等的第 二异性磁电阻 （13） 。 2. 根据权利要求 1 所述的基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其特征在 于， 所述容性设备 （2） 等效为相并联的等值电容 （21） 和等值电阻 （22） ， 并联后的一端与A端 连接， 另一端与接地线 （23） 连接。 3. 根据权利要求 2 所述的基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其特征在 于， 所述监测电路 （1） 采用 MEMS 工艺集成于一芯片上。 4.。
6、 根据权利要求 2 或 3 所述的基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其特 征在于， 所述监测电路 （1） 紧贴于接地线 （23） 上。 5. 根据权利要求 1 所述的基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其特征在 于， 所述第一异性磁电阻 （13） 和第二异性磁电阻 （14） 的零场电阻率均相等， 且二者的灵敏 度系数的绝对值相同， 其中， 第一异性磁电阻 （13） 的灵敏度系数为正， 所述第二异性磁电阻 （14） 的灵敏度系数为负。 权 利 要 求 书 CN 103558467 A 2 1/6 页 3 一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置 技术领域 0001 本。
7、发明涉及电力系统量测和在线监测技术领域， 具体涉及一种基于各向异性磁阻 电桥的容性设备在线监测装置， 尤其是一种采用各向异性磁阻效应 （AMR） 磁电阻为传感元 件的实时在线监测传感器。 背景技术 0002 容性设备是指绝缘结构采用电容的电气设备， 电流系统中的变压器套管、 电流互 感器、 电容式电压互感器、 耦合电容器等， 均属于该类， 数量占到变电站电气设备的 40% 50%。 高压容性设备在长期的运行中， 由于污秽、 化学腐蚀、 电腐蚀、 发热、 机械应力等因素的 影响， 绝缘性能逐渐下降， 可能导致严重缺陷。若未及时发现并采取措施， 潜在缺陷进一步 发展， 可能引发绝缘击穿， 造成设备。
8、损坏， 进而影响变电站的运行， 甚至造成大面积停电事 故， 给电力系统和社会生产生活造成巨大经济损失。 0003 正常工作条件下， 容性设备的容性电流、 阻性电流和介质损耗正切表征了设备的 性能状态， 当容性设备的阻性电流和介质损耗正切偏大时， 表明该设备的绝缘性能下降， 因 此对容性设备的状态如 ： 设备电压、 设备电流、 容性电流、 阻性电流、 介质损耗正切、 等值电 阻、 等值电容， 进行实时在线监测， 可提前发现容性设备的绝缘缺陷， 提供预警， 并及时更换 老化后的容性设备， 对电力系统的安全运行具有重大意义。 0004 一般的容性设备在线监测系统主要是通过电压传感器和电流传感器分别测。
9、出容 性设备的电压、 电流， 通过 FFT 分析计算电压幅值、 电流幅值及两者相位差， 再推算出容性 设备的阻性电流、 容性电流和介质损耗正切等信息。 由于设备的阻性电流非常小， 正常情况 下介质损耗很小， 即电压电流相位差接近0。 而一般的容性设备在线监测系统由于电压和电 路信号是分别采集， 因此对两者采集的同步要求非常高， 很小的时间上的误差即可能造成 阻性电流、 容性电流和介质损耗正切的误差很大， 容易造成误判， 给正常变电站的运行造成 麻烦。 0005 因 此 针 对 上 诉 目 前 技 术 的 缺 点， 本 发 明 是 在 国 家 863 计 划 项 目 基 金 (2012AA050。
10、209) 资助下， 提出了一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测方法及装 置。 发明内容 0006 针对上述不足， 本发明提供一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装 置， 其能实时监测容性设备的电压、 电流、 阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质 损耗正切。通过将电压和电流的测量信号集成到一个传感器的输出信号中， 在减少采集通 道的同时， 真正实现同步实时测量， 避免因电压、 电流采集时间上的不同步而导致误差， 能 显著提高测量精度， 实现变电站容性设备的高精度的实时在线监测和故障预警。 0007 为实现以上目的， 本发明采取的技术方案是 ： 0008 一种基于各向异性。
11、磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其包括监测电路和容性设 说 明 书 CN 103558467 A 3 2/6 页 4 备， 所述监测电路的输入端标记为 A 端， 其两个输出端分别标记为 B 端和 C 端， 其接地端标 记为 D 端， 所述监测电路包括第一电阻、 第二电阻、 第三电阻、 第四电阻、 第五电阻和第六电 阻， 其中， 所述 A 端与容性设备的输出端相连， 第一电阻和第三电阻串接后连接于 A 端和 C 端之间， 第六电阻连接于 A 端和 B 端之间， 第五电阻连接于 C 端和 D 端之间， 第二电阻和第 四电阻串接后连接于B端和D端之间， 所述第一电阻和第二电阻为电阻相同的固定电阻，。
12、 所 述第三电阻和第四电阻为零场电阻率相等的第一异性磁电阻， 所述第五电阻和第六电阻为 零场电阻率相等的第二异性磁电阻。 0009 所述容性设备等效为相并联的等值电容和等值电阻， 并联后的一端与 A 端连接， 另一端与接地线连接。 0010 所述监测电路采用 MEMS 工艺集成于一芯片上。 0011 所述监测电路紧贴于接地线上。 0012 所述第一异性磁电阻和第二异性磁电阻的零场电阻率均相等， 且二者的灵敏度系 数的绝对值相同， 其中， 第一异性磁电阻的灵敏度系数为正， 所述第二异性磁电阻的灵敏度 系数为负。 0013 监测电路通过 MEMS 工艺集成在一片很小的芯片上， 同时可以紧贴在被测容。
13、性设 备的地线上， 体积非常小。监测电路的电压输出端通过后端的采集设备采集， 并进行分析， 从而计算出容性设备的阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质损耗正切， 同时将 信号远传到变电站在线监测中心， 为变电站提供实时的设备状态信息及故障预警。 0014 下面公式推导容性设备的阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质损耗正 切的计算方法。 0015 令容性设备的输出电压 u=Usint， 则容性设备的电流 i 为 ： 0016 0017 而监测电路的输出电压 uout（B、 C 两端之间的电压） 为 ： 0018 0019 其中 u 为 A 端电压值， i 为接地线上的电。
14、流， kG为第一异性磁电阻和第二异性磁电 阻的灵敏度系数的绝对值， R1为固定电阻的阻值， R2第一异性磁电阻和第二异性磁电阻的 零电场电阻率， U 为容性设备的电压， RDUT为容性设备等值电阻的阻值， CDUT为容性设备等值 电容的容值。 0020 从式 （2） 可知监测电路的输出电压包含三个频率分量 ： 直流分量、 基频分量和 2 倍 频分量。 说 明 书 CN 103558467 A 4 3/6 页 5 0021 通过对监测电路的输出电压进行信号频谱分析， 提取出信号的直流分量 （令为 A0） 、 基频分量 （A1） 、 2 倍频分量 （A2） 以及基频分量和 2 倍频分量的相位差 。。
15、根据上述量 即可反推出计算出容性设备的电压、 电流、 阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质 损耗正切， 计算方法如下 ： 0022 容性设备的电压 U 为 ： 0023 0024 容性设备的电流 I 为 ： 0025 0026 容性设备的等值电阻 RDUT为 ： 0027 0028 容性设备的等值电容 CDUT为 ： 0029 0030 容性设备的阻性电流 IR为 ： 0031 0032 容性设备的容性电流 IC为 ： 0033 IC=CDUTU （8） 0034 容性设备的介质损耗正切 tan 为 ： 0035 tan=tan （9） 0036 本发明与现有技术相比， 具有如下。
16、优点 ： 本发明通过将容性设备电压信号输入到 监测电路的电压输入端， 同时将监测电路紧贴到容性设备的地线上， 通过感应容性设备流 过地线电流产生的磁场， 从而可以反推出电流大小。 监测电路通过天然的乘法关系， 将被测 容性设备的电压和电流整合入同一信号中。通过采集装置对该信号进行采集分析， 即可推 算出设备的电压、 电流、 阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质损耗正切， 在减少 采集通道的同时， 真正实现同步实时测量， 避免因电压、 电流采集时间上的不同步而导致误 差， 能显著提高测量精度， 实现变电站容性设备的高精度的实时在线监测和故障预警。 附图说明 0037 图 1 为本发。
17、明基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置的电气原理图 ； 0038 图 2 为监测电路的等效电路原理图。 0039 其中 ： 1、 监测电路 ； 11、 固定电阻 ； 111、 电阻 ； 112、 电阻 ； 12、 异性磁电阻 ； 121、 电 阻 ； 122、 电阻 ； 13、 异性磁电阻 ； 131、 电阻 ； 132、 电阻 ； 2、 容性设备 ； 21、 等值电容 ； 22、 等值 说 明 书 CN 103558467 A 5 4/6 页 6 电阻 ； 23、 接地线。 具体实施方式 0040 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 0041 实施例 0042 。
18、请参照图 1 所示， 一种基于各向异性磁阻电桥的容性设备在线监测装置， 其包括 监测电路 1 和容性设备 2， 监测电路 1 的输入端标记为 A 端， 其两个输出端分别标记为 B 端 和 C 端， 其接地端标记为 D 端， 监测电路 1 中包括电阻 111、 电阻 112、 电阻 121、 电阻 122、 电 阻 131 和电阻 132， 其中， A 端与容性设备 2 的输出端相连， 电阻 111 和电阻 121 串联后连接 于 A 端和 C 端之间， 电阻 132 连接于 A 端和 B 端之间， 电阻 131 连接于 C 端和 D 端之间， 电 阻 112 和电阻 122 串联后连接于 B 。
19、端和 D 端之间。为了保持电桥的平衡， 电阻 111 和电阻 112 的阻值相同， 电阻 121 和电阻 122 的阻值相同， 电阻 131 和电阻 132 的阻值相同。电阻 111 和电阻 112 合称为固定电阻 11， 电阻 121、 电阻 122、 电阻 131 和电阻 132 均采用异性磁 电阻结构， 为了便于计算， 本发明中， 四者采用相等的零场电阻率且四者的灵敏度系数的绝 对值相等， 同时电阻 121 和电阻 122 的灵敏度系数为正， 合称为异性磁电阻 12， 电阻 131 和 电阻 132 的灵敏度系数为负， 合称为异性磁电阻 13。当然， 只要保证异性磁电阻 12 中的两 个。
20、电阻的参数相同， 异性磁电阻 13 中的两个电阻的参数相同的情况下， 也是可以计算的。 0043 为了通过该监测电路 1 实时对容性设备进行监测， 在本发明较佳的实施例中， 监 测电路 1 的六个电阻采用 MEMS 工艺集成于一很小的芯片上， 同时， 该监测电路 1 并紧贴于 容性设备 2 的接地线 23（或者容性设备 2 的输出端与监测电路 1 的输入端的连接线） 上， 使其体积非常小。监测电路 1 通过感应容性设备 2 流过接地线 23 的电流产生的磁场， 从而 可以反推出接地线 23 上的电流大小。 0044 容性设备 2 的种类有很多， 但一般均可等效为相并联的等值电容 21 和等值电。
21、阻 22， 并联后的其一端作为输出端与监测电路 1 的输入端相连 （连接点即为 A 端） ， 其另一端与 接地线 23 相连。 0045 请参照图 2 所示， 其是该监测电路 1 的等效电路， 其中， 电阻 111 和电阻 112 等效 为电阻 R11和电阻 R12， 其阻值均为 R1； 电阻 121 和电阻 122 等效为电阻 R13和电阻 R14， 其阻 值均为 R2， 其灵敏度系数均为 +kG， 因此二者贴于接地线 23 上时的电阻值为 R2+kGi（其中 i 为接地线上的电流） ； 电阻 131 和电阻 132 等效为电阻 R15和电阻 R16， 其阻值均为 R2， 其灵敏 度系数均为。
22、 -kG， 因此二者贴于接地线 23 上时的电阻值为 R2-kGi。 0046 监测电路的电压输出端通过后端的采集设备进行采集并分析， 从而计算出容性设 备 2 的电压、 电流、 阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质损耗正切， 同时将信号 远传到变电站在线监测中心， 为变电站提供实时的设备状态信息及故障预警。 0047 下面通过公式推导容性设备 2 的各项参数的计算方法。 0048 令容性设备的输出电压 u=Usint， 则容性设备的电流 i 为 ： 0049 0050 而监测电路的输出电压 uout（B、 C 两端之间的电压） 为 ： 0051 说 明 书 CN 1035584。
23、67 A 6 5/6 页 7 0052 其中 u 为 A 端电压值， U 为容性设备的电压， RDUT为容性设备等值电阻的阻值， CDUT 为容性设备等值电容的容值。 0053 从式 （2） 可知监测电路的输出电压包含三个频率分量 ： 直流分量、 基频分量和 2 倍 频分量。 0054 通过对监测电路的输出电压进行信号频谱分析， 提取出信号的直流分量 （令为 A0） 、 基频分量 （A1） 、 2 倍频分量 （A2） 以及基频分量和 2 倍频分量的相位差 。根据上述量 即可反推出计算出容性设备的电压、 电流、 阻性电流、 容性电流、 等值电阻、 等值电容及介质 损耗正切， 计算方法如下 ： 0。
24、055 容性设备的电压 U 为 ： 0056 0057 容性设备的电流 I 为 ： 0058 0059 容性设备的等值电阻 RDUT为 ： 0060 0061 容性设备的等值电容 CDUT为 ： 0062 0063 容性设备的阻性电流 IR为 ： 0064 0065 容性设备的容性电流 IC为 ： 0066 IC=CDUTU （17） 0067 容性设备的介质损耗正切 tan 为 ： 0068 tan=tan （18） 说 明 书 CN 103558467 A 7 6/6 页 8 0069 由于所述监测电路的输出信号含有冗余的信息， 上述计算方法只是其中一种比较 便捷的方法， 但不仅限于上述计算方法， 通过多种算法比较， 可以提高测量的准确度。 0070 上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明， 该实施例并非用以限制本发 明的保护范围， 凡未脱离本发明所为的等效实施或变更， 均应包含于本案的保护范围中。 说 明 书 CN 103558467 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103558467 A 9 2/2 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103558467 A 10 。