技术领域
[0001] 本
发明涉及用于测量绝缘体的损耗因数的仪器和方法。
[0002] 更具体地，本发明涉及用于测量中等
电压或高电压的绝缘体(也称套筒(bushing))的损耗因数的仪器和方法，该绝缘体配有抽头适配器，该抽头适配器形成用于拾取电
信号的点。
[0003] 更具体地，本发明涉及用于测量中等电压或高电压
变压器的绝缘体的损耗因数的仪器和方法，也就是说，该绝缘体被设计成使从变压器引出的导体相对于变压器自身的壳体(或在三相器件的情形下相对于其它导体)绝缘。
[0004] 损耗因数——也已知为损耗
角或tanΔ——是实际电容器(或真实绝缘系统)的电气行为相对于完美系统的电气行为的背离的测量值。
[0005] 实际上，流过被施加交流电压(可通过矢量在一平面内表示)的完美电容器的
电流相对于该电压是
正交的，也就是说，它对应于与电压矢量位移90°的矢量。
[0006] 另一方面，在真实电容器中包括不完美的介电材料(其电导性因此不为零)，电压和电流以小于90°的角度位移，并且在90°和真实位移角之间的差就是被表示为Δ的角度。
[0007] 损耗因数(或tanΔ或功率因数或损耗角)是角Δ的正切。
[0008] 总地来说，抽头适配器包括位于绝缘体内的
端子，用以提供指示流过绝缘体的涡(或
泄漏或损耗)电流的信号；常见地，抽头适配器(也称电容性抽头)例如在同轴
电缆中具有受屏蔽的输出。
背景技术
[0009] 对于通过测量与损耗因数关联的量来监测三相高电压变压器，
现有技术中已知有若干种方案，这些方案将在下面予以简单描述。
[0010] 文献US4914382描述一种
传感器，该传感器在抽头适配器和地面之间具有
电阻器(通过测量变压器耦合至捕获仪器)。
[0011] 这种方案仅允许测量与流过绝缘部的电流相关的信号，而指示施加于绝缘部的电压的量则无法被测量。
[0012] 除了这个限制外，该技术方案具有与电感耦合(即测量变压器)存在相联系的一些
缺陷，包括引入不想要的位移的
风险，由于所使用的附加阻抗器件而降低测量
精度，以及使传感器的检测带宽变窄。
[0013] 文献US6927562描述了一种传感器，该传感器包括跨抽头适配器和地面连接的基准电容器。由此，电压测量发生在与抽头适配器连接的电容器
电极上，用以检测指示被施加于基准电容器的电压的信号。
[0014] 然而，这种方案同样无法避免这样的缺陷，即仅允许测量与沿绝缘部的电压相关的信号，而不允许检测指示绝缘部中行进的电流的任何信号。
[0015] 文献US4757263描述一种传感器，该传感器配有电容
分压器，用以检测指示被施加于基准电容器的电压的信号。此外，文献US4757263中的器件被配置成与基准源作出比较。
[0016] 然而，这种器件的缺点在于，它不允许检测指示流过绝缘部的电流的任何信号。
[0017] 应当注意，通常在用于检测与中等电压或高电压绝缘体中的tanΔ关联的信号的器件的领域内，也感觉到有必要使带宽最大化以检测既有益于估算tanΔ(在这种情形下需要检测低频下的分量)又有益于检测与出现在绝缘部中的局部放电(如果有的话)相关的电流脉冲(在这种情形下需要检测高频下的分量)的信号。
[0018] 实际上，已知估算损耗因数和分析局部放电是两种不同的、并在某些方面互补的用于诊断绝缘系统的技术，并且在许多情形下，需要组合地使用这两种技术。
[0019] 有鉴于此，应当注意
专利文献US6433557描述一种
电路，该电路用于拾取来自抽头适配器的信号并包括跨抽头适配器和地面连接的基准电容器以及耦合至通过该基准电容器形成的电路引脚的电感耦合(即信号变压器)。
[0020] 该系统被设计成同时测量指示施加于绝缘体的电压(仅具有低频分量)以及指示高频电流脉冲的信号。
[0021] 然而，这种方案的缺点在于，它不允许检测指示绝缘部中流过并具有用于tanΔ的低频分量的电流的信号。
[0022] 该电路还具有下列缺点，即需要存在信号变压器(即存在电感耦合)、导致位移问题、使用附加
电阻器件以及带宽限制(这与前面结合文献US4914382描述的情况相似)。
[0023] 更具体地说，应当注意前面提到的器件具有下列局限性。
[0024] 借助这些器件不可能直接检测足以直接推导出(即通过计算估计)tanΔ的一组数据。实际上应当注意，为了执行真实的伏安测量，需要测量被施加于绝缘部的高电压，但由于一旦采用所涉及的高电压电平(到使用抽头适配器的程度)将带来的额外风险和缺陷，这种测量无法执行。
[0025] 有鉴于此，所有现有技术系统无法基于在给定时间点测得的值提供用于估算tanΔ的足够数据；因此前面提到的现有技术器件提供的数据被用于相对处理，也就是说，用于与之前测得的数据进行比较(时间趋势分析)或用于在多
相变压器的不同
相位中测得的数据之间进行比较。
[0026] 从专利文献JP56112662A已知一种用于测量容量元件的损耗因数的测量装置。在该装置中，电流/电压转换器直接连接于受测元件(该受测元件进而连接于电压源)；事实上，所述装置不包括任何基准电容器。
[0027] 因此，JP56112662A的装置不能用来测量中等或高电压电容器的损耗因数，在这种情况下电容器自身可通过抽头适配器
访问并且电压源是不可访问的。
[0028] 发明目的
[0029] 本发明的目的在于提供一种测量用于中等电压或高电压的绝缘体的损耗因数的装置和方法，这种装置和方法能克服前面提到的现有技术的缺点。
[0030] 具体地说，本发明的目的在于提供一种用于测量绝缘体在中等电压或高电压下的损耗因数的装置和方法，该装置和方法能检测完整和重大的数据集以估算tanΔ，即便是在多相变压器的单个瞬间和单个相位上执行测量。
[0031] 本发明的另一目的是提供一种用于测量中等电压或高电压的绝缘体的损耗因数的装置和方法，该装置和方法能(使用与用于测量或估算tanΔ测得的那些信号相同的信号)同样检测用于检测和分析局部放
电信号的重
大数据。
[0032] 本发明的又一目的是允许尤为强健并对基准电容器中的所有可能变化灵敏的损耗因数测量(或估算)。
[0033] 这些目的可以通过
权利要求书所限定的本发明的装置和方法来全部实现。
[0034] 更具体地，根据本发明的装置是用于测量绝缘体在中等电压或高电压下的损耗因数(即为估算目的检测数据)的装置，该绝缘体配有一抽头适配器，该抽头适配器形成用于拾取电信号的点。
[0035] 该装置包括基准电容器，所述基准电容器具有可连接于抽头适配器的第一电极、第二电极以及可操作地连接于基准电容器的第一电极以检测表示被施加于基准电容器的电压的信号的第一电压检测模
块。
[0036] 典型地，该基准电容器是具有特别小的损耗因数的电容器；具体而言，该基准电容器如此选择以使基准电容器的损耗因数根据仪器所需的灵敏度低于必须被检测的损耗因数的最小值更低。
[0037] 理想地，基准电容器的损耗因数应当为零。然而在实践中，基准电容器具有非零的损耗因数，这有关于装置的灵敏度，如前面解释的那样。
[0038] 优选地，基准电容器具有在100nF-20μF范围内的电容；基准电容器的电容通常(明显)大于由抽头适配器形成的
涡流电容器这一事实确保了在所述涡流电容器中流过的电流相对于基准电容器中流过的电流是可忽略的(换句话说，在基准电容器中流动的电流是被测绝缘体的电容器中流过的电流的绝大部分)。
[0039] 根据本发明，该装置包括有源
电子器件，该有源电子器件接地并连接于基准电容器的第二电极并被配置成将第二电极的电位保持在预定的基准值。该装置还包括第二电压检测模块，该第二电压检测模块可操作地连接至有源电子器件的输出以检测表示流过基准电容器的电流的信号。
[0040] 优选地，第一电压检测模块具有尤其大的——具体地说明显大于被测器件的阻抗——输入阻抗。
[0041] 优选地，有源电子器件适于在输出端提供至少10mA的电流。
[0042] 类似地，本发明提供一种用于测量绝缘体在中等电压或高电压下的损耗因数的方法，该绝缘体配有抽头适配器，该抽头适配器形成用于拾取电信号的点。
[0043] 根据本发明，该方法包括以下步骤：
[0044] 准备具有第一电极和第二电极的基准电容器，并将第一电极连接于抽头适配器；
[0045] 准备有源电子器件，该有源电子器件接地并连接于基准电容器的第二电极并被配置成将第二电极的电位保持在预定的基准值；
[0046] 使用连接于基准电容器的第一电极的第一电压检测模块来检测表示被施加于基准电容器的电压的信号；
[0047] 使用连接于有源电子器件下游的第二电压检测模块来检测表示流过基准电容器的电流的信号。
[0048] 优选地，有源电子器件被配置成保持基准电容器的第二电极与虚地连接；也就是说，基准电容器的第二电极的电位的基准值是地电位。
[0049] 基准电容器的第二电极的电位保持在稳定的已知值这一事实使得有可能检测表示在绝缘部中流过的电流的量而不破坏测量，也就是说，不一定要在电路的基准电容器引脚中引入电阻器或电感耦合。
[0050] 因此，本发明允许通过同时检测与施加于绝缘部的电压关联的量来检测流入绝缘部的交变电流；实际上，测量基准电容器的端子两侧的电压而该测量不会因相应电流测量而被破坏或失真(多亏了有源电子器件的出现，它动态地稳定了基准电容器的第二电极的电位)。
[0051] 因此，基于可由根据本发明的装置检测到的数据，可因变于同一检测瞬间中检测到的数据对损耗因数作出良好的估算(而不求助于单个变压器的不同相的绝缘体之间的相对处理或检测到的量的时间趋势分析)。
[0052] 实际上，根据本发明的装置和方法能够(使用抽头适配器)在基准电容器上执行伏安测量，该伏安测量对应于被测绝缘体上的伏安测量，受基准电容器的非理想性质影响。
[0053] 根据本发明的又一方面，该装置包括用于将直流电流注入绝缘部的发生器模块(该模块包括例如电流发生器或电压发生器)。更具体地，该模块被配置成将预定电流注入到由基准电容器的第一电极定义的
节点中。
[0054] 同样，根据本发明的所述又一方面，该方法包括步骤：将直流电流注入到基准电容器的第一电极以在绝缘部中产生dc电压变化。
[0055] 那样，检测表示被施加于基准电容器的电压的信号的步骤由于所注入的直流电流使电压变化寄存在绝缘部中变得可能。
[0056] 由于电压变化关联于绝缘部本身的非理想
质量(并因此关联于其损耗因数)，因此这种检测为估算绝缘部的损耗因数提供珍贵的信息。
[0057] 优选地，一电子器件连接于基准电容器的第一电极，该电子器件被设计成界定一非常高的阻抗(例如
缓冲器配置中的
运算放大器或其它等效的电路方案)。
[0058] 较为有利地，这提供一非常高的阻抗(避免电流吸收并允许正确和精确地测量电压)，并同时提供电阻失配，这有可能驱动连接在下游并具有50欧姆输入级的采集仪器。
[0059] 根据本发明的又一方面，该装置允许既具有低频分量(有益于估算损耗因数)又具有高频分量(有益于检测与绝缘体中发生的局部放电相关的信号)的信号的检测。
[0060] 由于有源电子器件(必要时，可以是缓冲器配置中的
运算放大器)形成一特别宽的带宽这一事实，这是可能的。
附图说明
[0061] 根据参考附图所进行的本发明的优选、非限制性
实施例的以下描述，本发明的这些以及其他特征将变得更显而易见，在附图中：
[0062] 图1示意地示出根据本发明耦合于绝缘体的抽头适配器的装置；
[0063] 图2示出包括图1装置的测量仪器，其耦合于三相变压器的绝缘体；
[0064] 图3是图1的装置的电路图；
[0065] 图4是图1的装置的传感器的电路图。
具体实施方式
[0066] 附图中的标记1示出用于测量绝缘体2在中等电压或高电压下的损耗因数(也称tanΔ或功率因数或损耗角正切)的装置。
[0067] 更具体地，绝缘体2是配有抽头适配器3的绝缘体，该抽头适配器3形成用于拾取电信号4的点。
[0068] 在本发明的优选应用中，装置1是用于测量中等电压或高电压变压器5的绝缘体2的损耗因数的装置。
[0069] 图2示出具有与装置1耦合的三个中等电压或高电压绝缘体2的三相变压器5。
[0070] 标号C1代表与被测绝缘体2对应的电容器，而C2代表由抽头适配器形成的涡流电容器。
[0071] 绝缘体2被设计成使连接于中等电压或高电压源7的导体6相对于接地的本体8(例如变压器的壳体)绝缘。
[0072] 根据中等或高电压的绝缘体领域内已知的技术，绝缘体例如包括围绕其自身的绝缘层以形成多个相互绝缘的层。
[0073] 装置1包括具有第一电极10和第二电极11的基准电容器9，该第一电极10可连接于抽头适配器3。
[0074] 装置1还包括第一电压检测模块12，该第一电压检测模块12可操作地连接于基准电容器9的第一电极10以检测表示被施加于基准电容器9的电压的信号。
[0075] 根据本发明，装置1还包括有源电子器件13。器件13接地并连接于基准电容器9的第二电极11。
[0076] 有源电子器件13被配置成将基准电容器9的第二电极11的电位保持在预定的基准值。
[0077] 优选地，有源电子器件13被配置成将基准电容器9的第二电极11保持在接地电位，也就是说，它被配置成将基准电容器9的第二电极11保持在虚地。
[0078] 然而，有源电子器件13也可配置成将基准电容器9的第二电极11保持在地电位以外的电位，倘若它是由器件13或器件13构成其一部分的电路定义的已知电位。
[0079] 优选地，有源电子器件13是有源电流/电压转换器。
[0080] 在图示例子中，有源电子器件13包括按照反相放大器配置的运算放大器131和电阻器132。
[0081] 该装置1还包括第二电压检测模块14，该第二电压检测模块14可操作地连接至有源电子器件13的输出以检测代表流过基准电容器9的电流的信号。
[0082] 应当注意，基准电容器9和有源电子器件13形成传感器15的一部分，该传感器15用于从由绝缘体2的抽头适配器3拾取的信号4采集数据(即电气量)以允许推导出(即估算出)绝缘体的损耗因数。
[0083] 有鉴于此，应当注意装置1也包括测量仪器16，该测量仪器可操作地连接于传感器15以接收由传感器15采集的数据(即与电气量关联的信号)。
[0084] 例如，测量仪器16通过一根或多根同轴电缆17连接于传感器15。
[0085] 该测量仪器16包括：
[0086] 第一输入18，其可操作地连接于基准电容器9的第一电极10；
[0087] 第二输入19，其可操作地连接于有源电子器件13的输出；
[0088] 第一电压检测模块12，其连接于第一输入18；
[0089] 第二电压检测模块14，其连接于第二输入19；
[0090] 处理器20，该处理器20被编程以因变于检测到的数据(尤其是因变于可供第一和第二检测模块12、14获得的信号，例如电压信号)估算损耗因数的值并捕获信号和存储所检测到的数据。
[0091] 优选地，测量仪器16被设计成捕获和存储所检测到的数据，第一和第二输入18、19构成一捕获通道。
[0092] 更具体地，处理器20被编程为因变于在同一检测瞬间和同一绝缘体2上检测到的数据估算损耗因数的值。
[0093] 参照图2，应当注意到装置1包括多个传感器15，每个传感器15耦合于相应的绝缘体2。
[0094] 有鉴于此，测量仪器16包括多个捕获通道，一个捕获通道多数地对应于每个传感器15。
[0095] 优选地(但非必需)，有源电子器件13被配置成提供足够电流以驱动50欧姆输入阻抗的测量仪器16。换句话说，有源电子器件13在50欧姆下具有一适配的输出。
[0096] 优选地，第一电压检测模块12具有至少10吉欧姆的电阻，更具体地为至少1太拉欧姆的电阻。
[0097] 优选地，装置1(即装置1的传感器15)包括缓冲器配置中的运算放大器21，该运算放大器21连接于基准电容器9的第一电极10。
[0098] 第一电压检测模块12可操作地连接于缓冲器配置中的运算放大器21的输出。
[0099] 这使得用测量仪器16的50欧姆输入电阻(更具体地是测量仪器16的第一输入的电阻)调整一非常高电阻(由缓冲器配置中的运算放大器21定义并且是测量与施加于绝缘体2的电压相关的量所必需的)变得可能。
[0100] 优选地，缓冲器配置中的运算放大器21被配置成界定一宽带以允许表征与局部放电相关联的电脉冲的电信号被检测到。这些高频信号(或信号分量)存在于基准电容器9的第一电极10处的电压信号中。
[0101] 宽带(由缓冲器配置中的运算放大器21定义)优选地具有0Hz的低位截止
频率以及至少100kHz且更佳为至少1MHz的高位截止频率。
[0102] 优选地，有源电子器件13被配置成界定一宽带以使第二电压检测模块14检测代表与局部放电相关联的电脉冲的高频电信号。这些高频信号(或信号分量)存在于流过基准电容器9的电流中。
[0103] 宽带(由有源电子器件13定义)优选地具有0Hz的低位截止频率以及至少100kHz且更佳为至少1MHz的高位截止频率。
[0104] 优选地，装置1(更具体地，装置1的传感器15)包括过
电压保护器件22(例如电涌放电器)，该过电压保护器件22横跨基准电容器9的第一和第二电极10、11连接。
[0105] 优选地，装置1(更具体地，装置1的传感器15)也包括过电压保护器件23，该过电压保护器件22横跨基准电容器9的第二电极11和地面连接。
[0106] 优选地，过电压保护器件22、23包括惰性气体
放电管式(也称“GDT”)电涌放电器。优选地，过电压保护器件22、23配有安全器件，该安全器件配置成如果器件(电涌放电器)本身开始工作，尤其是在电涌放电器器件长时间工作和连续工作的情况下，使过电压保护器件22、23所连接的引脚
短路。
[0107] 装置1(更具体地，装置1的传感器15)进一步包括旁路电路(图中未示出)，该旁路电路连接于有源电子器件13以响应器件13本身的故障使基准电容器9的第一电极10连接于无源电子组件(例如电阻器)从而切断有源电子器件13。
[0108] 应当注意，旁路电路被配置成使节点10转向无源组件，以使抽头适配器3中的拾取点4永远不会处于浮空(出于安全原因)。
[0109] 根据另一方面，本发明提供一种用于测量中等电压或高电压下的绝缘体2的损耗因数的装置1，该绝缘体2配有抽头适配器3，该抽头适配器3形成用于拾取电信号的点，包括：
[0110] 基准电容器9(具有第一电极10和第二电极11，该第一电极10可连接于抽头适配器3)；
[0111] 第一电压检测模块12，该第一电压检测模块12可操作地连接于基准电容器9的第一电极10以检测表示被施加于基准电容器9的电压的信号。
[0112] 根据本发明(根据本发明的所述又一方面)，装置1包括发生器模块24，该发生器模块24连接于基准电容器9的第一电极10以将直流电流注入到绝缘部中。
[0113] 更具体地，发生器模块24被配置成将预定电流注入到由基准电容器9的第一电极10定义的节点中。该注入的电流中的至少一部分(实践中是优势数量的部分)流过绝缘体
2的绝缘部。
[0114] 有鉴于此，第一检测模块12被配置成从拾取的信号中检测一平均电压值，以测量由行进通过绝缘体2的直流电流引起的电压变化。
[0115] 另一方面，根据本发明第一方面(即存在有源电子器件13)的装置1(更具体地，装置1的传感器15)示意地示出于图4中。
[0116] 然而，在图3所示的优选实施例中，装置1具有这两种特征中的每一种(即有源电子器件13和发生器模块24)。
[0117] 应当注意，这些特征是协同地相互作用的。
[0118] 实际上，有源电子器件13优选地配置成将基准电容器的第二电极11的电位保持在预定的基准值(优选地保持在虚地)，由此补偿由所注入电流引起的基准电容器9的第二电极11中的直流电压变化。
[0119] 这使执行尤为准确和完整的测量变得可能。
[0120] 本发明也提供一种用于测量绝缘体2在中等电压或高电压下的损耗因数的方法，该绝缘体2配有抽头适配器3，该抽头适配器3形成用于拾取电信号4的点。
[0121] 该方法包括步骤：准备具有第一电极10和第二电极11的基准电容器9并将第一电极10连接于抽头适配器3。
[0122] 根据本发明的第一方面，该方法包括下列步骤：
[0123] 准备有源电子器件13，该有源电子器件13接地并连接于基准电容器9的第二电极11并被配置成将第二电极11的电位保持在预定的基准值；
[0124] 使用连接于基准电容器9的第一电极10的第一电压检测模块12来检测表示被施加于基准电容器9的电压的信号；
[0125] -使用连接于有源电子器件13下游的第二电压检测模块14来检测表示流过基准电容器9的电流的信号。
[0126] 根据本发明的第二方面，该方法包括下列步骤：
[0127] 将直流电流注入到基准电容器9的第一电极10以在绝缘体2中产生DC电压变化；
[0128] 使用连接于基准电容器9的第一电极10的第一电压检测模块来检测表示被施加于基准电容器9的电压(即表示被施加于绝缘体2的电压)的信号。
[0129] 在这种情形下，表示被施加于绝缘体2的电压的信号包括由于注入电流流过绝缘体2引起的dc电压作用。
[0130] 较为有利地，这使推导出完全的数据集以估算绝缘体2的损耗因数值变得可能。
[0131] 有鉴于此，该方法包括进一步的步骤：处理所采集的数据以推导出绝缘体2的损耗因数的估算值。优选地，该估算值是在处理步骤期间推导出的，它因变于在单个检测瞬间期间和单个绝缘体上检测到的数据。
[0132] 这较为有利地能够避免与之前获得的数据和/或相同电子装置(例如三相变压器5)的其它绝缘体(如果有的话)上检测到的数据进行比较的必要性。
[0133] 这使本方法(和相关的装置)尤为有效和快速以提供有益于诊断目的的估算。
[0134] 应当注意，本发明的第一和第二方面可以是彼此分开和独立地实现的。然而，这些方面优选地是一起实现的，因为它们地效果是协同作用的。
[0135] 因此，将由注入电流引起的绝缘体上电压变化的
直流分量加上检测到的数据珍贵信息以估算损耗因数的值。
[0136] 此外，有源电子器件13的存在有助于直流分量的检测，因为它使施加于基准电容器的电压稳定下来。
[0137] 还应当注意，本文件的意图是单独和结合地描述和保护本发明前面提到的各个方面。
[0138] 然而仍然要提一下，根据本发明的装置和方法企图执行(在处理所采集数据的步骤期间)与之前检测和存储的数据的比较并基于在单个换能器5(或其它多相装置)的不同绝缘体2上检测到的量之间的比值计算参数。
[0139] 还应当注意，本文件也关系到和意图保护装置1(总括地包括传感器15和仪器16)和传感器15两者。
