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CN113687195A - 一种电气设备放电类故障模拟装置和方法 - Google Patents

一种电气设备放电类故障模拟装置和方法 Download PDF

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CN113687195A CN202110931995.3A CN202110931995A CN113687195A CN 113687195 A CN113687195 A CN 113687195A CN 202110931995 A CN202110931995 A CN 202110931995A CN 113687195 A CN113687195 A CN 113687195A
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Abstract

本申请公开了一种电气设备放电类故障模拟装置和方法，装置包括正弦波高频振荡升压电路、控制面板、无线传输模块、无线远程控制器、电极连杆、放电电极；正弦波高频振荡升压电路产生脉冲高电压；控制面板显示装置的工作状态；与无线远程控制器配合，切换装置工作状态；控制正弦波高频振荡升压电路产生脉冲高电压；无线传输模块接收无线控制信号；无线远程控制器产生无线控制信号，进行装置放电的远程控制；电极连杆在不同的位置产生放电；放电电极模拟不同的放电类型。本发明可模拟各类电气设备的典型放电类故障，以便于研究人员开展电气设备放电类故障的在线监测技术研究，具有体积小、结构简单，成本低，使用方便等特点。

Description

一种电气设备放电类故障模拟装置和方法
技术领域
本发明属于电气设备故障诊断技术领域，涉及一种电气设备放电类故障模拟装置和方法。
背景技术
电气设备的绝缘劣化是导致设备失效的主要原因。电力设备，特别是大型设备的故障会造成巨大的经济损失，电力运行部门历来十分重视电气设备绝缘状态的监测。
当处于运行状态的电气设备出现绝缘劣化时，往往会出现局部放电、电弧击穿等放电类故障。当放电类故障产生时，在放电处，会激发出电磁波、超声波、光信号，并引起周围的绝缘介质产生化学反应，准确掌握这些信息的特征对于及时发现和诊断电气设备的绝缘劣化具有重要意义。
在现有研究和工程实验中，往往是通过开展高电压试验来分析放电故障的特征信息，这种方式可以较为准确地模拟故障状态，但搭建一套高电压试验系统的成本较为高昂，设备体积较大移动和使用不方便，同时也容易出现危及试验人员人生安全的情况。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种电气设备放电类故障模拟装置和方法，可接入220V市电使用，用于在各种电气设备典型绝缘介质中产生放电类故障，以方便研究放电故障特征信号的传播规律，放电故障激励下绝缘介质的化学变化等。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种电气设备放电类故障模拟装置，包括正弦波高频振荡升压电路、控制面板、无线传输模块、无线远程控制器、电极连杆、放电电极；
所述正弦波高频振荡升压电路，用于产生20-30kV的脉冲高电压；
所述控制面板，用于提供人机交互界面；显示装置的工作状态；与无线远程控制器配合，切换装置的有线、无线工作状态；控制正弦波高频振荡升压电路，产生脉冲高电压；
所述无线远程控制器，用于产生无线控制信号，进行装置放电的远程控制；
所述无线传输模块集成在装置内部，用于接收无线远程控制器的无线控制信号；
所述电极连杆，用于在不同的位置产生放电；
所述放电电极，用于模拟不同的放电类型。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，正弦波高频振荡升压电路，包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2、MOS管MOS1、MOS管MOS2、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2、控制开关S；
所述电感L2、电感L3在同一磁芯GTC上绕制；
电源正极连接电感L1的一端，电源正极通过控制开关S连接电阻R1、电阻R2的一端，电感L1的另一端连接电感L2、电感L3的公共端；
电阻R1的另一端连接二极管D2的正极、电阻R3的一端、稳压二极管ZD1的正极、MOS管MOS1的栅极连接；
电阻R2的另一端连接二极管D1的正极、电阻R4的一端、稳压二极管ZD2的正极、MOS管MOS2的栅极连接；
MOS管MOS1、MOS管MOS2的源极，与稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2的负极、电阻R3、电阻R4的另一端连接电源负极；
二极管D1的负极连接MOS管MOS1、MOS管MOS2的漏极；
二极管D2的负极连接MOS管MOS2的漏极、电容C1和电容C2的一端、电感L3的另一端；
电容C1和电容C2另一端连接MOS管MOS1的漏极、电容C1和电容C2的另一端、电感L2的另一端。
优选地，所述电阻R1、电阻R2采用电阻为470R、功率为2W的直插电阻；
所述电阻R3、电阻R4采用10kΩ电阻；
所述二极管D1、二极管D2型号为UF4007；
所述二极管D3、二极管D4型号为IN4742；
所述MOS管MOS1、MOS管MOS2型号为IRFP250N；
所述电感L1的电感为80-100uH；
所述电容C1、电容C2的电容为0.33uF。
优选地，所述控制面板包括电源提示灯、开关旋钮、放电控制按钮；
所述电源提示灯在将装置接入220V市电、装置工作、装置故障时显示不同颜色，提示装置的工作状态；
所述开关旋钮，用于控制装置开启以及装置有线、无线工作状态的切换；
所述放电控制按钮，用于控制正弦波高频振荡升压电路，产生脉冲高电压。
优选地，通过配备多个不同长度的电极连杆或长度可调的电极连杆，以在不同的位置产生放电信号。
优选地，所述放电连杆底部与装置底座通过螺纹连接；
所述电极连杆顶部通过螺纹与放电电极连接，放电电极可通过螺纹进行更换，以模拟不同的放电类型。
优选地，所述放电电极分为针电极和圆板电极，可通过两两组合，模拟针-针放电、针-板放电、板-板放电。
优选地，所述电极连杆和放电电极连杆由铜制作而成。
本发明还公开了一种电气设备放电类故障模拟方法，包括：
步骤1：根据放电位置和放电类型，设置电极连杆和放电电极；
步骤2：将装置接入220V的市电；
步骤3：旋转控制面板上的开关旋钮，开启装置；
步骤4：通过控制面板上的放电控制按钮，控制正弦波高频振荡升压电路产生脉冲高压；
步骤5：电极连杆和放电电极模拟放电。
优选地，在故障模拟过程中，观察旋转控制面板上的电源提示灯，当显示故障颜色时，表示绝缘间隙没有击穿，此时放电电极和电极连杆上存在大量的残余电荷；或装置内部出现故障，没能产生脉冲高压，需进行装置检修；
在装置使用后，使用接地棒，对装置的放电电极进行放电处理。
本申请所达到的有益效果：
本发明可模拟各类电气设备的典型放电类故障，以便于研究人员开展电气设备放电类故障的在线监测技术研究，具有体积小、结构简单，成本低，使用方便等特点；
本发明在正弦波高频振荡升压电路部分，通过添加控制开关S与电感器L1等形成的限流回路，减小电路频繁启停工况下对MOS管造成的冲击，避免MOS管损坏。
附图说明
图1是本发明一种电气设备放电类故障模拟装置结构图；
图2是本发明实施例中正弦波高频振荡升压电路结构图；
图3是本发明实施例中放电电极示意图；
图1中附图标记为：1-1：第一电极连杆、1-2：第二电极连杆、2-1：第一放电电极、2-2：第二放电电极、3：正弦波高频振荡升压电路、4：无线传输模块、5：放电控制按钮、6：电源提示灯、7：开关旋钮、8：无线远程控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种电气设备放电类故障模拟装置，包括：正弦波高频振荡升压电路3、控制面板、无线传输模块4、无线远程控制器8、电极连杆、放电电极；
所述正弦波高频振荡升压电路3，用于产生20-30kV的脉冲高电压；
如图2所示，所述正弦波高频振荡升压电路，包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2、二极管D3、二极管D4、MOS管MOS1、MOS管MOS2、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2、控制开关S；
所述电感L2、电感L3在同一磁芯GTC上绕制；
电源正极连接电感L1的一端，电源正极通过控制开关S连接电阻R1、电阻R2的一端，电感L1的另一端连接电感L2、电感L3的公共端；
电阻R1的另一端连接二极管D2的正极、电阻R3的一端、稳压二极管ZD1的正极、MOS管MOS1的栅极连接；
电阻R2的另一端连接二极管D1的正极、电阻R4的一端、稳压二极管ZD2的正极、MOS管MOS2的栅极连接；
MOS管MOS1、MOS管MOS2的源极，与稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2的负极、电阻R3、电阻R4的另一端连接电源负极；
二极管D1的负极连接MOS管MOS1、MOS管MOS2的漏极；
二极管D2的负极连接MOS管MOS2的漏极、电容C1和电容C2的一端、电感L3的另一端；
电容C1和电容C2另一端连接MOS管MOS1的漏极、电容C1和电容C2的另一端、电感L2的另一端。
根据图2，正弦波高频振荡升压电路包括两个电流保护回路、两个电压保护回路、一个高频振荡器和一个高压输出变压器，具体的：
电流保护：串接在电源正，负极上的电阻R1、电阻R2和电感L1；
所述电阻R1、电阻R2，用于限制振荡电路中MOS管栅极通过的电流，避免管子击穿；
所述电感L1，用于利用电感电流的不可突变性，保证磁饱和瞬间MOS管的DS极不会流过巨大浪涌而损坏。
电压保护：稳压二极管ZD1、电阻R3和稳压二极管ZD2、电阻R4，其将加到MOS管上的电压钳制在安全范围内，避免击穿。
高频振荡器：MOS管MOS1、MOS管MOS2、二极管D1、二极管D2、电容C1、电容C2；
当控制开关S接通的瞬间，电流流经R1，R2再经过ZD1，ZD2稳压后分别送入MOS管MOS1，MOS管MOS2的GS极，因此两个MOS管同时开通；
又由于组件参数的离散性，导致两个MOS管DS电流在上电瞬间就不相同，假设MOS2流过的电流稍大即IL3>IL2。
因为L2，L3在同一磁芯上绕制，本身存在磁耦合，所以对磁芯的励磁电流为IL2，IL3之和，由于IL3>IL2而从IL2与IL3电流方向相反，所以对铁芯的励磁电流为IP1＝IL3-IL2；
IL2与IL3的励磁电流IP1具有相同的磁路，IP1将在L2上产生一个互感电流；
L2，L3，C1，C2构成并联谐振，这个互感电流的方向与IL2相反，如此正反馈造成的结果是IL2越来越小，最终可以单纯的看作只有L3参与励磁。
与此同时B点电压升高，二极管D1截止，C点保存高点压，MOS2继续保持导通，因为MOS2开通时VDS很小，A点近似接地，二极管D2导通，将D点电位强行拉低至0.7V左右，MOS1失去VGS而截止，随着时间的推移，L3对磁芯的励磁最终达到饱和，此时电流因磁芯饱和失去互感作用刚好降到0，MOS1的DS上电压为0，而L3失去电感量而近似于一个几毫欧的电阻，瞬间大电流全部加到MOS2的导通电阻Ron上，使A点电位瞬间升高，D2截止，D点电位恢复到高电压，MOS1获得VGS而导通，继而B点近似接地，C点电压降到0.7V。MOS2截止，MOS1保持导通，当L2励磁达到饱和时电路状态再次发生翻转，重复上述过程。
整个过程中，翻转的时间由谐振电容C1，C2的容量和L2+L3共同决定，因为有了C1，C2构成谐振，初级电压波形呈正弦波，谐波分量大幅减小。
输出高压变压器：GTC将正弦波高频电压升压后输出。
具体实施时，所述电阻R1、电阻R2采用电阻为470R、功率为2W的直插电阻；
所述电阻R3、电阻R4采用10kΩ电阻；
所述二极管D1、二极管D2型号为UF4007；
所述二极管D3、二极管D4型号为IN4742；
所述MOS管MOS1、MOS管MOS2型号为IRFP250N；
所述电感L1的电感为80-100uH；
所述电容C1、电容C2的电容为0.33uF，共同形成约1WV左右的高压脉冲。
所述控制面板，用于提供人机交互界面；显示装置的工作状态；与无线远程控制器8配合，切换装置的有线、无线工作状态；控制正弦波高频振荡升压电路3，产生脉冲高电压；
具体实施时，所述控制面板包括电源提示灯6、开关旋钮7、放电控制按钮5；
所述电源提示灯6在将装置接入220V市电、装置工作、装置故障时显示不同颜色，提示装置的工作状态；
所述开关旋钮7，用于控制装置开启以及装置有线、无线工作状态的切换；
所述放电控制按钮5，用于控制正弦波高频振荡升压电路3，产生脉冲高电压。
具体使用时，将装置接入220V的市电，此时，控制面板上的电源提示灯6显示黄色；
旋转控制面板上的开关旋钮7，此时，电源提示灯6显示绿色；
点击控制面板上的放电控制按钮5，产生脉冲高压，若绝缘间隙没有击穿，电源提示灯6显示红色(此时电极和电极连杆上存在大量的残余电荷；或者，装置内部出现故障，没能产生脉冲高压)。
所述无线传输模块4集成在装置内部，用于接收无线控制信号；
所述无线远程控制器8，用于产生无线控制信号，当模拟装置布置在危险位置时(如电力变压器顶部)在安全位置控制放电的产生；
无线通讯功能用于在变压器顶部等较为危险的区域进行放电模拟，需要使用无线模式时，将控制面板上的开关旋钮7切换至无线功能，使用无线远程控制器8进行放电控制。
所述电极连杆，用于在不同的位置产生放电；
所述放电电极，用于模拟不同的放电类型。
具体实施时，通过配备多个不同长度的电极连杆或长度可调的电极连杆，以在不同的位置产生放电信号。
图1中采用第一电极连杆1-1、第二电极连杆1-2、第一放电电极2-1、第二放电电极2-2，在不同的位置模拟不同类型的放电。
所述放电连杆底部与装置底座通过螺纹连接；
所述电极连杆顶部通过螺纹与放电电极连接，放电电极可通过螺纹进行更换，以模拟不同的放电类型。
所述电极连杆和放电电极连杆由铜制作而成。
第一电极连杆1-1、第二电极连杆1-2与放电电路的正负极端通过M6螺纹进行连接，对于不同深度，不同位置的局部放电模拟要求，可通过更换不同长度的电极连杆进行模拟。如图3所示，所述放电电极分为针电极和圆板电极，可通过M5螺纹进行更换，通过两两组合，可以模拟针-针放电、针-板放电、板-板放电。
本发明的一种电气设备放电类故障模拟方法，包括：
步骤1：根据放电位置和放电类型，设置电极连杆和放电电极；
步骤2：将装置接入220V的市电；
步骤3：旋转控制面板上的开关旋钮7，开启装置；
步骤4：通过控制面板上的放电控制按钮5，控制正弦波高频振荡升压电路3产生脉冲高压；
步骤5：电极连杆和放电电极模拟放电。
具体实施时，在故障模拟过程中，观察旋转控制面板上的电源提示灯6，当显示故障颜色时，表示绝缘间隙没有击穿，此时放电电极和电极连杆上存在大量的残余电荷；或者，装置内部出现故障，没能产生脉冲高压，需进行装置检修；
在装置使用后，使用接地棒，对装置的放电电极进行放电处理。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电气设备放电类故障模拟装置，包括正弦波高频振荡升压电路(3)、控制面板、无线传输模块(4)、无线远程控制器(8)、电极连杆、放电电极，其特征在于：
所述正弦波高频振荡升压电路(3)，用于产生20-30kV的脉冲电压；
所述控制面板，用于提供人机交互界面；控制显示装置的工作状态；与无线远程控制器(8)配合，切换装置的有线、无线工作状态；控制正弦波高频振荡升压电路(3)，产生脉冲高电压；
所述无线远程控制器(8)，用于产生无线控制信号，进行装置放电的远程控制；
所述无线传输模块(4)集成在装置内部，用于接收无线远程控制器(8)的无线控制信号；
所述电极连杆，用于在不同的位置产生放电；
所述放电电极，用于模拟不同的放电类型。
2.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述正弦波高频振荡升压电路，包括电源、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2、MOS管MOS1、MOS管MOS2、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2、控制开关S；
所述电感L2、电感L3在同一磁芯GTC上绕制；
电源正极连接电感L1的一端，电源正极通过控制开关S连接电阻R1、电阻R2的一端，电感L1的另一端连接电感L2、电感L3的公共端；
电阻R1的另一端连接二极管D2的正极、电阻R3的一端、稳压二极管ZD1的正极、MOS管MOS1的栅极连接；
电阻R2的另一端连接二极管D1的正极、电阻R4的一端、稳压二极管ZD2的正极、MOS管MOS2的栅极连接；
MOS管MOS1、MOS管MOS2的源极，与稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2的负极、电阻R3、电阻R4的另一端连接电源负极；
二极管D1的负极连接MOS管MOS1、MOS管MOS2的漏极；
二极管D2的负极连接MOS管MOS2的漏极、电容C1和电容C2的一端、电感L3的另一端；
电容C1和电容C2另一端连接MOS管MOS1的漏极、电容C1和电容C2的另一端、电感L2的另一端。
3.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述电阻R1、电阻R2采用电阻为470R、功率为2W的直插电阻；
所述电阻R3、电阻R4采用10kΩ电阻；
所述二极管D1、二极管D2型号为UF4007；
所述二极管D3、二极管D4型号为IN4742；
所述MOS管MOS1、MOS管MOS2型号为IRFP250N；
所述电感L1的电感为80-100uH；
所述电容C1、电容C2的电容为0.33uF。
4.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述控制面板包括电源提示灯(6)、开关旋钮(7)、放电控制按钮(5)；
所述电源提示灯(6)在将装置接入220V市电、装置工作、装置故障时显示不同颜色，提示装置的工作状态；
所述开关旋钮(7)，用于控制装置开启以及装置有线、无线工作状态的切换；
所述放电控制按钮(5)，用于控制正弦波高频振荡升压电路(3)，产生脉冲高电压。
5.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
通过配备多个不同长度的电极连杆或长度可调的电极连杆，以在不同的位置产生放电信号。
6.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述放电连杆底部与装置底座通过螺纹连接；
所述电极连杆顶部通过螺纹与放电电极连接，放电电极可通过螺纹进行更换，以模拟不同的放电类型。
7.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述放电电极分为针电极和圆板电极，可通过两两组合，模拟针-针放电、针-板放电、板-板放电。
8.根据权利要求1所述的一种电气设备放电类故障模拟装置，其特征在于：
所述电极连杆和放电电极连杆由铜制作而成。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种电气设备放电类故障模拟装置的一种电气设备放电类故障模拟方法，其特征在于：
所述方法包括：
步骤1：根据放电位置和放电类型，设置电极连杆和放电电极；
步骤2：将装置接入220V的市电；
步骤3：旋转控制面板上的开关旋钮(7)，开启装置；
步骤4：通过控制面板上的放电控制按钮(5)，控制正弦波高频振荡升压电路(3)产生脉冲高压；
步骤5：电极连杆和放电电极模拟放电。
10.根据权利要求9所述的一种电气设备放电类故障模拟方法，其特征在于：
在故障模拟过程中，观察旋转控制面板上的电源提示灯(6)，当显示故障颜色时，表示绝缘间隙没有击穿，此时放电电极和电极连杆上存在大量的残余电荷；或装置内部出现故障，没能产生脉冲高压，需进行装置检修；
在装置使用后，使用接地棒，对装置的放电电极进行放电处理。
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