System and method for monitoring insulation state of ultra-high voltage DC bushings

Abstract

A system and a method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings. The system comprises a monitoring platform, a means for monitoring partial electric discharge of bushings, and a means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings. The means for monitoring partial electric discharge of bushings includes a high-frequency partial discharge acquisition module and a high-frequency pulse current sensor, which are sequentially connected to the monitoring platform by signals. The means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings includes a dielectric loss acquisition module, a leakage current sensor, and a signal sampling unit, and the latter two are connected to the dielectric loss acquisition module by signals, and the dielectric loss acquisition module is connected to the monitoring platform by signals. Monitoring an operation state of bushings completely in real time by way of integrating the monitoring platform with monitoring devices is achieved.

Description

SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING AN INSULATION STATE OF ULTRA-HIGH VOLTAGE DC BUSHINGSFIELD OF THE INVENTION

[0001] The present invention relates to the technical field of monitoring bushings, in particular to a system and method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings.BACKGROUND OF THE INVENTION

[0002] Bushings in an ultra-high voltage DC power transmission system serve as an important insulation element and function as a key high-voltage electrical unit capable of providing insulation support and electrical connections in the ultra-high voltage DC power transmission system. For the bushings exposed to complex high-pressure environments for a long time, it is easy to be influenced by various factors, among which moisture has the most noticeable influence on their operation stability.

[0003] Since bushings used for transformers usually employ an oil-paper insulation structure, once their sealing fail, moisture will seep into their insulation material, and causes insulation aging, increases in dielectric loss, partial electric discharge, increases in leakage current and the like, which each make insulation performance deteriorate, and further reduce safety and reliability of the bushings used for transformers and generate leakage current. Once an internal insulation element conducts current, its insulation performance will further deteriorate, and then makes it possible to cause a failure of partial electric discharge, which not only leads to degradation and damage of insulation material of bushings, but also accelerates overall loss of bushings for transformers.

[0004] Currently, it is more usual to judge operation states of bushings through a measure of regular inspections and shutdown maintenance tests, which consumes a lot of manpower and resources and for which it is difficult to detect potential hazards in time. However, there are problems such as big measurement errors and poor operational reliability in existing technologies for monitoring operation states of bushings and easily warning against faults.

[0005] In addition, problems such as poor grounding of terminal shields, humidification of main bodies, and false or missed alarms in systems often occur in existing devices for monitoring operation states of bushings, make it impossible to meet actual operational requirements, and lead to concerns from users about using the devices, among which many online monitoring devices that have been put into operation have been discontinued or dismantled due to insufficient reliability. In addition, a technology for monitoring for low-voltage level bushings still encounters many challenges, while a technology for monitoring ultra-high-voltage DC bushings is almost in vacancy. Currently, research on assessment and early warning of insulation states of high-voltage bushings mainly remains at the stage of discussing a theoretical method, which has not yet developed into a systematic engineering application solution.SUMMARY OF THE INVENTION

[0006] In view of the above problems in the prior art, the invention provides a system and method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings.

[0007] In order to solve the above technical problems, the present invention adopts the following technical solution.

[0008] A system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, includes a monitoring platform, a means for monitoring partial electric discharge of bushings, and a means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings; wherein the means for monitoring partial electric discharge of bushings includes a high-frequency partial discharge acquisition module and a high-frequency pulse current sensor, and the high-frequency pulse current sensor and the high-frequency partial discharge acquisition module are sequentially connected to the monitoring platform by signals, and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings includes a dielectric loss acquisition module, a leakage current sensor, and a signal sampling unit, and both the leakage current sensor and the signal sampling unit are connected to the dielectric loss acquisition module by signals, and the dielectric loss acquisition module is connected to the monitoring platform by signals.

[0009] Furthermore, the monitoring platform is developed based on a B / S architecture, has an independent database for storing and analyzing measurement data and abnormal records, and supports multi-dimensional display, and flexible configuration of alarm thresholds.

[0010] Furthermore, the high-frequency pulse current sensor transmits a high-frequency pulse signal to the high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable, and the high-frequency partial discharge acquisition module digitizes the high-frequency pulse signal, extracts a partial discharge characteristic, and uploads the partial discharge characteristic to the monitoring platform.

[0011] Furthermore, the leakage current sensor is a zero-flux current sensor installed at a grounding wire of a bushing terminal shield by means of a through-center clip, and is configured to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield.

[0012] Furthermore, the signal sampling unit is installed on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and configured to collect a PT / CVT secondary voltage signal.

[0013] Furthermore, the dielectric loss acquisition module obtains the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal, and employs a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and sends them to a control chip, and enables the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performs an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploads the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage.

[0014] Furthermore, the monitoring platform is connected to the means for monitoring partial electric discharge of bushings and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings in a wireless or wired manner.

[0015] A method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings includes the following steps.

[0016] S1. Installing a high-frequency pulse current sensor at a bushing terminal shield of a transformer, then enabling a high-frequency pulse current signal measured and obtained by the high-frequency pulse current sensor to transmit to a high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable, and performing hardware filtering, conditioning and amplification, and high-speed digital acquisition on the high-frequency pulse current signal to obtain a digital high-frequency pulse current signal, then performing processing, calculation, and analysis on the digital high-frequency pulse current signal by means of a hardware-embedded intelligent algorithm to obtain partial discharge characteristics such as a pulse time-domain waveform, a partial discharge level, and a PRPD / PRPS pattern, finally transmitting the partial discharge characteristics to the monitoring platform in a wireless or wired manner, so as to display the partial discharge characteristics multi-dimensionally and further analyze and identify the partial discharge characteristics.

[0017] S2. Installing a zero-flux current sensor on a grounding wire of the bushing terminal shield of a transformer in a through-center manner, and enabling the zero-flux current sensor to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield and transmit it to a dielectric loss acquisition module.

[0018] S3. Installing a signal sampling unit on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and enabling the signal sampling unit to collect a PT / CVT secondary voltage signal and transmit it to the dielectric loss acquisition module.

[0019] S4. Enabling the dielectric loss acquisition module to employ a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and send them to a control chip, then enabling the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performing an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploading the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage.

[0020] S5. Enabling the monitoring platform to monitor operation status of bushings in real time and automatically raising alarms for abnormal data.

[0021] Compared with the prior art, the present invention has following beneficial effects.

[0022] In the system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, by way of enabling the means for monitoring partial electric discharge of bushings to obtain the high-frequency pulse current signal from the bushing terminal shield and convert it into a digital high-frequency pulse current signal, then perform processing, calculation, and analysis on the digital high-frequency pulse current signal to obtain partial discharge characteristics such as a pulse time-domain waveform, a partial discharge level, and a PRPD / PRPS pattern, and transmit them to the monitoring platform, so as to display the partial discharge characteristics multi-dimensionally and further analyze and identify the partial discharge characteristics, and enabling the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings to obtain the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal and convert them into two channels of discrete digital signals, then process the two channels of discrete digital signals via filtering, amplification, and digital sampling, and perform an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then upload the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage, it is possible to achieve monitoring insulation states of bushings completely and reliably.

[0023] The present invention uses the zero-flux current sensor to monitor leakage current. The zero-flux current sensor adopts external compensation technology to make an excitation current approach zero, so as to make it possible to effectively resist interference from the excitation current, considerably improve accuracy of colleting small current signals, noticeably enhance accuracy of monitoring leakage current, and meet requirements for higher-precision monitoring. The zero-flux current sensor is installed on the grounding wire of bushings by means of a through-center clip, so as to keep an original grounding structure unchanged. Compared with a traditional solution for grounding, connecting a leading wire and extending rod of terminal shields with a grounding wire in series, this installation method considerably reduces safety risks and improves safety and reliability of systems.

[0024] The present invention achieves monitoring operation states of bushings completely in real time by integrating the monitoring platform with the monitoring devices and has a flexible state warning function, so as to make it possible to automatically warn against abnormal data, and support configuration of alarm thresholds according to different operating conditions, further enhancing flexibility and practicality of monitoring.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0025] Fig. 1 is a diagram depicting a structural connection of Example 1 of the present invention.

[0026] Fig. 2 is an organizational chart of Example 1 of the present invention.

[0027] DETAILED DESCRIPTION OF SOME EMBODIMENTS

[0028] In order to make the objectives, technical solutions, and advantages of an embodiment of the present invention clearer, we shall clearly and completely describe the technical solution of an example of the present invention with reference to the figures of the example of the present invention as follows. Obviously, the described example is part of embodiments of the present invention, not all of them. Based on the described example of the present invention, all other examples obtained by a person skilled in the art fall within the protection scope of the present invention.

[0029] Example 1

[0030] As shown in Figs. 1-2, a system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings according an embodiment of the present invention, includes a monitoring platform, a means for monitoring partial electric discharge of bushings, and a means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings; wherein both the means for monitoring partial electric discharge of bushings, and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings are connected to a router via RJ45 cables and interfaces, so as to transmit data to the monitoring platform by 4G / 5G signals via the router.

[0031] The means for monitoring partial electric discharge of bushings includes a high-frequency partial discharge acquisition module and a high-frequency pulse current sensor, and the high-frequency pulse current sensor and the high-frequency partial discharge acquisition module are sequentially connected to the monitoring platform by signals. The high-frequency partial discharge acquisition module is connected to a DC 12V power supply via a power cord. A high-frequency pulse current signal measured and obtained by the high-frequency pulse current sensor is transmitted to the high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable to perform data processing and analysis, and the high-frequency partial discharge acquisition module performs hardware filtering, conditioning and amplification, and high-speed digital acquisition on the high-frequency pulse current signal to obtain a digital high-frequency pulse current signal, then performs processing, calculation, and analysis on the digital high-frequency pulse current signal by means of a hardware-embedded intelligent algorithm to obtain partial discharge characteristics such as a pulse time-domain waveform, a partial discharge level, and a PRPD / PRPS pattern, finally transmits the partial discharge characteristics to the monitoring platform in a wireless or wired manner, so as to display the partial discharge characteristics multi-dimensionally and further analyze and identify the partial discharge characteristics.

[0032] The means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings includes a dielectric loss acquisition module, a leakage current sensor, and a signal sampling unit, and both the leakage current sensor and the signal sampling unit are connected to the dielectric loss acquisition module by signals, and the dielectric loss acquisition module is connected to the monitoring platform by signals. The leakage current sensor is a zero-flux current sensor, capable of monitoring small leakage currents with high accuracy and avoiding interference from electromagnetic noise, which is installed at a grounding wire of a bushing terminal shield by means of a through-center clip, and is configured to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield. The signal sampling unit is installed on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and configured to collect a PT / CVT secondary voltage signal. The dielectric loss acquisition module obtains the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal, and employs a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and sends them to a control chip, and enables the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performs an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploads the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage.

[0033] This system is based on a principle of dielectric loss of bushings and proposes a technical solution of adopting a measurement method for absolute dielectric loss to monitor dielectric loss of bushing-sides for transformers. In this method, it is possible to obtain the grounding current signal of the bushing terminal shield through the leakage current sensor, obtain a voltage signal of a bushing terminal shield on a converter transformer valve side through a voltage detector of a bushing terminal shield on a converter transformer valve side, use a waveform acquisition device to synchronously convert a time-domain waveform into a digital discrete signal, and calculate a fundamental wave phase difference between the two signals through a Fourier transform (FFT) to obtain a dielectric loss angle of bushings, thereby determining changes in insulation state of bushings. The key of adopting a measurement method for absolute dielectric loss is to effectively obtain fundamental wave signals of voltage and current, and then perform a Fourier transform to convert the signals from the time domain to the frequency domain.

[0034] We shall introduce the measurement method for absolute dielectric loss as follows.

[0035] First, set a sequence of continuously collecting signals for 1 second.

[0036] Transform the sequence, to give the following formula.

[0037] Where N presents a number of sampling points. Since the sequences of voltage and current in the system are a sequence of real numbers; therefore, give the following formula.

[0038] And, in the formula:

[0039] In this case, the amplitude and phase of the signal can be expressed as follows.

[0040] After processing the total current I, it is possible to obtain a amplitude of fundamental waves and an initial phase angle After processing the voltage signal U, it is possible to obtain an initial phase angle of fundamental waves and a phase angle difference Based on a dielectric loss vector diagram, it is possible to obtain a dielectric loss angle so as to calculate a dielectric loss value tanδ, based the size of which insulation loss is judged.

[0041] The monitoring platform is developed based on the B / S architecture, and has an independent database capable of automatically saving information such as measurement data, analysis results, and Operation exception records, thereby achieving reaching and analyzing historical data, facilitating have a comprehensive command of operation states of the monitored bushing. The monitoring platform 1 is responsible for performing a core function for system control management and information interaction, and responsible for storing, displaying, comparing and analyzing insulation condition data of bushings monitored by the means for monitoring partial electric discharge of bushings 3, and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings 4, and carrying out comprehensive management of online monitoring terminals.

[0042] When a monitoring result indicates insulation abnormalities such as partial discharge or leakage current existing in the bushing, it is supposed to immediately take maintenance measures, such as replacing damaged components or carrying out repairment.

[0043] When a monitoring result indicates that the bushing is in good condition, it is supposed to carry out routine maintenance and inspections as planned.

[0044] Example 2

[0045] A method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings according to an embodiment of the present invention, includes the following steps.

[0046] S1. Installing a high-frequency pulse current sensor at a bushing terminal shield of a transformer, then enabling a high-frequency pulse current signal measured and obtained by the high-frequency pulse current sensor to transmit to a high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable, and performing hardware filtering, conditioning and amplification, and high-speed digital acquisition on the high-frequency pulse current signal to obtain a digital high-frequency pulse current signal, then performing processing, calculation, and analysis on the digital high-frequency pulse current signal by means of a hardware-embedded intelligent algorithm to obtain partial discharge characteristics such as a pulse time-domain waveform, a partial discharge level, and a PRPD / PRPS pattern, finally transmitting the partial discharge characteristics to the monitoring platform in a wireless or wired manner, so as to display the partial discharge characteristics multi-dimensionally and further analyze and identify the partial discharge characteristics.

[0047] S2. Installing a zero-flux current sensor on a grounding wire of the bushing terminal shield of a transformer in a through-center manner, and enabling the zero-flux current sensor to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield and transmit it to a dielectric loss acquisition module.

[0048] S3. Installing a signal sampling unit on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and enabling the signal sampling unit to collect a PT / CVT secondary voltage signal and transmit it to the dielectric loss acquisition module.

[0049] S4. Enabling the dielectric loss acquisition module to employ a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and send them to a control chip, then enabling the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performing an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploading the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage.

[0050] S5. Enabling the monitoring platform to monitor operation status of bushings in real time and automatically raising alarms for abnormal data.

[0051] The above examples are provided only to explain the technical solution of the present invention and not trended to pose any limitations on the present invention. Although the present invention has been described in detail with reference to the above examples, a person skilled in the art can still make modifications or equivalent substitutions to a specific embodiment of the present invention. Any such modifications or equivalent substitutions that do not depart from the spirit and scope of the present invention still fall within the protection scope of the pending claims of the present invention.

Claims

1.A system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, comprising a monitoring platform, a means for monitoring partial electric discharge of bushings, and a means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings; wherein the means for monitoring partial electric discharge of bushings includes a high-frequency partial discharge acquisition module and a high-frequency pulse current sensor, and the high-frequency pulse current sensor and the high-frequency partial discharge acquisition module are sequentially connected to the monitoring platform by signals, and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings includes a dielectric loss acquisition module, a leakage current sensor, and a signal sampling unit, and both the leakage current sensor and the signal sampling unit are connected to the dielectric loss acquisition module by signals, and the dielectric loss acquisition module is connected to the monitoring platform by signals.2.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 1, wherein the monitoring platform is developed based on a B / S architecture, has an independent database for storing and analyzing measurement data and abnormal records, and supports multi-dimensional display, and flexible configuration of alarm thresholds.3.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 1, wherein the high-frequency pulse current sensor transmits a high-frequency pulse signal to the high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable, and the high-frequency partial discharge acquisition module digitizes the high-frequency pulse signal, extracts a partial discharge characteristic, and uploads the partial discharge characteristic to the monitoring platform.4.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 1, wherein the leakage current sensor is a zero-flux current sensor installed at a grounding wire of a bushing terminal shield by means of a through-center clip, and is configured to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield.5.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 4, wherein the signal sampling unit is installed on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and configured to collect a PT / CVT secondary voltage signal.6.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 5, wherein the dielectric loss acquisition module obtains the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal, and employs a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and sends them to a control chip, and enables the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performs an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploads the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage.7.The system for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, according to claim 1, wherein the monitoring platform is connected to the means for monitoring partial electric discharge of bushings and the means for monitoring dielectric loss, capacitance, and leakage current of bushings in a wireless or wired manner.8.A method for monitoring an insulation state of ultra-high voltage DC bushings, comprising the steps ofS1 installing a high-frequency pulse current sensor at a bushing terminal shield of a transformer, then enabling a high-frequency pulse current signal measured and obtained by the high-frequency pulse current sensor to transmit to a high-frequency partial discharge acquisition module through a shielded cable, and performing hardware filtering, conditioning and amplification, and high-speed digital acquisition on the high-frequency pulse current signal to obtain a digital high-frequency pulse current signal, then performing processing, calculation, and analysis on the digital high-frequency pulse current signal by means of a hardware-embedded intelligent algorithm to obtain partial discharge characteristics such as a pulse time-domain waveform, a partial discharge level, and a PRPD / PRPS pattern, finally transmitting the partial discharge characteristics to the monitoring platform in a wireless or wired manner, so as to display the partial discharge characteristics multi-dimensionally and further analyze and identify the partial discharge characteristics;S2 installing a zero-flux current sensor on a grounding wire of the bushing terminal shield of a transformer in a through-center manner, and enabling the zero-flux current sensor to collect a grounding current signal of the bushing terminal shield and transmit it to a dielectric loss acquisition module;S3 installing a signal sampling unit on a PT / CVT secondary terminal of a bus bar, and enabling the signal sampling unit to collect a PT / CVT secondary voltage signal and transmit it to the dielectric loss acquisition module;S4 enabling the dielectric loss acquisition module to employ a pre-stage circuit to convert the grounding current signal of the bushing terminal shield and the PT / CVT secondary voltage signal into two channels of discrete digital signals and send them to a control chip, then enabling the two channels of discrete digital signals to be processed via filtering, amplification, and digital sampling and performing an operation and processing on a time-domain or a frequency-domain through a Fourier transform, so as to obtain a dielectric loss factor and a capacitance value, and then uploading the dielectric loss factor and the capacitance value to the monitoring platform for analysis, display, and storage; andS5 enabling the monitoring platform to monitor operation status of bushings in real time and automatically raising alarms for abnormal data.

Images