一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置

1.一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特征在于，包括传感单元（1）和监控主机（2）；所述的传感单元（1）是由暂态地电压传感单元（11）和超声波传感单元（12）组成；所述的监控主机（2）是由信号调理单元（21）、信号处理单元（22）、显示单元（23）、超声波信号监听单元（24）和供电单元（25）组成；
所述的暂态地电压传感单元（11）和所述的超声波传感单元（12），分别与所述的信号调理单元（21）的多个输入端相连接，所述的信号调理单元（21）的多个输出端分别与所述的信号处理单元（22）、所述的超声波信号监听单元（24）相连接；所述的信号处理单元（22）的输出端与所述的显示单元（23）相连接；所述的供电单元（25）分别与所述的信号调理单元（21）、信号处理单元（22）、显示单元（23）、超声波信号监听单元（24）相连接，提供工作电源；所述的传感单元（1）获取传感信号，所述的监控主机（2）接收该传感单元（1）的检测信号；
所述的信号调理单元（21）包括：暂态地电压信号调理单元（211）和超声波信号调理单元（212）；所述的暂态地电压信号调理单元（211）的输入端、所述的超声波信号调理单元（212）的输入端分别与所述的暂态地电压传感单元（11）的输出端、所述的超声波传感单元（12）的输出端相连接，所述的暂态地电压信号调理单元（211）的输出端、所述的超声波信号调理单元（212）的一个输出端与所述的信号处理单元（22）的多个输入端相连接，所述的超声波信号调理单元（212）的另一个输出端与所述的超声波信号监听单元（24）相连接；
所述的暂态地电压信号调理单元（211）包括：前级保护缓冲电路（2111）、带通滤波器（2112）、对数放大器（2113）、检波整形电路（2114）、自适应滤波器（2115）和调理信号输出电路（2116）依次串联连接组成。
2.如权利要求1所述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特征在于，所述的暂态地电压传感单元（11）包括：电容耦合式传感器（111）、信号传输电缆（112）和阻抗匹配连接器（113）；所述的电容耦合式传感器（111）通过所述的信号传输电缆（112）与所述的阻抗匹配连接器（113）连接。
3.如权利要求1所述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特征在于，所述的超声波传感单元（12）包括：超声波传感器（121）、信号传输电缆（122）和阻抗匹配连接器（123）；所述的超声波传感器（121）通过所述的信号传输电缆（122）与所述的阻抗匹配连接器（123）连接。
4.如权利要求1所述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特征在于，所述的超声波信号调理单元（212）包括：匹配耦合电路（2121）、线性放大电路（2122）、带通滤波器（2123）、对数放大器（2124）、检波整形电路（2125）、匹配电路（2126）和调理信号输出电路（2127）依次串联连接组成。
5.如权利要求1所述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特征在于，所述的超声波信号监听单元（24）包括：匹配耦合电路（2411）、线性放大器（2412）及第一带通滤波器（2413）依次串联连接，振荡器（2414）、衰减器（2415）及第二带通滤波器（2416）依次串联连接，所述的第一带通滤波器（2413）的输出端、所述的第二带通滤波器（2416）的输出端分别与模拟混频器（2417）的输入端相连接，所述的模拟混频器（2417）、第三带通滤波器（2418）、音频驱动电路（2419）、音频输出电路（2420）依次串联连接。

一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及配电设备绝缘、载流故障在线监测领域，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置。\n背景技术\n[0002] 配电设备绝缘和载流故障约占故障发生总数的30%-50%，为配电设备的主要故障。\n绝缘和载流故障的发生都伴有局部放电现象产出，通过检测配电设备的局部放电状态判断和分析配电设备绝缘状况是目前应用最普遍、最广泛、最有效的方法。\n[0003] 目前配电设备局部放电巡检工作已逐步开展，但存在一些不足，主要包括：\n[0004] （1）现有检测产品多通过配电设备柜体外部检测获取数据。由于配电设备工作环境复杂，局部放电所产生的信号极易淹没在噪声中，检测结果参考价值下降。\n[0005] （2）随着配电设备柜体密封性越来越好，柜外获取数据越来越难（尤其超声波信号），且柜外环境噪声大，检测数据可靠性下降。\n[0006] （3）巡检工作受配电设备安装位置影响较大，如开关柜，现场很多开关柜都是采用靠墙安装，开关柜背面与墙壁之间的间隔较小，巡检人员无法到其背面进行检测，导致检测不全面。\n[0007] （4）受配电设备结构设计的影响，部分配电设备设计高度较高，对配电设备上部局部放电检测造成很大的作业难度。\n[0008] 随着近年来电网规模迅速发展，配电设备数量急剧增加，巡检工作量剧增，而巡检人员基本无增长，导致巡检人员劳动强度明显增大。\n发明内容\n[0009] 本发明的目的在于提供一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其可以在带电状态下采用声电联合监测技术直接从配电设备内部获取局部放电信号，对配电设备的局部放电状态进行在线监测，该装置可以扩展通讯功能组建局部放电在线监测系统。\n[0010] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：\n[0011] 一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，包括传感单元和监控主机；上述的传感单元是由暂态地电压传感单元和超声波传感单元组成；上述的监控主机是由信号调理单元、信号处理单元、显示单元、超声波信号监听单元和供电单元组成；\n[0012] 上述的暂态地电压传感单元和上述的超声波传感单元，分别与上述的信号调理单元的多个输入端相连接，上述的信号调理单元的多个输出端分别与上述的信号处理单元、上述的超声波信号监听单元相连接；上述的信号处理单元的输出端与上述的显示单元相连接；上述的供电单元分别与上述的信号调理单元、信号处理单元、显示单元、超声波信号监听单元相连接，提供工作电源；上述的传感单元获取传感信号，上述的监控主机接收该传感单元的检测信号。\n[0013] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的暂态地电压传感单元包括：电容耦合式传感器、信号传输电缆和阻抗匹配连接器；上述的电容耦合式传感器通过上述的信号传输电缆与上述的阻抗匹配连接器连接。\n[0014] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的超声波传感单元包括：超声波传感器、信号传输电缆和阻抗匹配连接器；上述的超声波传感器通过上述的信号传输电缆与上述的阻抗匹配连接器连接。\n[0015] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的信号调理单元包括：暂态地电压信号调理单元和超声波信号调理单元；上述的暂态地电压信号调理单元的输入端、上述的超声波信号调理单元的输入端分别与上述的暂态地电压传感单元的输出端、上述的超声波传感单元的输出端相连接，上述的暂态地电压信号调理单元的输出端、上述的超声波信号调理单元的一个输出端与上述的信号处理单元的多个输入端相连接，上述的超声波信号调理单元的另一个输出端与上述的超声波信号监听单元相连接。\n[0016] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的暂态地电压信号调理单元包括：前级保护缓冲电路、带通滤波器、对数放大器、检波整形电路、自适应滤波器和调理信号输出电路依次串联连接组成。\n[0017] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的超声波信号调理单元包括：匹配耦合电路、线性放大电路、带通滤波器、对数放大器、检波整形电路、匹配电路和调理信号输出电路依次串联连接组成。\n[0018] 上述的侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，上述的超声波信号监听单元包括：匹配耦合电路、线性放大器及第一带通滤波器依次串联连接，振荡器、衰减器及第二带通滤波器依次串联连接，上述的第一带通滤波器的输出端、上述的第二带通滤波器的输出端分别与模拟混频器的输入端相连接，上述的模拟混频器、第三带通滤波器、音频驱动电路、音频输出电路依次串联连接。\n[0019] 本发明与现有技术相比具有以下优点：该装置的传感单元和监测主机等所有组件均内嵌安装于配电设备内部，暂态地电压传感单元和超声波传感单元用于获取局部放电产生的暂态地电压信号和超声波信号，两路信号经高频信号传输线传输至监测主机，监测主机完成信号处理并将监测结果以数值方式直观显示。通过超声波信号监听单元，借助耳机等扬声设备实现超声波信号监听。监测过程自动、实时、连续完成，无需人工干预，有效实现快速巡检，减少巡检人员投入，降低巡检劳动强度。\n附图说明\n[0020] 图1为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的功能结构原理图。\n[0021] 图2为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的暂态地电压传感单元功能原理图。\n[0022] 图3为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的电容耦合式传感器结构示意图。\n[0023] 图4为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波传感单元功能原理图。\n[0024] 图5为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波传感器结构示意图。\n[0025] 图6为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的暂态地电压调理单元功能原理图。\n[0026] 图7为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波信号调理单元功能原理图。\n[0027] 图8为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波监听单元功能原理图。\n[0028] 图9为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的显示单元功能原理图。\n[0029] 图10为本发明一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的供电单元功能原理图。\n具体实施方式\n[0030] 以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。\n[0031] 如图1所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置，其特点是，包括传感单元1和监控主机2；上述的传感单元1是由暂态地电压传感单元11和超声波传感单元12组成；上述的监控主机2是由信号调理单元21、信号处理单元22、显示单元23、超声波信号监听单元24和供电单元25组成。\n[0032] 上述的暂态地电压传感单元11和上述的超声波传感单元12，分别与上述的信号调理单元21的多个输入端相连接，上述的信号调理单元21的多个输出端分别与上述的信号处理单元22、上述的超声波信号监听单元24相连接；上述的信号处理单元22的输出端与上述的显示单元23相连接；上述的供电单元25分别与上述的信号调理单元21、信号处理单元22、显示单元23、超声波信号监听单元24相连接，提供工作电源；上述的传感单元1获取传感信号，上述的监控主机2接收该传感单元1的检测信号。\n[0033] 上述信号处理单元22所包括的CPU，具体参数要求包括：16位及16位以上的微处理器，具有32K字节以上的闪存程序存储空间、具有丰富的I/O接口；例如PIC系列、STM系列微处理器。该信号处理单元22所包括的A/D模块可以为CPU集成模块，也可以选用独立A/D模块，要求A/D模块的位数是10位及10位以上，且采样率要大于500KHz。\n[0034] 如图2所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置暂态地电压传感单元11包括：电容耦合式传感器111、信号传输电缆112和阻抗匹配连接器113；上述的电容耦合式传感器111获取暂态地电压传感信号，并通过上述的信号传输电缆112与上述的阻抗匹配连接器113连接。该阻抗匹配连接器113通过该信号传输电缆112接收该电容耦合式传感器111的检测信号。\n[0035] 本实施例中，选用型号为RG174的高频同轴电缆用作上述信号传输电缆112；选用型号为SMA或SMB或BNC的50 Ω阻抗匹配连接器用作上述阻抗匹配连接器123。\n[0036] 如图3所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的暂态地电压传感单元，当高压开关柜发生局部放电时，带电体31的放电电量先聚集在与放电点相近的接地金属部分，形成电流脉冲，向各个方向传播，因放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态对地电压（即“暂态地电压”），暂态对地电压一般在几十毫伏～几伏之间且只能维持几纳秒（ns）。通过设置在被测设备的接地金属外壳32上的电容藕合式传感器111，即可检测到放电脉冲信号，得到该脉冲信号的幅度和频度等参数。电容藕合式传感器111类似于RF耦合电容器，传感器绝缘层1111具有绝缘与保护的双重功效，被测设备的接地金属外壳32上暂态对地电压的变化会在传感器主体1112的金属极板上感应出高频电流，通过传感器引出接口1113与其处理设备相连接，对传感器主体1112输出的高频电流进行处理，即可以间接获得局部放电的强度和频度。\n[0037] 如图4所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波传感单元12包括：超声波传感器121、信号传输电缆122和阻抗匹配连接器123；上述的超声波传感器121获取超声波信号，并通过上述的信号传输电缆122与上述的阻抗匹配连接器123连接。该阻抗匹配连接器123通过上述的信号传输电缆122接收该超声波传感器121的检测信号。\n[0038] 如图5所示，上述的超声波传感单元12为无源传感单元，上述超声波传感器121，利用压电效应的原理，采用一种双晶振子结构的压电陶瓷材料，在压电陶瓷的特定方向上施加压力，压电陶瓷就发生应变，产生一面为正极另一面为负极的电压。压电陶瓷通过特殊的工艺和切割，有一固定的谐振频率和带宽，不同的压电陶瓷会对不同的特定频率最为敏感，且有一定的带宽，所以能制作出不同峰值频率和带宽的传感器，以适应不同的检测要求。\n[0039] 本实施例中，由于配电设备放电产生的超声波信号集中在20KHz-50KHz，选用中心频率为40KHz的超声波传感器，即选用NU40C10R-1型超声波传感器；选用型号为RG174的高频同轴电缆用作上述信号传输电缆122；选用型号为SMA或SMB的50Ω的阻抗匹配连接器用作上述阻抗匹配连接器123。\n[0040] 如图1所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的信号调理单元21包括：暂态地电压信号调理单元211和超声波信号调理单元212；上述的暂态地电压信号调理单元211的输入端、上述的超声波信号调理单元212的输入端分别与上述的暂态地电压传感单元11的输出端、上述的超声波传感单元12的输出端相连接，上述的暂态地电压信号调理单元211的输出端、上述的超声波信号调理单元212的一个输出端与上述的信号处理单元22的多个输入端相连接，上述的超声波信号调理单元212的另一个输出端与上述的超声波信号监听单元24相连接。\n[0041] 如图6所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的暂态地电压信号调理单元211包括：前级保护缓冲电路2111、带通滤波器2112、对数放大器2113、检波整形电路\n2114、自适应滤波器2115和调理信号输出电路2116依次串联连接组成。上述前级保护缓冲电路2111获取上述暂态地电压传感单元11的检测信号，该检测信号通过带通滤波器2112进行滤波，滤波后的信号经上述的对数放大器2113放大，传输到检波整形电路2114，上述的自适应滤波器2115获取该检波整形电路2114的输出端信号后进行滤波，滤波后的信号传输到调理信号输出电路2116。\n[0042] 本实施例中，对数放大器2113的具体参数要求包括：输入动态范围大于70dB，快速恢复时间小于4nS，带宽大于200MHz。自适应滤波器2115是以运算放大器为核心搭建的模块电路，该运算放大器需满足具体参数要求包括：带宽大于200MHz，低噪声，输入阻抗大于10MΩ。\n[0043] 如图7所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波信号调理单元\n212包括：匹配耦合电路2121、线性放大电路2122、带通滤波器2123、对数放大器2124、检波整形电路2125、匹配电路2126和调理信号输出电路2127依次串联连接组成。获取上述超声波传感单元12处理信号的匹配耦合电路2121与上述的线性放大电路2122相连接，经放大的信号通过的带通滤波器2123进行滤波，滤波后的信号传输到上述的对数放大器2124，放大后的信号传输到上述检波整形电路2125，上述的匹配电路2126获取该检波整形电路\n2125的输出端信号进行处理，经处理的信号传输到调理信号输出电路2127。\n[0044] 本实施例中，上述对数放大器2124的具体参数要求包括：输入动态范围大于\n80dB，快速恢复时间小于4nS。上述线性放大电路2122的具体参数要求包括电压偏置小于\n40uV，温度漂移小于0.5μv/C，共模抑制比大于120dB。\n[0045] 如图8所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的超声波信号监听单元\n24包括：匹配耦合电路2411、线性放大器2412及第一带通滤波器2413依次串联连接，振荡器2414、衰减器2415及第二带通滤波器2416依次串联连接，上述的第一带通滤波器2413的输出端、上述的第二带通滤波器2416的输出端分别与模拟混频器2417的输入端相连接，上述的模拟混频器2417、第三带通滤波器2418、音频驱动电路2419、音频输出电路2420依次串联连接。上述的匹配耦合电路2411获取上述的超声波信号调理单元212的检测信号，该检测信号经上述线性放大器2412进行线性放大，放大后的信号传输到第一带通滤波器\n2413进行滤波，经滤波后的信号传输到上述模拟混频器2417；上述的振荡器2414的输出端与上述的衰减器2415的输入端相连接，第二带通滤波器2416获取该衰减器2415的输出端信号并进行滤波，滤波后的信号传输到上述模拟混频器2417；第三带通滤波器2418对模拟混频器2417的输出端信号进行滤波，滤波后的信号传输到上述的，经该音频驱动电路2419处理的输出端信号，传输到上述的音频输出电路2420。\n[0046] 上述的超声波信号监听单元24是利用超外差原理，将超声波信号与本征信号混频，将高频信号降低到人耳可以听到、能够识别的低频信号。例如，将40KHz的超声波信号降低到1KHz，即要求上述振荡器2414产生39KHz的信号。\n[0047] 本实施例中，上述线性放大器2412的具体参数要求包括：电压偏置小于40uVdB，温度漂移小于0.5μv/C，共模抑制比大于120dB。上述模拟混频器2417要满足输入动态范围大、双电压供电的要求。\n[0048] 如图9所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的显示单元23包括：编码器231和数码管显示单元232；上述的编码器231获取上述信号处理单元22的输出信号，该编码器231与上述的数码管显示单元232相连接。\n[0049] 本实施例中CPU按照该编码器231的编码规则来编码，点亮该数码管显示单元232的数码管。该显示单元23用于将信号处理单元22处理得到的局部放电特征数据以数值方式直观显示出来，这些局部放电特征数据包括超声波的最大幅值、暂态地电压的幅值、暂态地电压在1s内的脉冲个数等。\n[0050] 如图10所示，一种侵入式配电设备局部放电在线监测装置的供电单元包括：开关电源模块251和低通滤波器252；上述的开关电源模块251获取供电电源端输入的\n220VAC/110VDC，经该开关电源模块251处理后的输出端信号传输到上述的低通滤波器252进行处理，输出工作电源±5V。\n[0051] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。