CN101556302A

CN101556302A - 超声局放诊断仪及方法

Info

Publication number: CN101556302A
Application number: CNA2009100848289A
Authority: CN
Inventors: 闫艺邨; 于锋; 汪天星; 肖拥军
Original assignee: BOYANGKEYI ELECTRIC TECHNOLOGY (BEIJING) Co Ltd
Current assignee: BOYANGKEYI ELECTRIC TECHNOLOGY (BEIJING) Co Ltd
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: CN101556302B

Abstract

一种超声局放诊断仪及方法，其包括：用于将超声传感器获取的超声波信号进行采集，并检测反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、信号工频相关量的信号采集检测单元；以及用于将信号采集检测单元传输的反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、信号工频相关量的数据进行处理，并显示故障结果的信号处理显示单元。本发明设计简单、功能完备、抗干扰能力强，能够准确检测出故障超声信号的有效值、峰值以及工频相关量，从而便也及时发现和解决安全隐患。

Description

超声局放诊断仪及方法

技术领域

本发明属于变电站内高压电气设备绝缘带电检测技术领域，特别涉及一种超声局放诊断仪及方法。

背景技术

目前，导致高压电气设备如气体绝缘变电站、电缆终端和接头等绝缘老化的故障绝大多数伴随着局部放电和颗粒碰撞现象，无论是局部放电还是颗粒碰撞都会产生微小的超声信号，而超声信号反映了很多的相关信息，包括被测设备中局部放电和颗粒碰撞与工频电场之间的关系，以及局部放电和颗粒碰撞本身的强弱。因此，如何准确测量出故障超声信号的有效值、峰值以及工频相关量的信息就成为了及时发现与解决气体绝缘变电站、电缆终端和接头故障的关键所在。现有技术中较常采用电磁波测量法来检测局部放电，但该方法的缺点是在现场检测过程中容易受到其它电磁场源的干扰，从而难以分辨设备内部的局部放电信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超声局放诊断仪及方法，其能够准确检测出反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中故障的超声信号的有效值、峰值以及工频相关量，从而达到及时发现与解决安全隐患的作用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种超声局放诊断仪，其特征在于包括：信号采集检测单元，所述的信号采集检测单元用于将超声传感器获取的超声波信号进行采集，并检测反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、以及信号工频相关量；

信号处理显示单元，所述的信号处理显示单元用于将信号采集检测单元传输的反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、以及信号工频相关量的数据进行处理，并显示故障结果。

所述的信号采集检测单元包括：滤波器，其输入端获取故障超声信号；放大器，其输入端连接滤波器的输出端；有效值转换电路，其输入端连接放大器的输出端，输出端连接信号处理显示单元；检波器，其输入端连接放大器的输出端；平滑处理电路，其输入端连接检波器的输出端，输出端连接信号处理显示单元；峰值检测电路，其输入端连接平滑处理电路的输出端，输出端连接信号处理显示单元；触发器，其输入端与平滑处理电路的输出端连接，输出端连接信号处理显示单元；频率分量同步电路，其输出端连接信号处理显示单元。

所述的信号处理显示单元包括：数据信号处理器，其输入端与有效值转换电路的输出端、平滑处理电路的输出端、峰值检测电路的输出端、频率分量同步电路的输出端和触发器的输出端进行连接；显示器，其与数据信号处理器的输出端连接。

所述的滤波器包括电阻R1，R1连接电容C1和C2的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，二极管D1的正极，以及二极管D2的负极，电容C2的另一端连接电阻R2的另一端，二极管D1的负极，以及二极管D2的正极；

所述的放大器包括：音频运算放大器U1，其同向输入端b连接滤波器的输出端，U1的反向输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接U1的输出端；

所述的有效值转换电路包括型号为AD637的芯片IC1，其B1脚连接电容C5的一端和电阻R12的一端，C5的另一端与IC1的COM脚和UTO脚相接，R12的另一端连接IC1的D1脚、RMSut脚和电容C7的一端，C7的另一端与IC1的Cav脚相接，IC1的B0脚连接电阻R10的一端，R10的另一端连接电容C6的一端，C6的另一端连接电阻R11的一端，R11的另一端连接电容C4，C4的另一端与IC1的VIN脚相接。

所述的检波器包括音频运算放大器U2和U3，U2的同向输入端连接放大器的输出端c，其反向输入端连接电阻R5的一端，R5的另一端连接二极管D4的正极和电阻R6的一端，D4的负极连接U2的输出端和二极管D3的正极，U3的同向输入端连接二极管D3的负极和电阻R7的一端，R7的另一端接地，U3的反向输入端连接电阻R6的另一端和电阻R8的一端，R8的另一端与U3的输出端进行连接；

所述的平滑处理电路包括电阻R9，R9的一端连接U3的输出端，R9的另一端连接电容C3的一端，C3的另一端接地。

所述的峰值检测电路包括型号为AD847的音频运算放大器U4、U5，其中，U5的同向输入端连接平滑处理电路的输出端，U5的反向输入端连接电阻R14的一端和电阻R13的一端，R13的另一端与U4的反向输入端和输出端相接，R14的另一端连接二极管D5的正极，D5的负极连接U5的输出端和二极管D6的正极，D6的负极连接U4的同向输入端和电容C8的一端，C8的另一端接地。

所述的触发器包括型号为LM311N的运算放大器IC3，其同向输入端IN+脚连接电阻R19和R20，反向输入端IN-脚连接平滑处理电路的输出端；

所述的频率分量同步电路包括变压器，该变压器的原边接市电，次边连接电阻R15和R16的一端，运算放大器IC2的IN-脚连接电阻R15和R16的另一端，OUT脚连接电阻R17的一端和电容C9的一端，电阻R17的另一端连接电阻R18的一端，R18的另一端和C9的另一端连接非门。

一种超声局放诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，信号采集检测单元通过采集超声传感器获取的气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的超声信号，并且检测能够反映这些故障的信号有效值、信号峰值、信号工频相关量；

第二步，信号处理显示单元对第一步所述的信号有效值、信号峰值、以及信号工频相关量的数据进行处理后，显示故障结果。

第一步骤中：故障信号的有效值的采集检测是按以下操作进行的：首先，信号采集检测单元的滤波器对超声传感器获取的超声信号经过滤波以限定信号的幅度，然后输出至放大器进行十倍放大，放大后的信号进入有效值转换电路以输出信号的有效值；

故障信号的峰值的采集检测是按以下操作进行的：首先，信号采集检测单元的滤波器对超声传感器获取的超声信号经过滤波以限定信号的幅度，然后输出至放大器进行十倍放大，放大后的信号进入检波器以对信号取绝对值，然后通过平滑处理电路进行再次滤波，滤波后的信号进入峰值检测电路以输出信号的峰值；

故障信号的工频相关量的采集检测是按以下操作进行的：首先，信号采集检测单元的滤波器对超声传感器获取的超声信号经过滤波以限定信号的幅度，然后输出至放大器进行十倍放大，放大后的信号进入检波器以对信号取绝对值，然后通过平滑处理电路进行再次滤波，如果信号超过设定值，则触发器触发频率分量同步电路提供信号工频相关量。

第二步骤中：信号处理显示单元对信号工频相关量的处理显示首先是由数据信号处理器通过傅立叶变换对六十四个点的检测数据取出50HZ和100HZ的工频分量值，然后通过显示器进行显示的。

本发明的超声局放诊断仪及方法具有以下有益效果：

1.设计简单、功能完备，通过信号采集检测单元采集检测故障信号的有效值、信号峰值、以及信号工频相关量，然后由信号处理显示单元对上述检测数据进行处理显示，使用者根据数据对比即可诊断出故障类型。

2.抗干扰性强、测量精度高，超声局放诊断仪内部包括多个滤波电路，可以把干扰噪声衰减到很微小的程度，从而保证准确检测量出故障信号的有效值、信号峰值、以及信号工频相关量。

3.使用方便，能够轻松实现对高压电气设备如气体绝缘变电站、电缆终端和接头等的在线检测和在线监测，从而可以及时地发现并解决安全隐患，提高了现场操作的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的电气连接示意图；

图3为本发明具体实施例的滤波器电路示意图；

图4为本发明具体实施例的放大器电路示意图；

图5为本发明具体实施例的检波器电路示意图；

图6为本发明具体实施例的平滑处理电路示意图；

图7为本发明具体实施例的有效值转换电路示意图；

图8为本发明具体实施例的峰值检测电路示意图；

图9为本发明具体实施例的频率分量同步电路示意图；

图10为本发明具体实施例的触发器电路示意图；

图11示意了本发明对无故障情况下电气设备电气设备(300KV气体绝缘变电站)的检测数据；

图12示意了本发明对颗粒碰撞故障类型情况下电气设备(300KV气体绝缘变电站中心导体上有一个6mm长的针)的检测数据；

图13示意了本发明对局部放电故障类型情况下电气设备(300KV气体绝缘变电站的中心导体的局部放电)的检测数据。

具体实施方式

图1为本发明的结构原理图，如图所示，本发明的超声局放诊断仪1包括：信号采集检测单元2和信号处理显示单元3，所述的信号采集检测单元2用于将超声传感器(虚框示意)获取的超声波信号进行采集，并检测反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、信号工频相关量及信号二倍工频相关量。所述的信号处理显示单元3用于将信号采集检测单元2传输的反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、信号工频相关量以及信号二倍工频相关量的数据进行处理，并显示故障结果。

图2为本发明的电气连接示意图，图中示意了信号采集检测单元2和信号处理显示单元3内部的电气连接，如图所示，信号采集检测单元2在采集检测故障信号的有效值时，其电路的输入端包括滤波器4，该滤波器4用于对超声传感器获取的故障信号进行滤波，并且限定信号的幅度，滤波器4的输出端连接放大器5，放大器5的输出端连接有效值转换电路8，有效值转换电路8再输出信号的有效值至信号处理显示单元3进行处理显示。

信号采集检测单元2在采集检测故障信号的峰值时，其电路的输入端包括滤波器4，该滤波器4用于对超声传感器获取的故障信号进行滤波，并且限定信号的幅度，滤波器4的输出端连接放大器5，放大器5的输出端连接检波器6，检波器6的输出端连接平滑处理电路7，平滑处理电路7的输出端连接信号处理显示单元3和峰值检测电路9，峰值检测电路9再输出信号的峰值至信号处理显示单元3进行显示。

信号采集检测单元2在采集检测故障信号的工频相关量数据时，其电路的输入端包括滤波器4，该滤波器4用于对超声传感器获取的故障信号进行滤波，并且限定信号的幅度，滤波器4的输出端连接放大器5，放大器5的输出端连接检波器6，检波器6的输出端连接平滑处理电路7，平滑处理电路7的输出端连接触发器11，如果信号超过设定值，则触发器将触发频率分量同步电路10输出工频相关量至信号处理显示单元3。

信号处理显示单元包括：数据信号处理器12，其进行数据处理，并提交显示器13进行显示，其中，对信号工频相关量的处理按以下操作进行的：本实施例中的工频取为50HZ，二倍工频为100HZ，其中50HZ和100HZ相关量是通过把六十四个点的测量数据通过傅立叶变换取出其50HZ和100HZ的分量值进行显示的，其原理如下：

定义函数语句：

pr-----双精度实型一维数组，长度为64。存放64个采样输入的实部，返回时存放离散傅立叶变换的模。

pi-----双精度实型一维数组，长度为64。存放64个采样输入的虚部，返回时存放离散傅立叶变换的幅角，其中幅角的单位为度。

n------整形变量，输入的点数为64。

k------整形变量，满足n＝2^k，对于64点测量固定为6。

fr-----双精度实型一维数组，长度为n，返回傅立叶变换的实部。

fi-----双精度实型一维数组，长度为n，返回傅立叶变换的虚部。

void kbfft(pr，pi，n，k，fr，fi)

int n，k；

double pr[]，pi[]，fr[]，fi[]；

{int it，m，is，i，j，nv，10；

double p，q，s，vr，vi，poddr，poddi；

for(it＝0；it＜＝n-1；it++)//蝶形单元运算

{m＝it；is＝0；

for(i＝0；i＜＝k-1；i++)

{j＝m/2；is＝2*is+(m-2*j)；m＝j；}

fr[it]＝pr[is]；fi[it]＝pi[is]；

{

pr[0]＝1.0；pi[0]＝0.0；

p＝6.283185306/(1.0*n)；

pr[1]＝cos(p)；pi[1]＝-sin(p)；

for(i＝2；i＜n-1；i++)

{p＝pr[i-1]*pr[1]；q＝pi[i-1]*pi[1]；

s＝(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1])；

pr[i]＝p-q；pi[i]＝s-p-q；

}

for(it＝0；it＜＝n-2；it＝it+2)

{vr＝fr[it]；vi＝fi[it]；

fr[it]＝vr+fr[it+1]；fi[it]＝vi+fi[it+1]；

fr[it+1]＝vr-fr[it+1]；fi[it+1]＝vi-fi[it+1]；

}

m＝n/2；nv＝2；

for(10＝k-2；10＞＝0；10--)//傅立叶变换

{m＝m/2；nv＝2*nv；

for(it＝0；it＜＝(m-1)*nv；it＝it+nv)

for(j＝0；j＜＝(nv/2)-1；j++)

{p＝pr[m*j]*fr[it+j+nv/2]；

q＝pi[m*j]*fi[it+j+nv/2]；

s＝pr[m*j]+pi[m*j]；

s＝s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2])；

poddr＝p-q；poddi＝s-p-q；

fr[it+j+nv/2]＝fr[it+j]-poddr；

fi[it+j+nv/2]＝fi[it+j]-poddi；

fr[it+j]＝fr[it+j]+poddr；

fi[it+j]＝fi[it+j]+poddi；

}

for(i＝0；i＜＝n-1；i++)//计算模与幅角

{pr[i]＝sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i])；

if(fabs(fr[i])＜0.000001*fabs(fi[i]))

{if((fi[i]*fr[i])＞0)pi[i]＝90.0；

else pi[i]＝-90.0；

}

else

pi[i]＝atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306；

}

return；

}

图3为本发明的滤波器具体实施例电路原理图，电阻R1连接电容C1和C2的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，二极管D1的正极，以及二极管D2的负极，电容C2的另一端连接电阻R2的另一端，二极管D1的负极，以及二极管D2的正极，其中二极管D1、D2的作用是限定信号幅度，超声传感器获取的信号从a进入，通过由电阻R1和电容C1组成的阻容滤波器进入由电阻R2和电容C2组成的信号偶合器，最后由b输出。

图4为本发明的放大器具体实施例电路原理图，如图所示，U1采用型号为AD847的音频运算放大器，其同向输入端b连接滤波器的输出端，U1的反向输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接U1的输出端，电阻R3和R4为反馈电阻，与U1组成一个同向放大电路，放大倍数为十倍，然后由c输出。

图5为本发明的检波器具体实施例电路原理图，如图所示，U2和U3采用型号为AD847的音频运算放大器，U2的同向输入端c连接放大器的输出端，其反向输入端连接电阻R5的一端，R5的另一端连接二极管D4的正极和电阻R6的一端，D4的负极连接U2的输出端和二极管D3的正极。U3的同向输入端连接二极管D3的负极和电阻R7的一端，R7的另一端接地，U3的反向输入端连接电阻R6的另一端和电阻R8的一端，R8的另一端与U3的输出端进行连接，R5、R6、R7和R8为1K电阻，D3和D4采用型号为1N4148的二极管，它们共同组成一个检波电路，其作用是对信号取绝对值，大于0的信号不变，小于0的信号取反，信号由c进入，检波后由d输出。

图6为本发明的平滑处理电路具体实施例电路原理图，如图所示，电阻R9一端为信号输入端d，R9的另一端连接电容C3的一端，C3的另一端接地，电容C3和电阻R9组成一个阻容滤波器，信号经过平滑处理后由e输出。

图7为本发明的有效值转换电路具体实施例电路原理图，其中IC1采用型号AD637的AC到RMS的专用芯片，如图所示，其B1脚连接电容C5的一端和电阻R12的一端，C5的另一端与IC1的COM脚和UTO脚相接，R12的另一端连接IC1的D1脚、RMSut脚和电容C7的一端，C7的另一端与IC1的Cav脚相接，IC1的B0脚连接电阻R10的一端，R10的另一端连接电容C6的一端，C6的另一端连接电阻R11的一端，R11的另一端连接电容C4，C4的另一端与IC1的VIN脚相接，信号经输入端c进入，通过IC1转换由f输出，输出的直流信号为输入信号的有效值。

图8为本发明的峰值检测电路具体实施例电路原理图，如图所示，U4、U5采用型号为AD847的音频运算放大器，U5的同向输入端e连接信号平滑处理电路的输出端，U5的反向输入端连接电阻R14的一端和电阻R13的一端，R13的另一端与U4的反向输入端和输出端相接，R14的另一端连接二极管D5的正极，D5的负极连接U5的输出端和二极管D6的正极，D6的负极连接U4的同向输入端和电容C8的一端，C8的另一端接地，信号经过U4和U5后，其峰值量被保持在电容C8当中，信号由e进入，峰值由f输出。

图9为本发明的频率分量同步电路具体实施例电路原理图，其作用是提供同步市电的触发信号，如图所示，变压器的原边接市电，次边输出9V的交流，其相位与市电相同，IC2采用型号为LM311N的运算放大器，其IN-脚连接电阻R15和R16，OUT脚连接电阻R17的一端和电容C9的一端，电阻R17的另一端连接电阻R18，C9的另一端连接非门，信号通过非门的输出端f输出。

图10为本发明的触发器具体实施例电路原理图，如图所示，型号为LM311N的运算放大器IC3的同向输入端IN+脚连接电阻R19和R20，12V电压被电阻R19和R20分压，IC3的反向输入端IN-脚连接信号平滑处理电路的输出端e，运算放大器作比较器使用，当输入信号超过0.58V的时候，运算放大器IC3的输出端f为低电平。

图11-图13示意了本发明对300KV气体绝缘变电站在无故障、故障类型为颗粒碰撞以及故障类型为局部放电这三种情况下诊断出超声信号的数据对比，由图可知，被测电气设备在颗粒碰撞故障类型的情况下和局部放电故障类型的情况下，信号的有效值、周期峰值、工频相关量及二倍工频相关量的检测数据的变化都被准确地反映了出来。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1、一种超声局放诊断仪，其特征在于包括：

信号采集检测单元，所述的信号采集检测单元用于将超声传感器获取的超声波信号进行采集，并检测反映气体绝缘变电站、电缆终端和接头中的故障的信号有效值、信号峰值、以及信号工频相关量；

2、如权利要求1所述的超声局放诊断仪，其特征在于所述的信号采集检测单元包括：

滤波器，其输入端获取故障超声信号；

放大器，其输入端连接滤波器的输出端；

有效值转换电路，其输入端连接放大器的输出端，输出端连接信号处理显示单元；

检波器，其输入端连接放大器的输出端；

平滑处理电路，其输入端连接检波器的输出端，输出端连接信号处理显示单元；

峰值检测电路，其输入端连接平滑处理电路的输出端，输出端连接信号处理显示单元；

触发器，其输入端与平滑处理电路的输出端连接，输出端连接信号处理显示单元；

频率分量同步电路，其输出端连接信号处理显示单元。

3、如权利要求2所述的超声局放诊断仪，其特征在于所述的信号处理显示单元包括：

数据信号处理器，其输入端与有效值转换电路的输出端、平滑处理电路的输出端、峰值检测电路的输出端、频率分量同步电路的输出端和触发器的输出端进行连接；

显示器，其与数据信号处理器的输出端连接。

4、如权利要求3所述的超声局放诊断仪，其特征在于：所述的滤波器包括电阻R1，R1连接电容C1和C2的一端，电容C1的另一端连接电阻R2的一端，二极管D1的正极，以及二极管D2的负极，电容C2的另一端连接电阻R2的另一端，二极管D1的负极，以及二极管D2的正极；

5、如权利要求3所述的超声局放诊断仪，其特征在于：

6、如权利要求3所述的超声局放诊断仪，其特征在于：

所述的检波器包括音频运算放大器U2和U3，U2的同向输入端连接放大器的输出端，其反向输入端连接电阻R5的一端，R5的另一端连接二极管D4的正极和电阻R6的一端，D4的负极连接U2的输出端和二极管D3的正极，U3的同向输入端连接二极管D3的负极和电阻R7的一端，R7的另一端接地，U3的反向输入端连接电阻R6的另一端和电阻R8的一端，R8的另一端与U3的输出端进行连接；

所述的平滑处理电路包括电阻R9，R9的一端连接U3的输出端，R9的另一端连接电容C3的一端，C3的另一端接地；

7、如权利要求3所述的超声局放诊断仪，其特征在于：

8、一种超声局放诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

9、如权利要求8所述的超声局放诊断方法，其特征在于第一步骤中：

故障信号的有效值的采集检测是按以下操作进行的：首先，信号采集检测单元的滤波器对超声传感器获取的超声信号经过滤波以限定信号的幅度，然后输出至放大器进行十倍放大，放大后的信号进入有效值转换电路以输出信号的有效值；

10、如权利要求9所述的超声局放诊断方法，其特征在于第二步骤中：信号处理显示单元对信号工频相关量的处理显示首先是由数据信号处理器通过傅立叶变换对六十四个点的检测数据取出50HZ和100HZ的工频分量值，然后通过显示器进行显示的。