CN101620253A - 电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法，属于电气设备局部放电实验技术领域。本发明装置包括陡脉冲发生器、超高频天线、高频同轴电缆及高采样率示波器，特征是陡脉冲发生器为纳秒脉冲发生器。本发明方法是利用本发明装置和计算机，通过程序，基于时间差法，运用定位原理进行定位计算。本发明具有装置接线简单，其陡脉冲发生器所产生的纳秒脉冲信号，能真实的模拟电气设备局部放电的超高频信号，抗干扰能力强，读取的时差信号的精确性高，进而提高了定位的精准性。本发明可广泛应用于电气设备局部放电超高频定位检测的实验中。

Description

电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法

技术领域

本发明属于电气设备局部放电实验技术领域，具体涉及电气设备局部放电超高频定位检测的实验装置及方法。

背景技术

各种电气设备的稳定运行是电力系统稳定的重要条件之一。运行经验表明，电气设备运行安全的威胁主要来自于绝缘系统，在电气设备的各个部位产生的绝缘缺陷都有可能导致不同程度的局部放电。长期的局部放电会使绝缘劣化，威胁电气设备的安全运行，导致运行中出现故障，影响电力系统的稳定运行。所以对电气设备进行绝缘监测是非常有必要的。局部放电是导致电气设备绝缘劣化的重要原因之一，电气设备内部局部放电源的准确定位可为电气设备的状态维修提供科学的信息与指导，有利于迅速排除故障、避免恶性事故的发生、减少停电带来的损失和降低维修成本，因而备受电力运行部门重视。

现有电气设备局部放电超高频定位检测装置和方法，如《中国电机工程学报》2006年2月第26卷第3期中的“基于辐射电磁波检测的电力变压器局部放电定位研究”一文，公开的变压器局部放电定位系统由模拟放电源、菱形传感器阵列、高频同轴传输线、4通道超高采样率示波器和屏蔽室组成，其局部放电源由压电点火器模拟。公开的定位方法是基于遗传算法的时间差定位算法，即基于多样本的互相关-移位-叠加-互相关算法，在1-5GHz的频率范围内可有效提高时延测量精度。该局部放电定位系统和定位方法的主要缺点是：其中模拟放电源用压电点火器来模拟，由于压电点火器的具体电压等参数的不可测知性和不可调节性，导致对每次模拟放电源发出的波形和相位等参数的不可知，在进一步的定位中，使确定由超高频天线发射、接收后超高频信号波形的时间特征点产生很大困难，进而无法准确获取时延时间。由于模拟放电源的局限性，其采用互相关-移位-叠加-相关时延算法来计算时延信息时，加大了计算的复杂性，且时延测量精度没有明显的提高。又如1994年4月6日公开的申请号为92108470.6的“雪崩晶体管高压方波脉冲发生器”专利，公开的方波脉冲发生器包括直流高压电源延时触发器、负载、两个等值充电电阻、两个结构相同的雪崩晶体管串放电路及两个结构相同的阻容电压补偿电路。该脉冲发生器的主要缺点是：其产生的脉冲信号的幅值是在2kV左右，而局部放电超高频信号幅值在几十伏左右，其幅值不能满足局部放电超高频信号检测的要求；其波形为10纳秒～10微秒之间的方波，但在局部放电超高频信号脉宽为几十个纳秒左右的高斯脉冲。该脉冲发生器产生的信号不能模拟电气设备局部放电超高频信号，因此不能对电气设备的局部放电超高频信号进行定位检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法的不足之处，提供一种电气设备局部放电超高频定位检测装置及方法，具有定位精度高、操作方法简单及计算方便等特点。

本发明的机理是：本发明的陡脉冲发生器是利用通用的射频三极管来构成核心器件，并辅助以电阻和电容等元器件，主要利用射频三极管的雪崩特性，对电容进行充、放电的方式形成纳秒级脉冲。晶体管雪崩区应用的特性参数主要是雪崩上升时间和雪崩脉冲幅度。这两个参数不仅取决于管子本身，而且还与具体的工作电路密切相关，改变电路的储能电容与负载电阻，所对应的输出脉冲幅度是不同的。储能电容对输出脉冲的各项性能都有影响，其值越大，所产生的脉冲幅度越大，但脉冲上升沿、下降沿和脉冲宽度也同时增大；在增大到6pF以后，脉冲幅度的增加已经不明显，而脉冲的宽度和下降时间的增加却很显著，若继续增大电容值，脉冲的性能也会进一步的下降。从理论研究和仿真分析都表明，储能电容对脉冲参数有较大的影响，如想获得较大的幅值，储能电容就应尽量取大值，但同时脉冲的时间参数受影响较大，如想获得较好的时间参数，储能电容应取小，但这时的幅值幅度较小，因此需要在两者之间权衡取舍。由于晶体管的直流参数不能够准确地表征晶体管的雪崩性能，通常，具有较低击穿电压的晶体管具有更快的雪崩上升时间，较高的脉冲重复周期，但所获得的脉冲幅度较低。因此，在使用时需在两者之间权衡。利用双极型晶体管工作在雪崩区的雪崩开关特性，设计了超宽带陡脉冲发生器。经测试，当电源电压在22V左右的时候，晶体管处于雪崩状态，可以获得良好的窄脉冲。在没有加入触发脉冲信号时，电源电压V_CC通过R_C对储能电容C进行充电，两端所充的电压约等于集电结雪崩击穿电压BV_CBO，使得晶体管的集电结偏置在临界雪崩状态。当触发脉冲信号输入时，晶体管发生雪崩击穿，由于雪崩电流很大，又由于电容C储存的电荷很有限(一般电容量只有几皮法至几百皮法)，因此脉冲宽度也有限。也就是说，当开始雪崩以后，由于晶体管本身以及电路分布参数的影响，使得雪崩电流即电容C的放电电流只能逐渐增大；而到达某一峰值后，又由于电容C上电荷的减少使得放电电流逐渐减小。前者形成了脉冲的前沿，而后者则形成了脉冲的后沿。因此，本发明陡脉冲发生器产生的纳秒级陡脉冲信号，能够模拟电气设备局部放电超高频信号。

实现本发明目的的技术方案是：一种电气设备局部放电超高频定位检测装置，包括陡脉冲发生器、超高频天线、高频同轴电缆及高采样率示波器，特征是：陡脉冲发生器为纳秒级脉冲发生器，主要包括射频三极管、输入阻容滤波电路及电容充放电电路。其输入阻容滤波电路为由滤波电阻和滤波电容构成的RC滤波电路；其电容充放电电路由一个充电电容和一个充电电阻及一个放电电阻组成。超高频天线为一个发射超高频天线和四个接收超高频天线，五个超高频天线均为套筒单极子天线。其连接方式为：将外部提供的24V直流电源和1V的方波触发信号，通过导线连接到陡脉冲发生器的输入端，用高频同轴电缆将陡脉冲信号发生器的输出端与发射超高频天线连接。四个接收超高频天线分别通过高频同轴电缆与高采样率示波器连接。其工作过程是：当外部提供的电源信号和触发信号输入陡脉冲发生器时，陡脉冲发生器就产生电气设备局部放电超高频信号，该超高频信号经高频同轴电缆传输至发射超高频天线，并由发射超高频天线发射至空间，再由四个接收超高频天线各自接收一部分超高频信号，经高频同轴电缆输入至高采样率示波器。由于陡脉冲发生器所产生的纳秒级陡脉冲信号波形优良，重复性好，再加之整个系统的抗干扰性能强。最后在高采样率示波器上显示的四路超高频信号波形相当清晰，可以直接从高采样率示波器上读取任意两路波形之间的时间差，为定位的精度提供了可靠的数据，从而保证了定位的准确度。

一种电气设备局部放电超高频定位检测方法，利用本发明装置和计算机，通过程序，基于时间差法，运用定位原理计算出陡脉冲发生器的坐标位置，具体步骤如下：

(1)实验准备

①陡脉冲发生器的外围连接

实验时，先将外部提供的输入信号的幅值24V直流电源信号和幅值为1V、频率1kHz的方波触发信号，通过导线与陡脉冲发生器的输入端连接。

②发射部分连接

实验时，用高频同轴电缆将陡脉冲发生器的输出端与超高频发射天线连接，用来发射陡脉冲发生器产生的超高频信号，将超高频信号发射到空间中。

③接收部分连接

实验时，用高频同轴电缆将四个超高频接收天线分别与高采样率示波器连接。这四个超高频接收天线用来在不同位置接收由超高频发射天线发出的超高频信号，进而将信号输入至高采样率示波器中进行分析和处理。

(2)启动输入信号

第(1)步完成后，启动陡脉冲发生器的电源信号和触发信号等输入信号后，高采样率示波器检测到由四路超高频接收天线接收到的超高频信号。

(3)获取时延时间

第(2)步完成后，由于本装置陡脉冲发生器产生的超高频陡脉冲信号的波形优良、重复性好。整个系统的抗干扰能力强。所以直接从高采样率示波器中读得任意两路超高频信号之间的时间差，所读得的时延时间精度高、准确度高，用来为基于时间差方法的定位计算提供基础数据。

(4)定位计算

第(3)步完成后，根据第(3)步读得的任意两路超高频信号的时间差，通过程序，应用定位原理，进行陡脉冲发生器的定位计算如下：

设：陡脉冲发生器的坐标为P(x，y，z)，接收超高频天线的坐标为S_i(x_i，y_i，z_i)，陡脉冲发生器到接收超高频天线的传播时间为t_i，则有：

$t_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}/c---\left(1\right)$

式中：c为超高频电磁波在空间中的传播速度。任两个接收超高频天线的相对时差为τ_1i＝t_i-t₁(i＝1，…，4；)。通过测出3个相对时差τ_1i、波速c及各接收超高频天线坐标时，则由式(1)可求出陡脉冲发生器的坐标位置。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

(1)本发明装置接线简单，陡脉冲发生器所产生的纳秒级陡脉冲信号能真实的模拟实际电气设备发生局部放电的超高频信号。并能提供一个已知的、波形重复性好及干扰少的超高频信号。

(2)由于本发明采用阻抗为50欧姆SYV-50-5高频同轴电缆，其抗干扰能力强且衰减小，对信号的采集奠定了坚实的基础。提高了整个装置的抗干扰能力。

(3)本发明的高采样率示波器，由于其采样率高，存储容量大、带宽宽及功能强大等优点，保证了信号读取时差信号的准确性和精确性高，进而提高了定位的精确性。

本发明可广泛应用于电气设备局部放电超高频定位检测的实验中。、

附图说明

图1为本发明装置的原理图；

图2为本发明装置的陡脉冲发生器电路原理图；

图3为图2的等效电路图；

图4为本发明方法的程序流程框图；

图5为本发明装置的陡脉冲发生器产生的脉冲实测波形图；

图6为本发明装置的高采样率示波器显示的两信号时间差实测波形图。

图中：1陡脉冲发生器；2高频同轴电缆；3发射超高频天线；4接收超高频天线；5高采样率示波器；C₁滤波电容；R_B滤波电阻；R_C充电电阻；C充电电容；R_L放电电阻；C₀等效电容；R₀等效电阻；L₀等效电感。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

如图1～6所示，一种电气设备局部放电超高频定位检测实验装置，包括陡脉冲发生器1、超高频天线3、4、高频同轴电缆2及高采样率示波器5，特征是：陡脉冲发生器1为纳秒级脉冲发生器，主要包括射频三极管、输入阻容滤波电路及电容充放电电路。其射频三极管的型号为BFG480W，在22V左右就能达到雪崩击穿而产生窄脉冲；其输入阻容滤波电路为由阻值为1kΩ的滤波电阻R_B和电容量为0.5μF的滤波电容C₁构成的RC滤波电路；其电容充放电电路由一个电容量为20pF的充电电容C和一个阻值为1kΩ的充电电阻R_C及一个阻值为50Ω的放电电阻R_L组成。超高频天线为一个发射超高频天线3和四个接收超高频天线4，五个超高频天线均为套筒单极子天线，此天线驻波比小于2的带宽为350MHz-500MHz，中心频率为425MHz。高频同轴电缆2为波阻抗为50Ω型号为SYV-50-5的低损耗同轴电缆。为保证定位系统对陡脉冲信号的时延测量精度，采用了1GHz模拟带宽、最大采样率20GS/s、双路存储容量48MB的高采样率示波器5。其连接方式为：将外部提供的24V直流电源和1V的方波触发信号，通过导线连接到陡脉冲发生器1的输入端，用高频同轴电缆2将陡脉冲发生器1的输出端与发射超高频天线3连结起来。四个接收超高频天线4分别通过高频同轴电缆2与高采样率示波器5连接。其工作过程是：当外部提供的电源信号和触发信号输入陡脉冲发生器1时，陡脉冲发生器1就产生电气设备局部放电超高频信号，该超高频信号经高频同轴电缆2传输至发射超高频天线3，并由发射超高频天线3发射至空间，再由四个接收超高频天线4各自接收一部分超高频信号，经高频同轴电缆2输入至高采样率示波器5。由于陡脉冲发生器1所产生的纳秒级陡脉冲信号波形优良，重复性好，再加之整个系统的抗干扰性能强。最后在高采样率示波器5上显示的四路超高频信号波形相当清晰，可以直接从高采样率示波器5上读取任意两路波形之间的时间差，为定位的精度提供了可靠的数据，从而保证了定位的准确度。

如图5所示，一种电气设备局部放电超高频定位检测方法的具体步骤如下：

(1)实验准备

①陡脉冲发生器的外围连接

实验时，先将外部提供的输入信号的幅值24V直流电源信号和幅值为1V、频率1kHz的方波触发信号，通过导线与陡脉冲发生器1的输入端连接。

②发射部分连接

实验时，用高频同轴电缆2将陡脉冲发生器1的输出端与发射超高频天线3连接，用来发射陡脉冲发生器1产生的超高频信号，将超高频信号发射到空间中。

③接收部分连接

实验时，用高频同轴电缆2将四个超高频接收天线4分别与高采样率示波器5连接。这四个接收超高频天线4用来在不同位置接收由发射超高频天线3发出的超高频信号，进而将信号输入至高采样率示波器5中进行分析和处理。

(2)启动输入信号

第(1)步完成后，启动陡脉冲发生器1的电源信号和触发信号等输入信号后，高采样率示波器5检测到由四路接收超高频天线4接收到的超高频信号。

(3)获取时延时间

第(2)步完成后，由于本装置陡脉冲发生器1产生的超高频陡脉冲信号的波形优良、重复性好。整个系统的抗干扰能力强。所以直接从高采样率示波器5中读得任意两路超高频信号之间的时间差，此读得的时延时间精度高、准确度高，用来为基于时间差方法的定位计算提供基础数据。

(4)定位计算

第(3)步完成后，根据第(3)步读得的任意两路超高频信号的时间差，通过程序，应用定位原理，进行陡脉冲发生器的定位计算如下：

设陡脉冲发生器1的坐标为P(x，y，z)，接收超高频天线4的坐标为S_i(x_i，y_i，z_i)，陡脉冲发生器1到接收超高频天线4的传播时间为t_i，则有：

$t_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}/c---\left(1\right)$

式中：c为超高频电磁波在空间中的传播速度。任两个接收超高频天线4的相对时差为τ_1i＝t_i-t₁(i＝1，…，4；)。通过测出3个相对时差τ_1i、波速c及各接收超高频天线4坐标时，则由式(1)可求出陡脉冲发生器1的坐标位置。

Claims (3)

1.一种电气设备局部放电超高频定位检测装置，包括：陡脉冲发生器(1)、超高频天线(3、4)、高频同轴电缆(2)及高采样率示波器(5)，超高频天线(3、4)为套筒单极子天线，其特征在于：陡脉冲发生器(1)为纳秒级脉冲发生器，主要包括射频三极管、输入阻容滤波电路及电容充放电电路，其输入阻容滤波电路为由滤波电阻(R_B)和滤波电容(C₁)构成的RC滤波电路，其电容充放电电路由一个充电电容(C)和一个充电电阻(R_C)及一个放电电阻(R_L)组成，超高频天线为一个发射超高频天线(3)和四个接收超高频天线(4)，其连接方式为：将外部提供的24V直流电源和1V的方波触发信号，通过导线连接到脉冲信号发生器(1)的输入端，用高频同轴电缆(2)将脉冲信号发生器(1)的输出端与发射超高频天线(3)连结，再将四个接收超高频天线(4)分别通过高频同轴电缆(2)与高采样率示波器(5)连接。

2.按照权利要求1所述的电气设备局部放电超高频定位检测装置，其特征在于所述的陡脉冲发生器(1)中的射频三极管的型号为BFG480W，滤波电阻(R_B)的阻值为1kΩ，滤波电容(C₁)的电容量为0.5μF，充电电容(C)的电容量为20pF，充电电阻(R_C)的阻值为1kΩ，放电电阻(R_L)的阻值为50Ω；所述的高频同轴电缆(2)为波阻抗为50Ω的低损耗同轴电缆；所述的高采样率示波器(5)模拟带宽为1GHz、最大采样率为20GS/s、双路存储容量为48MB。

3.一种电气设备局部放电超高频定位检测方法，利用本发明装置、计算机，通过程序，进行定位计算，其特征在于具体的方法步骤如下：

(1)实验准备

①陡脉冲发生器的外围连接

实验时，先将外部提供的输入信号的幅值为24V直流电源信号和幅值为1V、频率1kHz的方波触发信号，通过导线与陡脉冲发生器(1)的输入端连接；

②发射部分连接

实验时，用高频同轴电缆(2)将陡脉冲发生器(1)的输出端与发射超高频天线(3)连接；

③接收部分连接

实验时，用高频同轴电缆(2)将四个超高频接收天线(4)分别与高采样率示波器(5)连结起来；

(2)启动输入信号

第(1)步完成后，启动陡脉冲发生器(1)的电源信号和触发信号输入信号后，高采样率示波器(5)检测到由四路接收超高频天线(4)接收到的超高频信号；

(3)获取时延时间

第(2)步完成后，直接从高采样率示波器(5)中读得任意两路超高频信号之间的时间差；

(4)定位计算

第(3)步完成后，根据第(3)步读得的任意两路超高频信号的时间差，通过程序，应用定位原理，进行陡脉冲发生器的定位计算。

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