CN101776726A - 一种uhf局部放电检测系统的信号接收调理器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，包括用于对接收的射频信号进行带通滤波和信号放大，获得宽带放大信号的宽带放大模块、用于输出所述宽带放大信号的宽带检波输出模块、智能开关模块和选频调理输出模块；所述智能开关模块用于在所述特定干扰环境时，将所述宽带放大信号输出至所述选频调理输出模块。所述选频调理输出模块用于使所述宽带放大信号与预先设定的本振信号进行混频处理，并根据局部放电辐射信号的频谱对混频获得的中频信号作滤波处理，在所述中频信号中提取所述局部放电辐射信号。本发明提供的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器结合了宽带放大检波和混频技术，从检测现场的射频信号中提取局部放电辐射信号，过滤干扰信号，以达到使系统达到最佳的检测灵敏度，并为检测系统提供复杂抗干扰能力的硬件基础。

Description

一种UHF局部放电检测系统的信号接收调理器

技术领域

本发明涉及一种UHF局部放电检测系统的信号接收调理器。

背景技术

局部放电(partial discharge)是指电力设备绝缘部分在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。每一次局部放电都会对绝缘介质的绝缘强度有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

在绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应，并引起局部发热等现象，利用这些现象衍生出很多在线检测局部放电现象的方法，特高频(UHF-Ultra High Frequency)局部放电检测技术其中一种对电力设备的局部放电进行在线检测的手段。

UHF局部放电检测技术检测电力设备的内部局部放电的原理为：利用特高频探头接收电力设备内部由局部放电辐射出的特高频波段的电磁波，从而根据所述电磁波判断电力设备内部由局部放电的情况。由于UHF局部放电检测技术的检测灵敏度高，适用范围广，因此被业界广泛采用。

然而利用UHF局部放电检测时，由于检测现场环境具有多种噪声，由于电力设备的运行现场往往存在复杂的电磁环境，有较多的随机性宽带、窄带干扰源，如手机信号、无线电或电视信号、汽车马达、导线电晕、现场施工电焊机及照明光源、高压出线端部的悬浮性放电、临近设备上的放电等等，这些都对电力设备局部放电现场检测造成较大的影响。因此，如何抑制干扰并提高检测灵敏度，成为UHF局部放电检测系统现场应用的瓶颈。

UHF局部放电检测系统的的信号接收调理器通常的做法为对现场检测到的输入信号进行宽带放大滤波，宽带放大检波的原理为：首先对输入信号进行带通滤波，滤波的频带范围一般对应局部放电产生的特高频信号频率设置为500M～1500MHz和400M～800MHz两种；然后在所述两种滤波频带范围内对信号进行增益放大；最后对放大后的信号进行检波处理，检波的目的是对高频信号进行降频变换和提取波形的包络波形、峰值以及相位，以便进行分析。检波处理后的信号即可传输到后续的检测系统进行AD变换、记录和分析处理。

直接的宽带放大滤波处理虽然能够在局部放电产生的特高频信号的频段进行滤波、放大，从而提高信噪比，然而由于需要针对多种放电类型进行全面的检测，所以直接的宽带放大滤波处理设置的滤波频带范围一般比较宽，在这个滤波频带范围内还可能包括其他噪声的频率，所以在UHF局部放电检测系统中使用直接的宽带放大滤波处理技术的抗干扰能力较低，降低检测的准确度。

发明内容

为解决现有技术UHF局部放电检测系统的信号接收调理器抗干扰能力较低的问题，本发明提供一种抗干扰能力较高的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器。

一种UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，包括宽带放大模块、宽带检波输出模块、智能开关模块和选频调理输出模块。所述宽带放大模块用于对接收的射频信号在预先设定的频带上进行带通滤波和信号放大，获得宽带放大信号；所述宽带检波输出模块用于输出其接收到的所述宽带放大信号；所述选频调理输出模块用于对接收到的所述宽带放大信号进行下混频处理，其中，所述下混频处理的本振信号的频率根据所述宽带放大信号中的局部放电辐射信号的频带设定，然后对经过下混频处理后的信号进行低通滤波处理；所述智能开关模块连接于所述宽带放大模块的输出端，用于接收所述宽带放大模块产生的宽带放大信号，并在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例不超过预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块，在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过所述预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块。

与现有技术相比较，本发明提供的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器结合了宽带放大检波和混频技术，所述宽带放大模块对电力设备检测现场接收到的信号进行宽带滤波和信号放大，初步选取局部放电辐射信号的频谱对应范围内的信号。然后，在所述智能开关模块的控制下，当在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例不超过预定值时，则将所述宽带放大信号传送至所述宽带检波输出模块直接输出，由于输出信号是宽带信号，所以输出信号可以包含局部放电辐射信号的宽带信息，使检测效果更加全面。而当所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过预定值时，则将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块作更精确的选频定位，可根据需要检测的局部放电辐射信号的频带集中区域设置混频的本振信号的频率，通过混频处理对需要检测的局部放电辐射信号进行频谱搬移，再用滤波处理进一步过滤干扰信号，提取所述局部放电辐射信号，增强所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的结构示意图；

图2是本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的一个优选实施方式的结构示意图；

图3所示为一种常见的手机干扰信号的波形；

图4为本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的选频调理输出模块的工作原理图。

其中，20UHF局部放电检测系统的信号接收调理器；

21宽带放大模块；

211带通滤波器；

213放大器；

215PIN限幅器；

216第一耦合器；

217自动增益控制；

218数控衰减器；

23智能开关模块；

25选频调理输出模块；

251混频器；

253低通滤波器；

254衰减器；

255中频放大器；

256第一检波器；

257运算放大器；

27宽带检波输出模块；

271第二耦合器；

273第一宽带信号输出端；

275第二检波器；

277宽带信号放大器；

279第二宽带信号输出端。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的结构示意图。

所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20的结构包括：宽带放大模块21、智能开关模块23、选频调理输出模块25和宽带检波输出模块27。

所述宽带放大模块21用于对接收的射频信号在预先设定的频带上进行带通滤波和信号放大，获得宽带放大信号；

所述智能开关模块23连接于所述宽带放大模块21的输出端，接收所述宽带放大模块21产生的宽带放大信号，并在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块27或者所述选频调理输出模块25；

所述宽带检波输出模块27用于输出所述宽带放大信号；

所述选频调理输出模块25连接所述智能开关模块23，用于使所述宽带放大信号与预先设定的本振信号进行混频处理，其中，所述下混频处理的本振信号的频率根据所述宽带放大信号中的局部放电辐射信号的频带设定，使所述宽带放大信号中包含的所述局部放电辐射信号的频率分量线性搬移到低频带，并对混频后的信号进行低通滤波处理，提取所述局部放电辐射信号。

请参阅图2，图2是本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的一个优选实施方式的结构示意图。

所述宽带放大模块21包括用于对接收的射频信号在预先设定的频带上进行带通滤波的带通滤波器211和用于对所述带通滤波器211的输出信号进行信号放大的放大器213。

所述带通滤波器211的工作频带根据需要检测的局部放电辐射信号的频带设定，在本实施方式中，所述带通滤波器211的工作频带为200MHz至2GHz。所述放大器对输入信号的电平增益大于等于40dB。

在本实施方式中，为提高所述宽带放大模块21的性能，所述宽带放大模块21进一步包括第一耦合器216、自动增益控制装置217(AGC-AutomaticGain Control)和数控衰减器218，所述数控衰减器218的输入端通过所述第一耦合器216连接所述带通滤波器211的输出端，所述数控衰减器218的输出端连接所述放大器213的输入端，所述数控衰减器218的控制端通过所述自动增益控制装置217和所述第一耦合器216连接所述带通滤波器211的输出端。

所述自动增益控制装置217根据所述第一耦合器216的输出，控制调整所述数控衰减器218的衰减量，对所述输入信号的功率进行自动调整，控制所述输入信号的功率保持在预设范围内，确保输入的信号强度在检测范围内，同时可以防止输入信号的强度过大而导致后续电路损坏。

所述宽带放大模块21进一步包括PIN限幅器215，其连接于所述带通滤波器211的输入端，限制接收的射频信号的电平，防止幅值过高的噪声信号输入到所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20。

所述智能开关模块23连接于所述宽带放大模块21的输出端，接收所述宽带放大模块21产生的宽带放大信号，并在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例不超过预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块27，在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过所述预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块25。

进一步地，所述智能开关模块23接收所述宽带放大信号(或者反馈所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20的输出信号)，根据所述宽带放大信号与预先记录的噪声干扰信号做相关运算获得的相关系数作为判断根据。请参阅图3，图3所示为一种常见的手机干扰信号的波形。

假设所述预设的检测周期内所述相关系数小于预设值的次数为NS，所述相关系数大于预设值的次数为NN。在一个预设的检测周期内，如果NS和NN满足下述条件：

NS/(NS+NN)≤ρ2；

并且，NN＞NNmax；

则，所述智能开关模块23将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块25，否则所述智能开关模块23将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块27。

其中，上式的ρ2为预先设定的比较系数，可根据检测精度和实际检测现场的噪声环境具体设置，NS/(NS+NN)≤ρ2，表明所述预设的检测周期内所述宽带放大信号中的噪声干扰信号以预先储存的噪声干扰信号为主；NNmax为预先设定的所述预设的检测周期内噪声干扰脉冲次数的最大值，可以根据多个所述预设检测周期内噪声干扰的脉冲次数的平均值设定，NN＞NNmax表明所述预设的检测周期内所述宽带放大信号中的噪声干扰信号的脉冲次数过多，淹没局部放电辐射脉冲。

所述智能开关模块可以连接一个在所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20之外的检测系统分析控制单元(图未示)，所述检测系统分析控制单元不包含在本UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20中，但与UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20协同配合工作。所述智能开关模块的储存噪声干扰信号以及判断的功能可由与其连接的所述检测系统分析控制单元完成。

所述预先记录的噪声干扰信号可以根据所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20应用的检测现场环境噪声而设定，可以预先记录多种在检测现场常见的噪声信号，然后将所述宽带放大信号与预先记录的每一种噪声信号一一作相关运算，记录相关系数。所述宽带放大信号只要与任何一个预先储存的噪声信号的相关系数大于预设值，即认为所述宽带放大信号主要以噪声干扰为主，因此将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块25中作进一步处理，更精确地选择在所述局部放电辐射信号的频带集中区域的信号。当所述宽带放大信号与任何一个预先储存的噪声信号的相关系数都小于预设值时，则认为所述宽带放大信号主要以局部放电辐射信号为主，将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块27直接输出或者送至检波后输出。

所述选频调理输出模块25包括用于对所述宽带放大信号进行混频处理的混频器251，以及用于在所述中频信号中提取所述局部放电辐射信号对应的频带的低通滤波器253。

其中，所述混频器251的本振信号的频率设置在200MHz至1200MHz之间，具体可根据所述宽带放大信号中的所述局部放电辐射信号的频带起始点，或者所述局部放电辐射信号的频带集中区域调整设定，使所述宽带放大信号中的所述局部放电辐射信号的频谱线性搬移到低频带。所述低通滤波器253连接于所述混频器251之后，所述低通滤波器253的工作频带为0至30MHz。

通过所述混频器251的混频处理，所述局部放电辐射信号的频带被线性搬移至0至30MHz的低频段，再通过所述低通滤波器253的滤波处理，将处于低频段的局部放电辐射信号的频谱提取出来。通过调整所述混频器251的本振信号的频率设定，或者使所述本振频率在200MHz至1200MHz之间连续扫描，即可将选择对所述宽带放大信号中包含的不同频率的信号进行频谱搬移，也可调整所述低通滤波器的工作频带对混频后出现在不同频带的局部放电辐射信号进行滤波，检测多种类型的局部放电辐射信号。从而实现对选频的较精确的定位，减少其他频率相近的噪声信号的干扰。本发明UHF局部放电检测系统的信号接收调理器20的选频调理输出模块25的工作原理图如图4所示。

由图4所示可知，所述原始输入信号中拟提取的局部放电辐射信号频谱被搬移到低频区，可以通过低通滤波器253在混频后的信号中提取出来。

所述选频调理输出模块还包括衰减器254、中频放大器255、第一检波器256和运算放大器257，所述衰减器254连接于所述智能开关模块23与所述混频器251之间，用于降低输入的所述宽带放大信号的电平幅度，并将所述宽带放大信号传输至所述混频器251；所述中频放大器255用于对所述混频器251的输出信号进行信号放大，并将经过放大处理的信号输出至所述低通滤波器253。

所述第一检波器256用于将所述低通滤波器253输出的信号进行检波处理。通过检波处理将频率较高的信号进行降频变换和提取信号的包络波形，方便对信号进行分析。

所述宽带检波输出模块27通过所述智能开关模块23连接所述宽带放大模块21，用于输出所述宽带放大信号。所述宽带检波输出模块27包括第二耦合器271、第一宽带信号输出端273、第二检波器275、宽带信号放大器277和第二宽带信号输出端279。

所述第二耦合器271用于从所述智能开关模块23接收所述宽带放大信号，并将所述宽带放大信号传输至所述第一宽带信号输出端273和所述第二检波器275。

所述第二检波器275的输入端连接所述第二耦合器271的输出端，所述第二检波器275的输出端连接所述宽带信号放大器277，用于对所述宽带放大信号进行检波处理后，将所述宽带放大信号通过所述宽带信号放大器277传输至所述第二宽带信号输出端279输出。通过检波处理将所述宽带放大信号进行降频变换和提取信号的包络波形，方便对信号进行分析。

所述宽带检波输出模块27包括两个宽带信号输出端，所述第一宽带信号输出端273可直接输出所述宽带放大信号，所述第二宽带信号输出端279则输出所述宽带放大信号经过检波处理后的信号，可根据实际检测需要选择不同的输出端，提高使用的灵活性。

与现有技术相比较，本发明的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器中，所述宽带放大模块对电力设备检测现场接收到的信号进行宽带滤波和信号放大，初步选取局部放电辐射信号的频谱对应范围内的信号。然后，通过所述智能开关模块，在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例小于预定值时，则将所述宽带放大信号传送至所述宽带检波输出模块直接输出，由于输出信号是宽带信号，所以输出信号可以包含局部放电的辐射信号的宽带频谱，使检测效果更加全面。而当所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过预定值时，则将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块作更精确的选频定位，根据需要检测的局部放电辐射信号的频带集中区域设置所述本振信号的频率，通过混频处理对需要检测的局部放电辐射信号进行频谱搬移，再用滤波处理进一步过滤干扰信号，提取所述局部放电辐射信号，增强所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器的抗干扰能力。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，包括宽带放大模块和宽带检波输出模块；

所述宽带放大模块用于对接收的射频信号在预先设定的频带上进行带通滤波和信号放大，获得宽带放大信号；

所述宽带检波输出模块用于输出其接收到的所述宽带放大信号；

其特征在于：所述UHF局部放电检测系统的信号接收调理器进一步包括智能开关模块和选频调理输出模块；

所述选频调理输出模块用于对接收到的所述宽带放大信号进行下混频处理，其中，所述下混频处理的本振信号的频率根据所述宽带放大信号中的局部放电辐射信号的频带设定，然后对经过下混频处理后的信号进行低通滤波处理；

所述智能开关模块连接于所述宽带放大模块的输出端，用于接收所述宽带放大模块产生的宽带放大信号，并在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例不超过预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块，在所述宽带放大信号中的噪声干扰的比例超过所述预定值时，将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块。

2.如权利要求1所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述选频调理输出模块包括用于对所述宽带放大信号进行混频处理的混频器，所述混频器的本振信号的频率在200MHz至1200MHz之间。

3.如权利要求2所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述选频调理输出模块进一步包括用于对混频后的信号进行低通滤波处理的30MHz低通滤波器，所述低通滤波器的输入端与所述混频器的输出端连接。

4.如权利要求3所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述选频调理输出模块进一步包括中频放大器和第一检波器，所述中频放大器连接于所述混频器与所述低通滤波器之间，用于对所述混频器输出的信号进行信号放大，并将所述混频器输出的信号传送至所述低通滤波器；所述第一检波器用于将所述低通滤波器输出的信号进行检波处理。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述宽带放大模块包括用于对接收的射频信号在预先设定的频带上进行带通滤波的带通滤波器，所述带通滤波器的工作频带为200MHz至2GHz。

6.如权利要求5所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述宽带放大模块进一步包括用于对所述带通滤波器的输出信号进行信号放大的放大器，所述放大器的增益大于等于40dB。

7.如权利要求6所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述宽带放大模块进一步包括PIN限幅器，其连接于所述带通滤波器的输入端，限制所述接收的射频信号的电平幅值。

8.如权利要求7所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述宽带放大模块进一步包括第一耦合器、自动增益控制装置和数控衰减器，所述数控衰减器的输入端通过所述第一耦合器连接所述带通滤波器的输出端，所述数控衰减器的输出端连接所述放大器的输入端，所述数控衰减器的控制端通过所述自动增益控制和所述第一耦合器连接所述带通滤波器的输出端。

9.如权利要求1至4所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：所述宽带检波输出模块包括第二耦合器、第一宽带信号输出端、第二检波器、宽带信号放大器和第二宽带信号输出端，所述第二耦合器用于接收所述宽带放大信号，并将所述宽带放大信号输出至所述第一宽带信号输出端和所述第二检波器，所述第二检波器用于对所述宽带放大信号进行检波处理后，将所述宽带放大信号通过所述宽带信号放大器传输至所述第二宽带信号输出端输出。

10.如权利要求1至4所述的UHF局部放电检测系统的信号接收调理器，其特征在于：在一个预设的检测周期内，当满足下述条件时，所述智能开关模块将所述宽带放大信号传输至所述选频调理输出模块，否则将所述宽带放大信号传输至所述宽带检波输出模块：

NS/(NS+NN)≤ρ2；

并且，NN＞NNmax；

其中，NS为所述预设的检测周期内所述相关系数小于预设值的次数，NN为所述预设的检测周期内所述相关系数大于预设值的次数，ρ2为预先设定的比较系数，NNmax为预先设定的所述预设的检测周期内噪声干扰脉冲次数的最大值。

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