CN102057284A - 便携式局部放电检测设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于检测和测量电子系统或部件中的局部放电的局部放电检测设备，用于改进的识别和分析，其中电子系统或部件传递形式看起来更象辐射脉冲的信号。该设备尺寸小，整体绝缘且自供电，而且允许以最高的安全性执行测量，而不需要直接连接，由此允许操作人员站在远处并且避免在进行测量时的任何系统停机。此外，它还可以检测并传递同步信号，该同步信号是通过检取放电产生部件的电源电压而获得的。

Description

便携式局部放电检测设备

技术领域

本发明涉及便携式局部放电检测设备，该设备尤其是用于检测和测量电子部件和装置中的局部放电，其中的电子部件和装置例如：中或高压线缆、线缆接头、架空线绝缘体、中和高压交换机盒、利用GIS(气绝缘开关设备)的高和超高压线缆。

背景技术

术语局部放电是指，当电子部件有各种类型的缺陷时，出现在电子部件的介电(绝缘)材料中的电荷不期望的重新组合。在这里，脉冲电流在部分介电材料中产生，并使得电磁波穿过相关电子系统的电源或接地线缆，并辐射通过电磁波所穿过的各种介质(介电材料、金属、空气等)。

局部放电通常是通过利用特殊传感器检测由这种放电产生的信号并由合适的软件分析这种信号来测量的。这些传感器通常检测由于其导电传播而产生的放电；因此，这些传感器应被固定到线缆上或者放置在所测量部件附近，而且常常需要暂时的系统停机。这种传感器包括：偶极子或偶极子阵列天线，“Rogowsky”或者“耦合器变压器”类型的磁传感器；电或磁场接近传感器，其在离源几厘米处运行；声音或压电传感器。所有这些传感器的特征在于特定环境下的高性能，但不够灵活到在任何情况下使用。另一个缺陷是这种传感器的使用需要到干线的直接或者间接连接，用于对放电时工作电压相位进行评估。

不需要到系统的直接连接的用于辐射噪声检测的现有技术包括电或磁场传感器，其中电或磁场传感器利用检取最高幅值信号的共振的原理，甚至不需要任何放大器。这种类型传感器的缺陷包括它们由于共振造成的信号处理困难，关系到所获得脉冲的形式。

因此，需要一种能够克服以上缺陷的局部放电检测设备。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种局部放电检测设备，该局部放电检测设备用于检测和测量产生局部放电的源对象中的这种放电，用于改进的识别和分析，其中源对象例如是电子系统或者部件，该系统或部件传递具有形式看起来更象辐射脉冲的信号。

另一个目的是提供小尺寸、整体绝缘和自供电的设备，该设备允许以最高安全性执行测量，而不需要直接连接到被检查的系统，由此允许操作人员站在远处，而且不需要为了检测而将系统断电。

因此，本发明旨在通过提供用于检测放电源对象中的局部放电的便携式设备来满足以上目标，其中，如权利要求1所定义的，放电源对象包括适于充当电场传感器并且包括第一平面导体的宽带天线，所述第一平面导体与第二导体合作，其中第二导体的轮廓在一个点或者一条线处朝第一平面导体会聚，所述第二导体比要检测的场波长小大约两个量级，因此宽带天线在从大约0.1MHz到大约100MHz的频带内是不共振的。

有利地，本发明的设备是电独立的和便携式的，而且允许对要测试的部件的远程测量，其中没有电流连接而且是以完全安全的方式。

这避免了传感器的任何直接连接，其中，传感器的直接连接需要为了检测而将系统断电随后再重新给电，为了除去传感器而将系统断电，然后再断电。

由于使用了一系列的放大器级，因此可以由所述设备获得的信号具有增加的幅值。

已经发现，该创新性设备的天线的特定实施例对于获得令人满意的结果是非常有利的。

本发明设备的另一个优点包括电容性地检取工作电压的可能性，由此提供远程相位基准，而不需要到电压的任何直接连接。因此，它还可以检测并传递同步信号，该同步信号是通过检取产生放电的源对象的电源电压来获得的。这使得设备电独立而且便携，并且通过使得所获得的脉冲与产生它们的电压同步，允许不进行电流连接就进行测量。

该设备可以连接到现有的获取与分析仪器，象传统的传感器。

该设备可选地可以包括用于所检测到的脉冲的数字获取、分析、显示和存储和/或发送的电子部分。在这种情况下，该设备可以用作完全便携式的仪器。因此，如果该设备配备有获取与存储系统，它就可以处理用于传统局部放电测量的所有信息。

部件的形式和尺寸被设计成用于远程地检取和忠实地再现由局部放电所产生的脉冲。

在诸如风力发电、铁路牵引等领域中，本发明的设备还可以采用中压系统。

除了有利地降低制造成本，性能也比现有技术的设备高，而且局部放电检测的时间缩短了。

所附权利要求公开了本发明的优选实施例。

附图说明

从对局部放电检测设备的一个优选但非排它的实施例的具体描述，本发明的更多特征与优点将更加显然，借助于附图，该局部放电检测设备是作为非限制性例子来描述的，附图中：

图1是本发明的局部放电检测设备的截面图；

图2a、2b、2c和2d分别示出了本发明设备的电场传感器部件的实施例的两个截面图和平面图；

图3a和3b示出了本发明设备的电子电路的部分。

具体实施方式

参考图1，示出了局部放电检测设备，总体上由数字10指明，该设备包括：

-非共振的宽带天线1，其为接收由局部放电产生的脉冲信号进行了优化，

-辅助的磁场传感器2，

-电子宽带放大器3，

-同步电路4，用于检测由电容性耦合检查的系统或部件的电源电压，

-电池8，用于给设备的电路供电，

-控制装置5，用于控制其操作。

所有这些部件都放在便携式容器7中，其中便携式容器7例如具有两个BNC连接器6，或者其它适于检取被检测信号、从其伸出用以可能连接到现有获取或分析仪器的连接器。

宽带天线1设计成在从大约0.1MHz到大约100MHz的相关频带内是非共振的。这确保对被检测脉冲的忠实再现。

这个特征是通过使用具有特殊形状与尺寸特征的特定宽带天线1(“超宽带”天线)获得的。特别地，天线1包括第一平面导体22，即，接地平面，第二导体21放在第一平面导体22的上面，两者之间有一个短距离，其中第二导体21的形状使得其轮廓在一个点或者一条线处朝接地平面22会聚。

根据所选的形状，第二导体21可以是二维或三维的。三维形状是通过旋转二维轮廓获得的。

优选地具有方形或矩形形状的接地平面22的尺寸使得包含至少第二导体21在接地平面22上的突起。第一和第二导体21、22优选地是由导电金属或者聚合物材料形成的。

信号是在接地平面22和第二导体21靠近平面22的点之间检取的。

由于这种配置，如果天线1的(尤其是第二导体21的)整体尺寸比相关现象的波长(例如，大约3-30m)小大约两个量级，那么天线1就是非共振的，同时维持适当的灵敏度。由于其非共振特征，因此如此构建的天线对于频率在几十MHz量级的电磁场是特别灵敏的，这确保对所接收到的脉冲形式的高度忠实再现。

在图2中示出基于环形或者尖头形状轮廓的使用的天线1的优选实施例。

图2a示出了其中第二导体21具有中空球体形状的天线，该球体的直径从例如3cm到30cm变化。

图2b示出了其中第二导体21具有通过挤压形成的中空半圆柱体或者可选地中空圆柱体(见虚线勾勒出的部分)形状的天线。在这种情况下，圆柱体基体的直径从例如3cm到30cm变化。

图2c示出了其中第二导体21具有圆盘形状的天线，该圆盘的直径从例如3cm到30cm变化。

图2d示出了第二导体21具有扁平尖头(平面图的右侧)或者旋转尖头(平面图的左侧)形状的天线，相对于其它变型的轮廓，它具有相反的曲率。在这些变型中，尖头的高度从例如3cm到30cm变化。在旋转尖头形状的情况下，在导体21平行且远离接地平面22的截面中，导体21的直径也落在相同的范围内。

根据优选变型，在图2a、2b和2c的实施例中，第二导体21的直径落在从大约5cm到20cm的范围内。第二导体21放置成离接地平面22大约1mm处，其中接地平面22至少象第二导体21那么大。

宽带天线的整体尺寸优选地包括在大约10×10×10cm的体积内。

第二导体21在相对于接地平面22的位置中由适当截面(例如，大约2-3mm²)的绝缘支撑件23机械地支撑，这也允许从接地平面22的表面24的侧面(即，所述第二导体的相对侧)检取第二导体的信号。放大器电路可以位于所述表面24上。

充当电场传感器的天线1可以与辅助的磁场传感器2串联连接，其中辅助的磁场传感器2例如包括至少一个沿高频铁氧体棒11的纵向延伸绕高频铁氧体棒11缠绕的弯曲部分2’。弯曲部分2’可由铜线形成，而其缠绕的铁氧体棒11具有例如大约5-10cm的纵向延伸。

不象受共振和变形影响的传统天线，这种特定配置允许天线1接收甚至是弱强度的电磁脉冲场，并且忠实地再现它们的形式。

位于天线1的接地平面22的表面24处的辅助磁场2可以与天线1组合使用或者作为其的代替来使用，使得磁性分量可以或者应当更好地评估。因此，利用控制装置5，天线1或者传感器2的端子可以根据需要被短路。天线或电场传感器1和磁场传感器2中的每一个都具有与其并联连接的开关，该开关可以充当旁路它们中任何一个的短路，如图3a的图中所示出的，该图示出了传感器1和2的电子放大器电路的一部分。

辅助的磁场传感器2可以用于检测具有小于10MHz的频带的较慢的现象，或者用于通过移动更靠近线缆或金属箔来磁耦合到运行在它们上的传导信号。

电子宽带放大器3通过调节传感器1和2的阻抗并放大由它们检取的用于弱信号检测的信号来操作。

放大器的输出被引导到位于容器7的一个侧面的BNC连接器6。放大器3具有高输入阻抗(即，几千欧姆)和低输出阻抗(一般是50欧姆)。在相关频带内，它适当地将信号电平增加大约20-40dB，这有可能受滤波器的限制。放大可以利用包括在控制装置5中的电位计来控制。

电子宽带放大器3采用高频运算晶体管和/或放大器，并且优选地特征在于20-30dB的增益，且最小的频带优选地落在从0.5MHz到60MHz的范围内。偏带过滤是由一阶和二阶滤波器执行的，它们具有几十MHz的截止频率，而且最大增益是用户可以调节的。

同步电路4是能够远程且无电流耦合地电容性检测提供给被测量电子部件的AC电压的电子高阻抗电路，其中电子部件产生脉冲现象。这允许被检测脉冲与产生它们的电压的同步。

这种同步电路4包括由导电材料20制成的部分，该部分用于电容性地耦合到场，而且是从天线1的导体21、22中的一个获得的，或者如果设备的壳体或者容器7是由导电材料形成的话则是从设备的壳体或者容器7获得的。这个部分20连接到附加的高阻抗(＞1M欧姆)和高增益放大器，接着是低频滤波器(具有50、60Hz的频率或者其一次谐波)和/或与与检测的电磁场同步的相锁环(例如，PLL电路)。

如此检取并放大的场信号可以被滤波以减少噪声或者干扰。为此，滤波器或者PLL电路是利用模拟或数字电路构造的。在后一种情况下，电路还可以提供关于同步的状态或者质量的指示。如此在同步电路4的输出端处获得的同步信号通过位于容器7一侧的第二BNC连接器6在外部传递。

在优选变型中，同步电路4采用两个运算放大器13、14来获得高增益和高输入阻抗，如图3b中所示，该图例示了电子同步电路的一部分。

信号是由基于微控制器的数字电路15处理的，该数字电路15实现了数字PLL，由此用户可以设置输出波的振荡频率、频带和相位。

可以由金属或塑料材料制成的容器7具有允许其容易地便于携带的总体大小，而且还包括：

-用于给电路供电的电池8的隔间，

-用于选择期望的工作模式的控制装置5，

-用于在测量过程中便于搬送和定向的手柄12。

电池8可以是可重复充电的AA电池，具有外部充电连接器9，以避免为更换而打开容器7，同时确保更好地保护设备不受外部介质影响。控制装置5包括电源开关、增益控制电位计、用于旁路电和磁场传感器的开关、用于指示工作状态和所获得的同步级的LED。可以发送到任何获取或分析仪器的所检测到的电磁脉冲和同步信号通过特殊的连接器(例如，BNC连接器6)在输出端处被传递。如此获得的设备可以连接到具有足够旁带的任何获取系统，例如示波器、获取卡、局部放电监视系统，等等。可选地，本发明的设备可以包括用于获取、处理、存储和/或发送的电子电路，该电子电路包含模数转换器、微处理器和/或可编程逻辑器、用于数据存储的闪速存储器、数据显示器和用于连接到PC的接口(例如，USB、以太网、蓝牙、WiFi等)。在这种情况下，该设备可以获取、处理并存储所检测到的数据，并提供关于这种数据的实时和有可能远程的指示，而且可以用作独立的便携式仪器，适于对被检查的电子系统或部件的现场测量和持续监视。

Claims (16)

1.一种用于检测放电源对象中的局部放电的便携式设备，该便携式设备包括宽带天线(1)，该宽带天线(1)适于充当电场传感器且包括第一平面导体(22)，其中第一平面导体(22)与第二导体(21)合作，第二导体(21)的轮廓在一个点处或者沿一条线朝第一平面导体(22)会聚，其中所述第二导体(21)比要检测的场波长小大约两个量级，使得宽带天线(1)在从大约0.1MHz到大约100MHz的频带内是非共振的。

2.如权利要求1所述的设备，其中第一平面导体(22)的大小使得包含至少第二导体(21)在第一平面导体(22)上的突起。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中第二导体(21)具有三维形状。

4.如权利要求3所述的设备，其中第二导体(21)具有中空球体或中空半圆柱体或中空圆柱体或者旋转尖头的形状。

5.如权利要求1或2所述的设备，其中第二导体(21)具有二维形状。

6.如权利要求5所述的设备，其中第二导体(21)具有圆盘或者扁平尖头的形状。

7.如权利要求4或6所述的设备，其中第二导体(21)具有从3cm到30cm变化的直径或者高度。

8.如前面任何一项权利要求所述的设备，其中辅助磁场传感器(2)与所述宽带天线(1)串联连接。

9.如权利要求8所述的设备，其中提供了宽带放大器(3)，用于调节宽带天线(1)和/或辅助磁场传感器(2)的阻抗，以及用于放大由它们接收到的信号。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述宽带放大器(3)具备高频运算晶体管和/或放大器。

11.如权利要求9所述的设备，其中提供了控制装置(5)，该控制装置包括用于控制所述电子宽带放大器(3)的放大的电位计。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述控制装置(5)还适于短路宽带天线(1)或辅助磁场传感器(2)的端子。

13.如权利要求9所述的设备，其中提供了同步电路(4)，用于通过电容性耦合来检测源对象的电源电压，以使得所检测到的信号与产生它们的电压同步。

14.如权利要求13所述的设备，其中提供了两个BNC连接器(6)，以便分别在外部提供宽带放大器(3)的输出信号和同步电路(4)的输出信号。

15.如权利要求1至13中任何一项所述的设备，其中提供了用于针对所获取信号的获取、处理和存储以及/或者发送的电子电路。

16.如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所有部件都置于便携式容器(7)中，该便携式容器(7)还包括用于给电路供电的电池(8)的隔间。

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