CN102778640B - 一种便携式多功能地电波信号发生器 - Google Patents

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张伟
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Abstract

本发明涉及一种便携式多功能地电波信号发生器,包括绝缘外壳,以及设置在所述绝缘外壳中的下述部件:脉冲信号发生器,用于产生脉冲地电波信号;第一地电波发射电极,与所述脉冲信号发生器连接,用于将所述脉冲信号发生器产生的脉冲地电波信号发射出去;延时元件,与所述脉冲信号发生器相连接,用于将所述脉冲信号发生器产生的脉冲地电波信号进行延时;第二地电波发射电极,与所述延时元件相连接,用于将所述经延时后的脉冲地电波信号发射出去;电源单元,用于为所述脉冲信号发生器供电。本发明实施具有多功能、容易携带及安全性高等优点。

Description

一种便携式多功能地电波信号发生器
技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备智能化技术及其应用领域,特别是涉及一种用于高压开关柜 非侵入式局部放电监测的便携式多功能地电波信号发生器。
背景技术
[0002] 近些年来,一种先进的非侵入式高压开关柜类设备内部局部放电监测技术在电力 企业获得了越来越多的应用,通过在这些设备的外壳表面短时或长期安置地电波传感器, 通过测量外表面地电波信号的强度和活动频率就可以实现对开关柜绝缘状态监测和故障 状态的监测。
[0003] 然而,上述监测方法在实际应用中还存在若干技术问题尚待解决:1)无法确保地 电波传感器性能的一致性,可能造成绝缘状态的误判;2)在开展局部放电定位时无法准确 评估传感器之间地电波信号传播的时间差,影响放电定位的准确性和效率;3)不能准确评 估地电波信号沿着开关柜表面的衰减系数,影响放电位置和放电强度的准确评估。因此,如 何设计和制作一种安全、便携、高效的新的多功能地电波信号发生器,解决目前高压开关柜 局部放电监测系统在电力企业的应用实践中存在的问题,实属当前业界的重要研究课题之 〇
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于,提供一种多功能地电波信号发生器,具有安全 性高、容易便携、应用广泛等特点,以克服现有技术中监测系统在电力企业的应用实践中技 术方面存在的不足和困难。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种便携式多功能地电波信号发生器, 包括绝缘外壳,以及设置在所述绝缘外壳中的下述部件:
[0006] 脉冲信号发生器,用于产生脉冲地电波信号;
[0007] 第一地电波发射电极,与所述脉冲信号发生器连接,用于将所述脉冲信号发生器 产生的脉冲地电波信号发射出去;
[0008] 延时元件,与所述脉冲信号发生器相连接,用于将所述脉冲信号发生器产生的脉 冲地电波信号进行延时;
[0009] 第二地电波发射电极,与所述延时元件相连接,用于将经所述延时元件延时后的 脉冲地电波信号发射出去;
[0010] 电源单元,用于为所述脉冲信号发生器供电;
[0011] 其中,所述第一地电波发射电极以及第二地电波发射电极均包括:
[0012] 圆形PCB基板;
[0013] 在所述圆形PCB基板的一面上敷设有铜箔;
[0014] 在所述圆形PCB基板的另一面上形成有一个带缺口的圆环,以形成了一个磁偶极 子天线;所述缺口的一端为信号输入端,用于连接所述脉冲信号发生器或者所述延时元件, 所述缺口的另一端接地。
[0015] 优选地,所述脉冲信号发生器进一步包括:
[0016] 高速电子开关K21,其一端与所述电源单元相连接;
[0017] 第一电感L21,其一端与所述高速电子开关K21另一端相连接,且通过第一电容 C21接地;
[0018] 第二电感L22,其一端与所述第一电感L21的另一端相连接,且通过第二电容C22 接地;
[0019] 第三电感L23,其一端与所述第二电感L22的另一端相连接,且通过第三电容C23 接地;
[0020] 第四电感L24,其一端与所述第三电感L23的另一端相连接,且通过第四电容C24 接地,其另一端为输出端,通过第一电阻R21接地。
[0021] 优选地,所述圆形PCB基板的半径是所述圆环半径的2~3倍,且两者的圆心重合。
[0022] 优选地,所述延时元件为由一定长度的同轴电缆形成的延时线。
[0023] 优选地,所述电源单元为可充电电池,所述可充电电池通过绝缘外壳上的插头与 外部充电器连接。
[0024] 优选地,所述的绝缘外壳采用环氧树脂材质,所述设置在绝缘外壳上的插头为香 蕉插头。
[0025] 实施本发明的实施例,具有如下有益效果:
[0026] 1、本发明采用非侵入式设计,地电波信号发生器的外壳采用环氧树脂材质材料, 具有10kV的绝缘水平,因此监测人员可以非常安全地操作该仪器;
[0027] 2、本发明的地电波信号发生器,可以做得很小,便于携带;
[0028] 3、本发明实施例的地电波信号发生器采用两个地电波发射电极,且该两个地电波 发射电极之间存在一个固定的延时。在进行现场监测时,操作人员只需将两个地电波传感 器贴在该地电波发生器的相应的地电波发射电极位置处,即可知道两个地电波传感器的性 能是否一致和稳定;将本发明实施例的地电波信号发生器和两个地电波传感器贴在高压开 关柜的外表面的不同位置处,即可以获得两个地电波传感器之间的时间差以及地电波信号 沿开关柜表面传播时的衰减系数。大大提高了工作人员监测的效率、局部放电定位的精度 和状态评估的可靠性。
附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0030] 图1是本发明便携式多功能地电波信号发生器的一个实施例的组成方框示意图。
[0031] 图2是本发明便携式多功能地电波信号发生器的一个实施例中脉冲信号发生器 的电路结构示意图。
[0032] 图3是本发明便携式多功能地电波信号发生器的一个实施例中地电波发射电极 的结构示意图。
[0033] 图4是本发明便携式多功能地电波信号发生器在用于校核地电波传感器一致性 时的示意图。
[0034] 图5是本发明便携式多功能地电波信号发生器在现场应用时的示意图。
[0035] 图6是图5中地电波沿着开关柜表面的衰减系数和时间差的示意图。
具体实施方式
[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本实用新型作 进一步地详细描述。
[0037] 如图1所示,是本发明一种便携式多功能地电波信号发生器的一个实施例。该便 携式多功能地电波信号发生器主要包括绝缘外壳11,以及设置在该绝缘外壳11中的部件, 具体包括:电源单兀13、脉冲信号发生器14、第一地电波发射电极15、延时单兀16、信号分 路单元17,第二地电波发射电极18。
[0038] 其中,绝缘外壳11用于形成绝缘表面,在一个实施例中可采用环氧树脂类绝缘材 质,厚度小于3mm,大于1mm,可以实现4KV的绝缘。
[0039] 脉冲信号发生器14,用于产生脉冲地电波信号;
[0040] 信号分路单元17,用于将脉冲信号发生器14产生的脉冲地电波信号分成两路。在 一个实施例中,该信号分路单元17可以为一个"T"形接头;
[0041] 第一地电波发射电极15,与所述脉冲信号发生器14连接,具体地,可以是和信号 分路单元17的一个分支相连接,用于将所述脉冲信号发生器14产生的脉冲地电波信号发 射出去;
[0042] 延时元件16,与所述脉冲信号发生器14相连接,具体地,可以是和信号分路单元 17的另一个分支相连接,用于将所述脉冲信号发生器14产生的脉冲地电波信号进行延时;
[0043] 其中插头12、的可充电电池通过固定在绝缘外壳上的插口与外部充电器连接;
[0044] 第二地电波发射电极18,与所述延时元件16相连接,用于将所述经延时后的脉冲 地电波信号发射出去;
[0045] 电源单元13,用于为所述脉冲信号发生器14供电。
[0046] 其中,所述延时元件16在一个实施中为由一定长度(例如30cm)的同轴电缆形成 的延时线,用30cm长的同轴电缆即可实现2纳秒(2ns)的延时。延时元件16推迟了脉冲 信号发生器产生14的脉冲信号到达第二地电波发射电极18时间,例如采用上述的30cm长 的延时线,可以使脉冲信号发生器产生14的脉冲信号到达第二地电波发射电极18的时间 较其到达第一地电波发射电极15的时间晚2ns。
[0047] 所述电源单元13为可充电电池,该可充电电池通过绝缘外壳11上的插头12与外 部充电器(未示出)连接。其中,在一个实施中,该插头12为香蕉插头,当然可以理解的是, 其亦可以采用其他类型的插头形式;在一个实施例中,可充电电池选用工作电压为5V的大 容量(如2100mAh)的锂电池。
[0048] 如图2所示,示出了本发明一种实施例中脉冲信号发生器14的电路结构示意图。 从其中可以看出,该脉冲信号发生器14包括:优选地,所述脉冲信号发生器进一步包括:
[0049] 高速电子开关K21,其一端与所述电源单元13相连接;
[0050] 第一电感L21,其一端与所述高速电子开关K21另一端相连接,且通过第一电容 C21接地;
[0051] 第二电感L22,其一端与所述第一电感L21的另一端相连接,且通过第二电容C22 接地;
[0052] 第三电感L23,其一端与所述第二电感L22的另一端相连接,且通过第三电容C23 接地;
[0053] 第四电感L24,其一端与所述第三一电感L23的另一端相连接,且通过第四电容 C24接地;其另一端为输出端,通过第一电阻R21接地。
[0054] 在一个实施例中,上述各元件的参数取值可为:C21=150pF,C22=125pF, C23=125pF,C24=150pF; L21=220nH,L22=220nH,L23=220nH, L24=220nH,R21=50Q。其中 的高速电子开关K21采用MOSFET电力电子器件,耐压不下于30V,电流不小于2A。
[0055] 如图3所示,是本发明一个实施例中地电波发射电极的结构示意图。
[0056] 第一地电波发射电极15以及第二地电波发射电极18均包括:
[0057] 圆形PCB基板30;
[0058] 在所述圆形PCB基板30的一面上敷设有铜箔;
[0059] 在所述圆形PCB基板30的另一面上形成有一个带缺口的圆环,以形成了一个磁偶 极子天线,该圆环亦不铜质材料;
[0060] 其中,所述缺口的一端31为信号输入端,用于连接所述脉冲信号发生器14或者所 述延时元件16,所述缺口的另一端32接地;
[0061] 且所述圆形PCB基板30敷设有铜箔的一面朝向绝缘外壳11,例如在一个实施例 中,可以贴在绝缘外壳11的内表面。
[0062] 在一个实施例中,所述圆形PCB基板30的半径是所述圆环半径的2~3倍,且两者 的圆心重合,例如,该圆形PCB基板30的半径为20mm,厚度为1mm ;圆环的半径为10mm。
[0063] 来自脉冲信号发生器14的脉冲信号通过磁偶极子天线辐射出电磁场,电磁场耦 合到圆形PCB基板另外一面的铜箔导体上从而对外发射出地电波。
[0064] 利用本发明实施例的便携式多功能地电波信号发生器时,可应用在以下两个测量 方面:
[0065] 1)校核传感器性能的一致性
[0066] 如图4所示,本发明便携式多功能地电波信号发生器在用于校核地电波传感器一 致性时的示意图。将两个地电波传感器42分别紧贴在地电波信号发生器1的外壳上两个 地电波发射电极(即图1中的15和18)的对应的表面处,地电波信号发生器1工作时产生 的电磁波被耦合到地电波传感器42,通过两根信号电缆43传送给主机44 (例如电脑终端 或高速数字示波器等),主机44会采集并分析和显示的地电波信号,根据测量信号的波形、 幅值、两路信号的时间差等来判断传感器的性能是否稳定一致。例如,如果两路信号的峰值 误差超过10%,即可认为两个传感器性能不一致,如果同样一个传感器前后两次校核性能变 化较大,也可认定其性能不稳定。
[0067] 2)现场应用中地电波沿开关柜表面的衰减系数和时间差测量
[0068] 如图5所示,是本发明便携式多功能地电波信号发生器在现场应用时的示意图。 在测量开关柜内部的局部放电时,将两个地电波传感器42紧贴在高压开关柜51外壳的表 面。为了测量两个地电波传感器42之间的时间差,将地电波信号发生器1的有地电波发射 电极的一面贴在高压开关柜51外壳的表面,两个地电波传感器42将感应到相应的地电波 信号,然后经过两条等长的同轴电缆53传送到主机44进行分析、处理和显示,从而完成两 路信号和时间差的测量。通过两路信号的峰值,可以推测出地电波信号沿着柜体表面传播 时的衰减系数。
[0069] 如图6所示,假设主机44测得的两路信号分别为"信号61"(对应于图5中下面 的地电波传感器)和"信号62"(对应于图5中上面的地电波传感器),信号的峰值分别为U1 和U2,时间差为At=t2-tl,如果电磁波传播速度为V,那么两个地电波传感器42之间的距 离L=At X V,进而可以推算出衰减系数a= In (Ul/U2)/L。
[0070] 可见,本发明创造性地解决了开展高压开关柜现场局部放电测量时难以快速准确 地评估地电波传感器之间传播时间差和地电波信号衰减特性的问题。
[0071] 实施本发明的实施例,具有如下的有益效果:
[0072] 1、本发明采用非侵入式设计,地电波信号发生器的外壳采用环氧树脂材质材料, 具有10kV的绝缘水平,因此监测人员可以非常安全地操作该仪器;
[0073] 2、本发明的地电波信号发生器,可以做得很小,便于携带;
[0074] 3、本发明实施例的地电波信号发生器采用两个地电波发射电极,且该两个地电波 发射电极之间存在一个固定的延时。在进行现场监测时,操作人员只需将两个地电波传感 器贴在该地电波发生器的相应的地电波发射电极位置处,即可知道两个地电波传感器的性 能是否一致和稳定;将本发明实施例的地电波信号发生器和两个地电波传感器贴在高压开 关柜的外表面的不同位置处,即可以获得两个地电波传感器之间的时间差以及地电波信号 沿开关柜表面传播时的衰减系数。大大提高了工作人员监测的效率、局部放电定位的精度 和状态评估的可靠性。
[0075] 以上所揭露的仅是本发明的较佳实施例而已,然不能以此来限定本发明的权利范 围,本领域技术人员利用上述揭露的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,仍属于 本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,包括绝缘外壳,以及设置在所述 绝缘外壳中的下述部件: 脉冲信号发生器,用于产生脉冲地电波信号; 第一地电波发射电极,与所述脉冲信号发生器连接,用于将所述脉冲信号发生器产生 的脉冲地电波信号发射出去; 延时元件,与所述脉冲信号发生器相连接,用于将所述脉冲信号发生器产生的脉冲地 电波信号进行延时; 第二地电波发射电极,与所述延时元件相连接,用于将经所述延时元件延时后的脉冲 地电波信号发射出去; 电源单元,用于为所述脉冲信号发生器供电; 其中,所述第一地电波发射电极以及第二地电波发射电极均包括: 圆形PCB基板; 在所述圆形PCB基板的一面上敷设有铜箔; 在所述圆形PCB基板的另一面上形成有一个带缺口的圆环,以形成了一个磁偶极子天 线;所述缺口的一端为信号输入端,用于连接所述脉冲信号发生器或者所述延时元件,所述 缺口的另一端接地。
2. 如权利要求1所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述脉冲 信号发生器进一步包括: 高速电子开关K21,其一端与所述电源单元相连接; 第一电感L21,其一端与所述高速电子开关K21另一端相连接,且通过第一电容C21接 地; 第二电感L22,其一端与所述第一电感L21的另一端相连接,且通过第二电容C22接 地; 第三电感L23,其一端与所述第二电感L22的另一端相连接,且通过第三电容C23接 地; 第四电感L24,其一端与所述第三电感L23的另一端相连接,且通过第四电容C24接地, 其另一端为输出端,通过第一电阻R21接地。
3. 根据权利要求1或2所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述 圆形PCB基板敷设有铜箔的一面朝向所述绝缘外壳。
4. 根据权利要求3所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述圆 形PCB基板的半径是所述圆环半径的2~3倍,且两者的圆心重合。
5. 根据权利要求4所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述延 时元件为由一定长度的同轴电缆形成的延时线。
6. 根据权利要求5所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述电 源单元为可充电电池,所述可充电电池通过绝缘外壳上的插头与外部充电器连接。
7. 根据权利要求6所述的一种便携式多功能地电波信号发生器,其特征在于,所述绝 缘外壳采用环氧树脂材质,所述设置在绝缘外壳上的插头为香蕉插头。
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