CN103197209B - 局部放电工频同步信号传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种局部放电工频同步信号传感装置，主要解决现有工频同步信号提取需要接入高压二次回路、现场不易操作、安全性差的问题。本发明包括传感器，过压保护电路、一级放大电路、窄带滤波选频电路、自动增益控制电路、二级放大电路和电源转换模块；整个装置固定于高压设备或线路安全距离之外处获得工频信号，输入给过压保护电路保护其他器件和滤除高频成分；再依次通过一级放大电路，窄带滤波选频电路，自动增益控制电路和二级放大电路，对信号进行选频与增益可控的放大。本发明能够脱离市电电源，具有安全性和接收灵敏度高，与工频信号的相位误差小，操作简单的优点，可用于为局部放电信号采集提供可靠，稳定的同步触发信号。
Description
技术领域
本发明属于高压绝缘故障在线检测与数据采集处理领域，特别涉及一种非接触局部放电工频同步信号传感装置，可用于高压与超高压电力系统局部放电检测系统中，提供同步触发信号。
背景技术
在高压电力系统中，由于制造工艺，运输，以及装配过程中不可避免的缺陷如设备内引入灰尘或导电颗粒，设备内的金属尖端及空穴等，容易引发电力系统中各种形式的局部放电，在一定程度上容易引起绝缘击穿，使电力系统发生故障，给国民经济造成巨大损失，因此对局部放电现象的准确测量及定位至关重要。
近年来对局部放电检测已经发展的较为成熟，主要有超高频检测法和超声波检测法；无论哪种检测方法，都需要对接收到的放电信号进行采集和处理。在对局部放电信号的采集处理系统中，需要提供高压工频信号作为触发信号来观察局部放电信号在一个工频周期内的放电特性，从而根据统计规律确定引起局部放电的原因并对局部放电信号的特性进行进一步研究，最精确的检测同步信号是直接从高压信号获取，此工频信号的质量决定了局部放电信号的采集、数据处理、故障识别与故障处理的质量，是局部放电检测设备中关键信号之一。
现有国内外局部放电检测设备中主要存在三种局部放电工频同步信号传感装置：第一种工频同步信号传感装置直接接入高压二次回路提取工频信号作为同步信号的方法需要现场接入设备，而且在高压设备工作现场必须遵照高压设备操作规程，为了保证高压设备安全和工作人员安全，运行现场不能随意接入设备，工作人员必须在安全距离之外才能工作，因此使用这种传感装置会影响高压设备正常运行，而且操作烦杂；第二种工频同步信号传感装置直接从低压工频电源获取信号作为工频信号，这时获取的同步信号是经过多次变换后的信号，信号同步精度差，对局部放电检测带来很大相位误差，是现场检测无法获取高压工频信号时不得已的方法；第三种工频同步信号传感装置自己产生一工频信号作为工频信号，此信号与高压工频信号没有直接同步，对局部放电检测带来了更大的影响，只能作为备份信号使用。
以上介绍的三种局部放电检测设备使用的是接触式的工频同步信号传感装置，但都需要直接接入电源提取工频信号，因此不能脱离市电电源而存在，所以在超高压设备现场安全问题要求突出，特别是使用局部放电便携式检测设备时同步信号更是不易获取。从而在局部放电数据采集的过程中，操作复杂，对外界环境要求条件高。
设计一种不改变现场设备运行、安全可靠、便于现场使用的非接触同步信号的提取传感装置非常有实用价值。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和高压环境安全需求，提供一种非接触局部放电工频同步信号传感装置，以脱离市电电源，提高安全性和接收灵敏度，减小与工频信号的相位误差，简化操作，为局部放电信号采集提供可靠，稳定的同步触发信号。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种非接触局部放电工频同步信号传感装置，传感器1、过压保护电路2、一级放大电路3、窄带滤波选频电路4、增益控制电路5、二级放大电路6和电源转换模块7；传感器1，用于接收工频信号，并通过过压保护电路2传输给一级放大电路3；一级放大电路3对输入的工频信号进行放大，并将放大后的信号传输给窄带滤波选频电路4进行选频滤波，再传输给自动增益控制电路5；自动增益控制电路5对选频滤波后的信号进行可控增益放大，并将放大后的增益信号传输给二级放大电路6进行二次放大并输出；其特征在于：
所述传感器1采用非接触式的矩形贴片天线，固定在高压线路安全距离之外处或高压设备绝缘体外侧，获得工频信号；该矩形贴片天线包括导体贴片11、介质基板12和接地板13,导体贴片11位于介质基板12上，导体贴片11的几何中心设有馈电点,介质基板12置于接地板13之上。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于所述电源转换模块7的输出端分别与一级放大电路3、自动增益控制电路5和二级放大电路6的电源引脚相连，为整个电路提供稳定电源。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述传感器是非接触式的矩形贴片天线，不接入高压回路，通过固定在高压线路安全距离之外处或高压设备绝缘体外侧获得工频信号。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述矩形贴片天线的导体贴片为铜箔。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述矩形贴片天线的馈电点位于所述导体贴片11的几何中心。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：导体贴片11长为90毫米，宽为30毫米。
上述非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：接地板13长为185毫米，宽为82毫米。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用传感器放置于电压为220KV－1000KV的供电线路、高压设备安全距离之外处或高压设备绝缘体外侧检测工频信号，无需接入高压回路，现场不用停电，不改动任何设备，提取信号安全方便。
2.本发明传感器采用矩形贴片天线，技术先进，参数受外界干扰变化小，输出信号稳定,不影响高压场强，可靠性高。
3.本发明由于设有窄带滤波选频电路，能够准确提取工频信号，并对其它干扰进行滤波，输出工频信号准确、稳定。
4.本发明由于设有自动增益电路，能够提取工频信号，并对其进行自动增益放大，使输出工频信号幅度稳定。
5.本发明由于设有过压保护电路，能够滤除高压冲击信号，防止矩形贴片天线接收的信号所产生的电压过大，烧坏器件。
6.本发明由于设有一级放大电路，能够对输入信号能进行放大，而且能同时滤除输入信号中的高频成分，保留了低频成分，并对该低频信号进行放大。
7.本发明由于设有电源转换模块，能够为一级放大电路、自动增益控制电路和二级放大电路提供稳定电源，保证整个电路的正常工作。
8.本发明外形尺寸小，易于携带安装。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的仰视图；
图3为本发明的传感器结构图；
图4是图3的侧视图；
图5是本发明的电路原理框图；
图6为本发明测量时的第一种位置示意图；
图7为本发明测量时的第二种位置示意图。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明包括金属屏蔽外壳1、传感器2、同轴电缆连接器3，集成电路板4和电源连接器5。传感器2固定在屏蔽外壳1的开口处，集成电路板4设置在传感器2与屏蔽外壳1的顶壁之间,传感器2通过同轴线与集成电路板4相连,集成电路板4的输出信号通过同轴电缆连接器3输出。
参照图3和图4，所述的传感器2，采用矩形贴片天线，该矩形贴片天线由导体贴片21、介质基板22和接地板23组成，导体贴片21设置在介质基板22之上，该介质基板22置于接地板23之上。导体贴片21为长方形片体，长为90毫米，宽为30毫米,其中心与介质基板22、接地板23重合，导体贴片21的几何中心设有馈电点A，采用同轴线馈电，电场测量频率为50Hz。导体贴片21采用铜箔，放置在屏蔽外壳1的开口处，以便接收工频信号；介质基板22和接地板23的长为185毫米，宽为82毫米,介质基板22的介电常数为2.55，材质为聚四氟乙烯。传感器2的各项参数与其后连接的电路的各项参数匹配,使输出信号稳定，准确。
参照图5，所述的集成电路板4，其上设有过压保护电路41、一级放大电路42、窄带滤波选频电路43、自动增益控制电路44、二级放大电路45和电源转换模块46。
过压保护电路41、一级放大电路42、窄带滤波选频电路43、自动增益控制电路44、二级放大电路45依次连接。电源转换模块46的输出端分别与一级放大电路42、自动增益控制电路44和二级放大电路45的电源引脚相连。
该过压保护电路41，采用2个二极管和一个高频耦合变压器，2个二极管双向反极性并联，并联的二极管两端与高频耦合变压器连接，通过耦合将高频信号直接耦合到地，以滤除高压冲击信号，防止矩形贴片天线接收的信号所产生的电压过大，烧坏器件。
该一级放大电路42，采用但不局限于运算放大器ICL7650BCSA-1与RC并联电路形成有源低通滤波放大电路，RC并联电路将ICL7650BCSA-1输出信号反馈至ICL7650BCSA-1的负输入端，用于对输入的低频信号进行放大。
该窄带滤波选频电路43，采用一个二阶RC选频电路，中心频率为50Hz，构成窄带滤波电路，用于对输入的信号选频滤波，其中二阶RC选频电路的输入与ICL7650BCSA-1相连，输出与增益控制电路44相连。
该自动增益控制电路44，采用但不局限于运算放大器OP07CS和负反馈网络形成自动增益控制电路，两个场效应管级联形成负反馈网络，将OP07CS的输出信号反馈至其负输入端，用于对工频信号进行自动增益放大，该运算放大器OP07CS的输入与二阶RC选频电路相连，输出与二级放大电路45相连。
该二级放大电路45，采用但不局限于运算放大器LM158，用于对输入信号进行再次放大，该运算放大器LM158的输入与运算放大器OP07CS的输出相连。
该电源转换模块46，采用但不局限于稳压器78LM10和78LM05，这两个稳压器级联，使外部10-30V之间的任意电压转换为稳定的+5V和-5V，输出端分别与一级放大电路42、自动增益控制电路44和二级放大电路45的电源引脚相连，保证电路的正常运行。
本发明工作原理如下:
本发明有两种工作方式:一是将本发明的非接触局部放电工频同步信号传感装置放置在正常工作的单相高压线路正下方安全距离之外处提取工频信号；二是将本发明的非接触局部放电工频同步信号传感装置放置在正常工作的绝缘组合电器设备单相盆式绝缘子处提取工频信号。
参照图5和图6，第一种工作方式下，本发明的非接触局部放电工频同步信号传感装置，放置在正常工作的单相高压线路正下方安全距离之外的地方，采用非接触电场检测方法，由传感器2接收工频信号，并通过保护电路41传输给一级放大电路42，当保护电路41接收到的信号幅度过大时，该电路中的高频耦合变压器将其中高频信号直接耦合到地，以滤除高压冲击信号，防止传感器2接收到的信号过大，烧坏电路；输出后的信号传输给一级放大电路42，一级放大电路42对输入的信号进行放大和低通滤波后传输给中心频率为50Hz窄带滤波选频电路43对一级放大电路42输出的信号进行选频滤波，并将选频滤波后的信号传输给自动增益控制电路44；自动增益控 制电路44根据该输入信号的幅度，自动调节放大器的放大倍数，稳定输出信号，再将该稳定信号传输给二级放大电路45进行二次放大，并输出。
参照图5和图7，第二种工作方式下，本发明的非接触局部放电工频同步信号传感装置，放置在正常工作的绝缘组合电器设备单相盆式绝缘子的位置处，采用非接触电场检测方法，由传感器2接收工频信号，并通过保护电路41传输给一级放大电路42，当保护电路41接收到的信号幅度过大时，该电路中的高频耦合变压器将其中高频信号直接耦合到地，以滤除高压冲击信号，防止传感器2接收到的信号过大，烧坏电路；输出后的信号传输给一级放大电路42，一级放大电路42对输入的信号进行放大和低通滤波后传输给中心频率为50Hz窄带滤波选频电路43对一级放大电路42输出的信号进行选频滤波，并将选频滤波后的信号传输给自动增益控制电路44；自动增益控制电路44根据该输入信号的幅度，自动调节放大器的放大倍数，稳定输出信号，再将该稳定信号传输给二级放大电路45进行二次放大，并输出。
以上描述仅是本发明的具体的实例，并不构成对本发明的任何限制，显然，对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上各种修饰和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种非接触局部放电工频同步信号传感装置，包括：传感器(1)、过压保护电路(2)、一级放大电路(3)、窄带滤波选频电路(4)、增益控制电路(5)、二级放大电路(6)和电源转换模块(7)；传感器(1)，用于接收工频信号，并通过过压保护电路(2)传输给一级放大电路(3)；一级放大电路(3)对输入的工频信号进行放大，并将放大后的信号传输给窄带滤波选频电路(4)进行选频滤波，再传输给自动增益控制电路(5)；自动增益控制电路(5)对选频滤波后的信号进行可控增益放大，并将放大后的增益信号传输给二级放大电路(6)进行二次放大并输出；其特征在于：
所述传感器(1)采用非接触式的矩形贴片天线，固定在高压线路安全距离之外处或高压设备绝缘体外侧，获得工频信号；该矩形贴片天线包括导体贴片(11)、介质基板(12)和接地板(13),导体贴片(11)位于介质基板(12)上，导体贴片(11)的几何中心设有馈电点,介质基板(12)置于接地板(13)之上；
所述过压保护电路(2)，包括2个二极管和一个高频耦合变压器，2个二极管双向反极性并联，并联的二极管两端与高频耦合变压器连接，通过耦合将高频信号直接耦合到地，以滤除高压冲击信号，防止矩形贴片天线接收的信号所产生的电压过大，烧坏器件。
2.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于所述电源转换模块(7)的输出端分别与一级放大电路(3)、自动增益控制电路(5)和二级放大电路(6)的电源引脚相连，为整个电路提供稳定电源。
3.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述传感器是非接触式的矩形贴片天线，不接入高压回路，通过固定在高压线路安全距离之外处或高压设备绝缘体外侧获得工频信号。
4.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述矩形贴片天线的导体贴片为铜箔。
5.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：所述矩形贴片天线的馈电点位于所述导体贴片(11)的几何中心。
6.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：导体贴片(11)长为90毫米，宽为30毫米。
7.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于：接地板(13)长为185毫米，宽为82毫米。
8.根据权利要1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于，所述窄带滤波选频电路(4)，采用一个二阶RC低通选频电路。
9.根据权利要求1所述的非接触局部放电工频同步信号传感装置，其特征在于，所述自动增益控制电路(5)，包括运算放大器OP07CS和负反馈网络，两个场效应管级联形成负反馈网络，将运算放大器OP07CS的输出信号反馈至运算放大器OP07CS的输入端，用于对工频信号进行自动增益放大。
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