CN103376390A - 一种用于局部放电在线监测的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于局部放电在线监测的装置，包括光电模块，信号调理与驱动模块，处理器模块，通讯模块等构成，光电模块用于接收放电产生的光信号，信号调理与驱动模块用来调理和驱动光电组件，处理模块用来处理接收到的光电信号，通讯模块用于同其他设备进行通讯，其特征在于所述的光电模块感应放电产生的200--280nm的光，由光学器件，和光电器件构成，光电模块输出的电信号经过采集后由处理器分析后送到通讯模块进行通讯，通讯方式采用无线和有线通讯方式。

Description

一种用于局部放电在线监测的装置

发明领域

本发明涉及到一种用于局部放电在线监测的装置，特别是一种基于紫外光电检测原理以及通讯技术组成的数字式具有组网能力的在线监测装置，主要用于监测电力系统中局部放电。

背景技术

局部放电是指电气设备绝缘结构中某个区域内出现的放电现象，这种放电只是绝缘结构在该区域内被破坏，主绝缘并未发生贯穿性击穿，但若局部放电长期存在，在一定条件下可造成设备主绝缘电气强度的下降和损坏。局部放电会有大量的能量释放，能量以机械振动、声、光、电磁、热量等形式释放。局部放电包括绝缘体内部放电以及外部放电，外部放电主要表现形式为电晕放电、爬电等放电形式。随着电网发展、电压等级的增加以及设备更新改造，对局部放电的检测要求越来越多。当前电力设备依靠人员的巡视、以及试验和检测技术。运行巡视是建立在人的视觉、听觉和嗅觉的感观基础上，对巡视人的经验要求很高。传统的试验技术主要是依靠绝缘性能检查，这种方法一方面对设备内的固体绝缘件有累积损害效应，另一方面设备必须停电从而造成设备可用率和用户供电可靠性的下降。因此传统手段往往难以达到及时掌握设备缺陷的要求。

现有监测局部放电的主要方法有基于声发射技术、超高频技术、瞬态地电势技术、紫外成像技术等，这些产品应用于在线监测均存在一定的问题。目前较为成熟的局部放电非接触检测方法，如紫外成像技术，对于变压器、避雷器等敞开式设备的检测效果非常好，但对于封闭式设备，因有外壳屏蔽，又因其体积大，数据观测复杂，效果不甚理想，且成本高无法满足在线监测的需要。

目前市场上用于检测局部放电的产品，主要是基于超高频或者超声波原理的，用于对多种高压电气设备的绝缘缺陷进行在线检测和诊断，可用于GIS组合电器、电缆终端接头、开关柜、干式变压器、互感器等设备的局部放电在线检测或局放巡检，但其抗干扰性很差，对外部环境敏感，受电磁环境影响，数据分析复杂。中国发明专利，申请号为02145536.8高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，提出一种利用电容耦合方式的传感器。发明专利申请号为201010023128.1，电力变压器局部放电在线检测和定位系统，传感器采用光纤声音传感器。这两类传感器存在安装复杂，需要更多的停电时间，以及成本高抗干扰能力差等问题。

通过在线测量因局部放电致使其金属壳体上产生的瞬时对地电压(Transient EarthVoltages，以下简称TEV)，检测判断设备内部是否存在绝缘故障，即所谓的TEV测量法作为一种新的技术方法，在国内外部分电力公司进行了运用，也存在成本高，抗干扰能力差的问题。

总之，现有技术的局放检测仪器由于抗干扰能力差，易误报，成本高，识别需要人工干预，不适合在线监测。针对现有技术存在的问题，本发明在信号传输，局部放电的识别，成本，以及安装便利性等因素上充分考虑，提出一种适合检测局部放电的仪器。本发明是监测局部放电所产生的光信号来判断局部放电的产生。

发明内容

电力设备局部放电会有大量的光能量释放，在光谱方面，放电所产生的光辐射从紫外到红外均存。附图1是放电所辐射出的光谱曲线图，表明局部放电光辐射波长覆盖从200nm--1100nm宽带范围内，其中200--370nm为紫外，370--770为可见光，770--1100nm为红外。波长在200--280nm的光，因太阳辐射不存在该波段的光，称这段紫外光为日盲光。探测光能量变化能够反应放电的情况，放电所产生的光能大小同，同放电量的大小密切相关。考虑到避免外部光的影响，如环境光，照明光等等，本发明选取局部放电产生的200-280nm谱段进行探测，在该谱段能够避免可见光以及其他自然光的影响，从而提高探测到准确度以及降低误报概率。本发明对光能量变化进行探测，可以间接的对局部放电情况进行估计，准确的感知局部放电的存在。

根据上述要求，附图2是本发明的装置原理框图，本发明包括，光电模块21，信号调理与驱动模块22，处理器模块23，通讯模块24。光电模块21感知局部放电产生的光辐射并将光信号转换为电信号，输出到信号调理与驱动模块22，信号调理与驱动模块22将信号调理后生成能够进行数字处理的信号送入处理器模块23进行处理，处理器模块23对信号进行处理以获取有用的信息，信号调理与驱动模块22还完成对光电模块21进行驱动提供所需的电压、电流偏置等。通讯模块24用来完成装置的数据通讯工作，将处理器输出的信号转换为适合远距离传输有线信号，或者无线通讯方式情况下转换为射频信号进行传输。也就是光电模块21直接同信号调理与驱动模块22相连接，接受信号调理与驱动模块22的驱动，输出信号给信号调理与驱动模块22，信相号调理器22同处理器模块23相连接，处理器模块23输出到通讯模块24。

为了满足测量的需要，光电模块由光学器件，光电器件构成。光电模块21需要能够感应200--280nm的光线，对280nm以上不灵敏或者不能感应，也就是光电模块具有能够避免可见光、近紫外以及红外的影响，也就是对太阳辐射不敏感，是通常所说的日盲。光学器件的作用是起到对光进行汇聚的作用，能够改变光学视场，通光能量等，通常可以采用透镜或者光学反射镜构成，不同的口径，不同的焦距来得到不同的通光能量，不同的发散角。光电器件分为由日盲型光电传感器，和由非日盲型光电传感器加上日盲滤光片两种方式构成的。对于第一种光电器件的光电传感器通常包括两类，采用日盲光电传感器，这种传感器本身具有日盲段响应，日光深截止功能的，这类器件通常是真空光电器件，包括光电倍增管，光电管等。日盲型氮化镓器件，日盲型氮钾铝器件等具有日盲效果的光电传感器也可以满足需求，这类传感器应用于光电器件无须光学滤光片。另外一类是光电传感器本身不具有日盲功能，称为非日盲光电传感器，也就是对自然光段的光具有响应，在非日盲段也存在响应，非日盲段的响应严重的影响了传感器的效果，对传感器造成了干扰，但是配以日盲紫外滤光片来构成具有日盲功能的紫外光电器件，这类传感器通常包括，硅紫外增强光电二极管，氮化镓基或氮钾铝基光电二极管，碳化硅基光电二级管。日盲紫外滤光片可以采用吸收型滤光片或者干涉型滤光片，这种滤光片同非日盲光电传感器结合能够达到日盲类光电传感器同样的效果。光电器件同光学器件结合便构成光电模块，对于一些应用也可以没有光学器件，仅靠光电器件本身的作用来实现需要的功能，这种情况下通常具有较大的视场角。附图3表示的是非日盲型的光电传感器构成的光电模块，31为光学器件，用于对光信号进行汇聚。32为日盲滤光片用于滤光，对光学器件收集到的光有选择性的通过，仅仅让280nm以下的光透过对280nm以上的光深截止，截止深度通常在1/10000以上，33为非日盲型光电传感器，用来接收光信号，并将光信号转换为电信号。附图4是用日盲型光电传感器组成的光电模块，有光学器件41进行光学能量收集，由日盲型光电传感器42对280nm以下光响应，将光信号转换为电信号。

信号调理与驱动模块需根据光电器件的类型进行信号调理，信号调理与驱动模块的作用是对光电器件提供需要的电压或者电流驱动，接收光电器件的输出进行电平或者信号转换将光电器件的输出转换为处理器所能够接收和处理的信号。对于真空类光电传感器，信号调理与驱动模块通常是将光电器件的输出的脉冲进行电平转换，如将高电平转换为处理器所能够接收的电平，或者进一步进行计数处理，将脉冲个数送入处理器。对于半导体类器件，信号调理与驱动模块的作用通常是将光电器件的输出进行积分等处理后得到电压用ADC进行采集，采集后的电压以数字信号形式由处理器接收。信号调理与驱动模块通常由放大器，逻辑门电路，模数转换器(ADC)构成。对于两种不同类型的光电器件，信号调理与驱动模块不同，真空类光电器件信号调理与驱动模块通常由，电压驱动控制电路，逻辑门电路构成，电压驱动控制电路完成真空器件电压的驱动和控制，逻辑门电路将真空器件产生的电压进行电平转换，直接输出、计数输出或者设置阈值判断后输出。半导体类器件通常由放大器组成半导体器件的偏置驱动和信号调理放大，输出模拟信号，模拟信号由模数转换器转换为数字信号。

处理器的作用将接收到的数字信号进行解码，综合分析处理，处理后的结果输出到通讯模块。处理器还具有对信号调理与驱动模块进行控制的作用，改变驱动电路驱动信号，改变放大器的放大倍率，改变模数转换器的采样速率等功能。处理器一般采用MCU，FPGA，DSP等类型的器件。在输出到通讯模块方面处理器具有运行相关通讯协议的能力，如MODBUS、TCP\IP等有线通讯协议，802.154，802.11，zigbee，wifi无线通讯协议。

通讯模块的作用是将传感器信号进行输出，发送给需要接收信号的远端装置和设备。通讯模块可以以有线或者无线的方式进行信号通讯，如采用RS232、RS485、CAN、以太网等有线通讯方式。也可以采用无线通讯方式，如wifi，zigbee，蓝牙，或者其他无线通讯方式。对于有线通讯，通讯模块用来完成电平转换，协议打包等作用。无线通讯通讯模块的主要由射频收发器组成，无线通讯频段通常采用ISM频段。通讯模块可以是独立于处理器的，也可以是同处理器集成到一片集成电路上。同一块芯片上可以包括处理器内核和通讯模块，以及以上提及到的信号调理模块等。为了满足多个点监测的需要通讯模块通常具有组网功能，如构成网格状网络(mesh网络)，树状网络和星型网络。

本发明的在线放电监测装置的各个组成部分有机的结合在一起，从而起到在线监测实时传输的功能，并在抗干扰性，组网能力，安装方便性，对于现有放电监测装置具有优势。同时由于采用非电量测量的方式，而具有较强的抗干扰能力，信号处理大幅度简化，信号传输速率大幅的降低，因此降低了成本，使装置能够满足在线监测设备的低成本，智能化的需要。总之同现有技术相比，本发明具有实时在线，低成本，抗干扰能力强等优点。

附图说明

图1，局部放电光谱分布图

图2，发明原理图

图3，非日盲光电传感器构成的光电模块框图

图4，日盲型光电传感器构成的光电模块框图

图5，半导体类光电传感器信号调理框图

图6，第一个实施例原理框图

图7，第二个实施例原理框图

具体实施方式

本发明的一个实施方式如附图6，光电模块由光学器件61收集光能量，日盲滤光片62，光电传感器63构成，64为信号调理电路，65为处理器，66为通讯模块。光电传感器63采用非日盲型半导体传感器。半导体类传感器可以采用氮化镓、氮镓铝，或者紫外增强硅传感器该类型的传感器响应范这种类型传感器无法避免近紫外光或者可见光的影响，需要采用滤光片进行滤光以实现日盲效果，在该类传感器上加装滤光片62，滤光片的作用是滤去280--900nm的可见光和近红外光，避免可见光和近红外的干扰，提高检准确率。光信号经过滤光片过滤后到达感光元件。这类传感器的物理模型是一个光电二极管可以看作为一种电流源。传感器信号调理电路如附图5所示，包括，放大器54，反馈电阻52、补偿电容53构成，在此光电传感器51的输出被放大器54，反馈电阻52以及补偿电容53一同构成的跨导放大器放大。这样将光电传感器的输出的电流转换为模数转换器ADC能够采样点电压。跨导放大器54选取低漏电电流型的JFET放大器。处理器将信号进行以上处理后，存储转发。处理器65采用mcs51架构或者ARM架构系列单片机或者或者架构的处理器，通讯模块66采用无线通讯模块，工作频段采用ISM频段，无线通讯模块的作用是将采集处理后的光信号，转发给需要接收信号的设备或装置。无线通讯模块采用zigbee通讯协议，该类协议具有强大的组网能力，能够很好的传输信号，并具有很大的节点容量。该类协议的另外一个特点是信号通讯速率低，处理器进行预先处理后就能够利用该协议传输信号。通讯方式也可以采用RS485等有线组网的方式，有线方式通常较无线方式具有较高的可靠性和较快的通讯速率，但其带来了安装方面的需要走线的问题。这两种通讯方式的应用需要根据实际应用来确定。作为本发明的一个实施例，通讯方式可以确定为二者其中之一或者二者均具备。处理器接收到光电传感器信号后经过初步处理，以降低噪声的影响。处理方法可以采用下述方法，设置简单的门限值。采集到光能量信号Φ，当超过一定门限Φ₀，Φ₀为噪声水平，低于噪声水平的信号认为是噪声。

$\mathrm{\&Phi;}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&Phi;}<{\mathrm{\&Phi;}}_0\\ \mathrm{\&Phi;}& \mathrm{\&Phi;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&Phi;}}_0\end{array}\right.$

或者高于噪声水平的信号，认为有效信号。

本发明的另外一个实施方式见附图7，光电模块是由光学器件71和日盲型光电传感器72构成，73为光电模块的信号调理电路，信号调理与驱动模块73接收处理器74的驱动控制，并将接收到光电信号调理为处理器74所能够接收到的信号，处理器74将接收到的光电信号处理后通过无线通讯模块75输出。本实施方式中，日盲型光电传感器72采用真空光电器件。这类光电器件包括气体放电光电管，光电倍增管，像增强器等器件，作为一个优选实施方式，光电器件选用气体放电光电管，选择的这类器件需具有日盲效果，信号处理简单，低成本，灵敏度高等优点。这类器件很多，滨松光子等公司生产的日盲类光电器件均能够满足应用需要。选用日盲型光电器件无需另外增加滤光片，要根据需求设计光学器件71来起到汇聚光能量的作用。对于真空光电传感器，信号调理电路主要采用光子计数的方式对接收到的紫外光进行数字化，光子计数技术包括将高电压转换为处理器所能够接收到电压的电路。真空光电传感器的驱动电路，需要产生真空器件所需的高电压，电压一般从100伏到几千伏。信号调理电路73将接收到的光子计数转换后，直接送入处理器74进行处理，或者经过信号处理电路的计数器缓存后送入处理器74进行处理。处理器74采用mcs51架构、ARM架构系列单片机或者或者架构的微处理。处理器74的作用是对计数信号进行处理，并以数字运算的方法过滤偶发光子计数。通讯模块75可以如上一个实施方式一样采用有线或者无线电通讯方式。类似于第一个实施方式的处理方法，处理器采用对计数数量设置门限的方式来判断信号的真伪，当在一定时间内计数脉冲个数超过一定的数值即认为信号为真，否则信号为假。

以上两个实施例均有处理器和无线通讯模块，这二者可以是分离器件构成，也可以是集成到一片集成电路中的集成的处理器和无线通讯模块，各个模块的划分仅仅是对于功能而言，而非针对物理上的器件本身。这两种类型的实现方式均有多种集成电路实现。对于分离器件中的处理器而言，种类繁多，无线通讯模块所能够选择集成电路也很多，如TI，NORDIC，SILAB，FREESCALE，NXP等半导体生产商均有类似的集成电路生产。集成到同一片集成电路中的也有很多芯片，但其基本架构是将无线通讯集成电路和处理器电路集成到同一片集成电路中，这种方式同上一类方式没有本质区别，仅仅是物理位置的变化。作为本发明的一个优选通讯方式，通讯组网方式选用网格状网(mesh网)方式，mesh具有较强的稳健性，和强大的中继能力。在组网后，本发明的每个装置都可作为路由器，同时又是一个终端传感器，并具有强大的自愈功能，在一个路由出了问题后，会自动选择其他路由。

本发明所提到的实施方式都是通过光学的手段或者光电器件本身的特征来获取日盲的效果。在通讯方面采用有线或者无线电方式，能够具备组网的能力。信号调理电路和处理器均是为了驱动光电器件和接收光电器件的输出而工作的。本发明采用无线传输的方式能够减少设备安装过程中的布线，加快安装进度，减少因安装设备所带来的停电影响进而节省成本。如果采用有线的方式能够提高信号的可靠性，以及信号的穿墙能力。本发明采用何种通讯方式需要根据需求进行选择。

经分析和初步试验表明，本发明所设计的装置能够很好的检测到局部放电，并具有成本低，效果好的优点。

Claims (8)

1.一种用于局部放电在线监测的装置，包括光电模块(21)，信号调理与驱动模块(22)，处理器模块(23)，通讯模块(24)等构成，光电模块(21)用于接收放电产生的光信号，信号调理与驱动模块(22)用来调理和驱动光电组件，处理模块(23)用来处理接收到的光电信号，通讯模块(24)用于同其他设备进行通讯，其特征在于所述的光电模块感应放电产生的200--280nm的光，由光学器件，和光电器件构成，光电模块输出的电信号经过采集后由处理器分析后送到通讯模块进行通讯。

2.根据权利要求1所述的局部放电在线监测的装置其特征在于所述的光电器件由只对日盲紫外光响应日盲光电传感器构成。

3.根据权利要求1所述的局部放电在线监测的装置其特征在于所述的光电器件是由宽波段响应的光电传感器和日盲滤光片组成。

4.根据权利要求2所述的局部放电在线监测的装置其特征在于所述的光电器件是由真空型光电传感器构成。

5.根据权利要求3所述的局部放电在线监测的装置其特征在于所述的光电器件是由半导体光电传感器构成。

6.根据权利要求1、2、3、4、5，所述的局部放电在线监测的装置，其特征在于所述的通讯模块是无线通讯模块。

7.根据权利要求1、2、3、4、5，所述的局部放电在线监测的装置，其特征在于所述的通讯模块是有线通讯模块。

8.根据权利要求1、2、3、4、5，所述的局部放电在线监测的装置，其特征在于所述的无线通讯模块的组网方式为mesh网。

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