CN104380125B - 局部放电检测设备和方法 - Google Patents

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Abstract

局部放电检测设备和方法。一种局部放电检测设备(500)，包括：支承结构(3)；第一天线(1)，被配置成接收至少部分地与电物体(100)的局部放电相关联的电磁信号(Sd)并产生第一电信号(Sin1)，该第一天线对第一接收方向有第一接收有效面积；以及第二天线(2)，被配置成接收电磁噪声信号(Sn)并产生产生第二电信号(Sin2)；该第一天线和第二天线被安排成使第二天线对所述第一接收方向，有小于所述第一接收有效面积的第二接收有效面积。该设备还包含第一处理模块(600)，被配置成从所述第一电信号和第二电信号产生代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号(Sout)。

Description

局部放电检测设备和方法
技术领域
本发明涉及局部放电检测技术。局部放电检测，尤其在诸如中压或高压电缆、电缆接头、架空线路绝缘子、中压和高压配电箱、使用 GIS(气体绝缘开关设备)的高压和超高压电缆等电部件和设备中，用于检测和测量局部放电。
背景技术
术语局部放电，意指当电学部件存在各种类型缺陷时，最终在电学部件的电介质(绝缘)材料中，导致电介质破坏，出现电荷不需要的再组合。这时，在电介质材料的诸部分中产生脉冲电流，并引起电磁波传播通过有关电学系统的电源或地下电缆，并辐射通过各种周围媒体(电介质材料、金属、空气、等等)。
文献WO-A-2009-150627尤其描述一种完全绝缘和自供电的小尺寸的局部放电检测装置，它允许以最高的安全性进行测量，无需直接连接到正在考察的系统。该装置包括适合起电场传感器作用的并包含与第二导体合作的第一平面形导体(即，接地平面)宽带天线，第二导体的外形向着第一平面形导体会聚在一个点或一条线上，所述第二导体比要检测的场波长小约两个数量级，因此该宽带天线在从约0.1 MHz到约100MHz的频带中是不谐振的。例如，第二导体有空心球的形状。电子宽带放大器能够被用于调整天线的阻抗并放大被拾取的信号，用于弱信号检测。宽带放大器有最小频带，落在从约0.5MHz 到60MHz的范围中。偏带滤波(off-band filtering)由具有数十MHz 的截止频率的第一级或第二级滤波器完成。
申请人已经注意到，通过实施无线和无接触检测，颇大量的环境噪声也被接收；这些噪声能够比电部件的局部放电产生的小脉冲信号更响，由此降低该感测方法的精度。
文献US7183774公开一种采用被放在电器的插座中的UHF天线检测在该电器中的局部放电的方法。该方法包含分析被该天线拾取的电磁信号的频谱，以及识别该频谱内一个或多个关心的频率。为识别关心的频率，由天线接收的信号的频谱被与参考频谱比较。该方法包含对两个可用频谱每一频率上的最大峰值和平均值，计算该两个频谱之间振幅差值的步骤。
文献JP-A-07-027814描述一种用于电源装备的绝缘监控装置，它通过监控电晕放电的产生，监控该电学装备的绝缘状态。该装置由电晕检测天线、噪声检测天线构成，该电晕检测天线检测当电源装备中出现电晕放电时产生的电磁波，该噪声检测天线检测外部噪声波。此外，该装置还装备有信号处理电路，用于移除包含在电晕检测信号中的噪声信号。该处理电路由两个放大器和差动放大器组成。
发明内容
申请人已经注意到，文献JP-A-07-027814描述的技术不确保满意的噪声消除。申请人已经处理了采用拾取局部放电信号的天线设计局部放电检测设备的问题，该设计允许检测具有与同一天线上接收的噪声信号的振幅相当的振幅的局部放电脉冲。
申请人发现，两个天线按如下方式放置(在远处或附近位置中)，以致对局部放电信号的假设入射方向，一个天线呈现比另一个天线的有效面积更小的相应有效面积，这样可以提供满意的信噪比S/N值。尤其是，向着假设的局部放电源取向的天线的信号，被减去第二天线的信号。
按照第一方面，本发明涉及局部放电检测设备，包括：
第一天线，被配置成接收至少部分地与电物体的局部放电相关联的电磁信号，并产生第一电信号；该第一天线对第一接收方向有第一接收有效面积；
第二天线，被配置成接收电磁噪声信号，并产生第二电信号；该第一天线和第二天线被安排成使第二天线对所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面积的第二接收有效面积；和
第一处理模块，被配置成接收所述第一电信号和第二电信号，并产生代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号。
有利的是，第一天线和第二天线中的至少之一是定向天线。可取的是，第一天线和第二天线二者都是定向天线。
有利的是，第一天线和第二天线被放置在共用的支承结构上。该共用的支承结构能够是第一天线或第二天线之一的一部分。
可取的是，在本发明的设备中，第一天线对不同于所述第一接收方向的第二接收方向有第三有效面积；而第二天线对第二接收方向有第四有效面积，所述第四有效面积等于或大于第三有效面积。如此，第二天线比第一天线更噪声敏感。
可取的是，在本发明的设备中，第一天线例如被安排在支承结构上，以便在包含在第一半空间中的第一辐射图中有至少90％的接收功率；而第二天线例如被安排在相同的支承结构上，以便在包含在相对于把第一半空间和第二半空间分开的参考平面，与第一半空间相对着的第二半空间中的第二辐射图中有至少90％的接收功率。
更可取的是，第一天线例如被安排在支承结构上，以便对于位于第一半空间上的入射方向呈现相应接收增益的最大值，而第二天线被安排，例如被构建并被安装在同一支承结构上，以便对于位于第一半空间上的另外入射方向呈现相应接收增益的最大值。
在第一天线和第二天线二者都是定向天线并有大体上非重叠接收图的情形下，第一天线可取地包含第一天线导体，以及被配置成作为第一天线导体的接地平面工作的平面形导体。
可取的是，第一天线有球形形状。
可取的是，第二天线是贴片天线或环形天线。
在本发明的实施例中，本发明设备的共用支承结构包括平面部分，该平面部分包含：其上安装第一天线导体的第一侧，以及与第一侧相对着的其上安装所述第二天线导体的第二侧。
可取的是，该支承结构包括含有第一处理模块的印刷电路板。
可取的是，该印刷电路板包括被连接到第一天线和第二天线的电端子，以及把第一天线导体机械连接到该印刷电路板的支承元件。
可取的是，本发明设备的第一处理模块包括差值模块，被配置成产生所述差值电信号。该差值模块能够选自有源电子部件、电压变压器、或中心抽头电压变压器。
在有差值模块时，第一天线被构建成通过电容耦合检测代表向电物体供应的电压的趋势的同步电信号。
有利的是，本发明的设备还包含同步模块，被配置用于放大所述同步电信号和提供被放大的同步电信号。
在优选实施例中，所述第一处理模块还包括被连接到第一天线的第一高通滤波模块，以及被连接到第二天线的第二高通滤波模块，第一高通滤波模块和第二高通滤波模块被配置成从所述第一电信号和第二电信号去耦同步电信号。
在差值模块是有源电子部件的情形下，所述有源电子部件包括按非倒相负反馈配置的运算放大器。该运算放大器有利地包括：被配置成接收所述第一电信号的非倒相端子；被配置成接收所述第二电信号的倒相端子；以及被配置成提供代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号的输出端子。
在本发明的另一个实施例中，该设备还包含采集与分析装置，该装置包括：模数变换器，被构建成从差值电信号产生多个对应的抽样；采集触发器模块，用于从所述多个抽样选择采集抽样；存储器，被配置成存储选择的采集抽样；处理器，被构建用于产生要发送到采集触发器模块和存储器的命令信号。
可取的是，该测量模块被构建用于从同步模块接收被放大的同步电信号，并向处理器提供电参数。
该采集与分析装置可取地还包含收发器模块，该收发器模块被构建用于向/从外部处理器模块发送/接收数据/命令。
在优选实施例中，本发明的设备有第一天线和第二天线，第一天线被配置成接收具有包含在0.1MHz-100MHz范围中的频率的信号；第二天线被配置成接收具有包含在0.1MHz-100MHz范围中的频率的信号。
另一方面，本发明涉及一种局部放电检测方法，包括：
定位第一定向天线，以便对第一接收方向有第一接收有效面积；
由第一天线接收至少部分地与电物体的局部放电相关联的电磁信号；
由第一天线产生与接收的电磁信号对应的第一电信号；
定位第二定向天线，以便对所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面积的第二接收有效面积；
由第二天线接收电磁噪声信号；
由第二天线产生与所述接收的电磁噪声信号对应的第二电信号；
处理所述第一电信号和第二电信号，以便产生代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号。
在本发明的说明书和权利要求书中，所谓“定向天线”，是指沿某些方向比其他方向更有效地辐射或接收电磁波的天线。尤其是，所谓“定向天线”，是指具有大于0dB，可取的是大于1dB的前/后功率增益比(Front/Back ratio)的天线。以分贝表达的前/后增益参数，是与辐射图主瓣相关联的增益参数和与该辐射图的反向瓣相关联的增益参数之间的比率。天线的增益参数是从远场源由天线在天线的射束轴上产生的功率与由假想无损耗各向同性天线产生的功率的比率，该各向同性天线对来自所有方向的信号同等灵敏。
在本发明的说明书和权利要求书中，关于天线，所谓“信号的接收方向”或“信号的入射方向”，是指假设的信号的来自方向。
在本说明书和权利要求书中，所谓天线的“有效面积”，是指在每一入射方向上，天线多么有效地接收电磁波功率的度量。天线的有效面积，是依赖于表征天线方向性的天线性能的另一个参数，该天线性能是该天线的方向性。在本说明书中，术语“有效面积”和“方向性”二者将被用作表征从天线的特定入射方向接收功率的能力的交替参数。
附图说明
更多的特征和优点，将从下面的优选实施例和它的替代例子的说明而变得更为明显，替代例子是作为参照附图的例子方式给出的，附图中：
图1示出局部放电采集系统的实施例，该系统包括第一天线、第二天线、以及差值模块；
图2示意示出可供所述差值模块采用的有源电子部件；
图3示意示出可供所述差值模块采用的中心抽头初级电压变压器；
图4示出第一天线的第一辐射图和第二天线的第二辐射图；
图5是采用运算放大器的差值模块的实施例；
图6示出所述局部放电采集系统中包含的同步模块的实施例；
图7示出包含在所述局部放电采集系统中的采集与分析装置的实施例；
图8A和8B示出所述局部放电采集系统的具体实施例的两个不同视图；
图9示出用图8A和8B的局部放电采集系统获得的实验结果。
具体实施方式
图1示出电物体100和局部放电采集系统500，局部放电采集系统500包括局部放电检测设备400和任选的采集与分析装置300。
电物体100能够是任何种类的部件、装置、设备、或系统，它能够产生局部放电电磁脉冲，且例如是：中压或高电压电缆、电缆接头、架空线路绝缘子、中压或高压配电箱、使用GIS(气体绝缘开关设备) 的高压和超高压电缆、电动机或发电机或中压或高压变压器。
局部放电采集系统500是电子设备，可用于检测、测量和/或分析由像电物体100的电学源(electrical source)产生的局部放电。尤其是，局部放电采集系统500能够是便携式的并被包含在图上没有示出的箱中。
局部放电采集系统500被配置成放置在电物体100的邻近，以便按照无线和非接触模式接收与电物体100发射的局部放电脉冲对应的放电电磁信号Sd。还观察到，能够干扰与局部放电脉冲对应的电磁信号的检测的电磁噪声信号Sn能够出现在其中采用了局部放电采集系统500的区域中。
待检测的放电信号Sd，能够是具有包含在0.1MHz到100MHz 范围中的频率的电磁波脉冲。噪声信号Sn通常具有包含在相同的0.1 MHz到100MHz的范围中的频率。
局部放电检测设备400(为简单计，下文简称“检测设备”)包括：第一天线1和第二天线2，作为例子，按照本发明第一实施例，二者能够被安装在共用的支承结构3上。第一天线1被配置成接收放电信号Sd，但也能够接收不希望的电磁噪声信号Sn。
更详细地说，关于辐射的第一组入射方向，第一天线1被构建成呈现出具有第一值或多个第一值Aeff1-dr1的第一有效面积Aeff1。尤其是，第一组入射方向对应于放电信号Sd的入射方向。
第二天线2被配置成接收出现在其中采用了局部放电采集系统 500的区域中的电磁噪声信号Sn。在某些情形下，第二天线2还能够接收放电信号Sd。然而，第二天线2被构建成呈现出第二有效面积 Aeff2，该Aeff2对第一组入射辐射方向有小于第一天线1的所述第一值Aeff1-dr1的第二值或多个第二值Aeff2-dr1：
Aeff1-dr1＞Aeff2-dr1 (1)
尤其是，第一值Aeff1-dr1至少是第二值Aeff2-dr1的十倍。
对于第一组入射辐射方向，关系式(1)意味着第一天线1比第二天线2对放电信号Sd更敏感。
关于第二组入射辐射方向，第一天线1呈现出具有第三值或多个值Aeff1-dr2的第一有效面积Aeff1，而第二天线2呈现出具有第四值或多个第四值Aeff2-dr2的第二有效面积Aeff2。尤其是，第二组入射方向对应于电磁噪声信号Sn的入射方向。
按照具体的实施例，局部放电检测设备400被配置，以便对于第一天线1和第二天线2，关于第二组入射方向，使下面的关系式成立：
Aeff2-dr2≥Aeff1-dr2 (2)
按照关系式(2)，第四值Aeff2-dr2等于或大于第三值Aeff1-dr2。尤其是，第四值Aeff2-dr2至少是第三值Aeff1-dr2的十倍。
对第二组入射辐射方向，关系式(2)意味着第二天线2比第一天线1，对电磁噪声信号Sn是同样敏感或更敏感。
按照第一个例子，第一天线1和/或第二天线2是定向天线。尤其是，第一天线1和第二天线2呈现不同的三维辐射图。尤其是，局部放电检测设备400按如下方式被设计，以致第一天线1能够提供放电信号Sd的敏感和精确的检测，因此第一天线1被设计，以便对第一组入射方向获得第一有效面积Aeff1呈现最大值。
此外，局部放电检测设备400按如下方式被设计，以致第二天线 2能够提供噪声信号Sn的检测，因此第二天线2被设计，以便对第二组入射方向获得第二有效面积Aeff2呈现最大值。
可取的是，第一天线1具有的方向性有包括在3dB和30dB之间的前/后增益参数；更可取的是，该前/后增益参数被包括在6dB和10 dB之间。第二天线2具有的方向性具有的前/后增益参数大于第一天线1的前/后增益参数，且可取的是包括在10dB和30dB之间；更可取的是，第二天线2的前/后增益参数被包括在11dB和20dB之间。
举例说，第一天线1能够是如下天线之一：小贴片天线、环形天线、偶极子和超宽带天线。能够被用作第一天线1的特殊球形天线将在下文描述。
第二天线2能够是，举例说，类似于第一天线1的贴片天线、环形天线、偶极子、超宽带天线或球形天线。按照图1所示的第一实施例，局部放电检测设备400还包括差值模块600，它有：第一输入端子4，借助第一导体线路5被连接到第一天线1的第一输出端子6；以及第二输入端子7，借助第二导体线路8被连接到第二天线2的第二输出端子9。
此外，第一天线1被配置成接收放电信号Sd和不需要的噪声信号Sn，并把它们转换成可在第一导电线路5上使用的第一接收的电信号Sin1(如电流)。第二天线2被配置成接收噪声信号Sn并且也接收放电信号Sd的一部分，并把它们转换成可在第二导电线路8上使用的第二接收的电信号Sin2(如另外的电流)。
图4作为例子，示出第一天线1的第一辐射图RD1和第二天线2 的第二辐射图RD2，就像当第一天线1和第二天线1和2被定位以便为了检测而操作时那样。尤其是，图4示出第一天线1的第一辐射图的竖直截面，以及第二天线2的第二辐射图的另一个竖直截面。竖直截面是竖直平面和相应图之间的截面，竖直平面例如是垂直于地面的平面。本领域的熟练人员清楚，天线的辐射图大体上与同一天线的接收图相同。按照图4所示的例子，第一图RD1大体上位于第一半空间中，而第二图RD2大体上位于，关于参考平面，如，平行于地面的平面，相对着的半空间中。
尤其是，第一天线1的第一辐射图和第二天线2的第二辐射图，大体上不彼此重叠，且尤其是，第一天线1对位于第一半空间中的入射方向(朝向预期的局部放电源)，呈现接收增益的最大值。第二天线2对位于与第一半空间相对着的第二半空间中的入射方向，呈现接收增益的最大值。
可取的是，第一天线1被安排在支承结构3上，以便有包含在第一半空间中的第一辐射图的至少90％的接收功率，而第二天线2被安排在支承结构3上，以便有包含在与第一半空间相对着的第二半空间中的第二辐射图的至少90％的接收功率。举例说，第一天线1和第二天线2二者呈现20dB的前/后增益参数，并且尤其是它们沿不同的且可取的是相反的方向取向。
图1的差值模块600被配置成产生代表第一电接收信号Sin1和第二电接收信号Sin2之间差值的差值输出信号Sout。差值模块600被配备用于差值输出信号Sout的第三输出端子10。
按照图2所示例子，差值模块600能够包括有源电子装置，例如运算放大器11或适用于产生差值输出信号Sout的另一种类型的分立电子有源部件。采用运算放大器11的差值模块600的具体实施例将在下文描述。
按照图3所示另一个例子，差值模块600能够包括无源电子装置，例如电变压器12，适合于产生差值输出信号Sout。该电变压器12是高频变压器。按照图3所示例子，以中心抽头配置的高频变压器12包含有两个末端端子的第一绕组13，适合各自接收第一电接收信号Sin1和第二电接收信号Sin2，而中心端子15被连接到电接地端GND。高频变压器12的第二绕组14与第一绕组13相互耦合，并被配备用于差值输出信号Sout的差值信号端子40和被连接到电接地的接地端子GND。
按照图1所示实施例，局部放电检测设备400还能够被配备同步模块200，它被配置用于在第三输入端子16上接收第一同步电信号 Ssyn1，并且在第四输出端子17上提供第二同步电信号Ssyn2。第一同步电信号Ssyn1代表向正在测试的电物体100供应的AC(交流)电压的性能，并且按照一个实施例，通过借助第一天线对由通过电物体100 的电压产生的电源电磁信号Ssup进行无线和无接触的检测，该第一同步电信号Ssyn1能够被获得。按照本实施例，第三输入端子16被连接到第一连接线路5，以便接收也包含第一同步电信号Ssyn1的第一接收的电信号Sin1，而且尤其是，第一天线1被设计成作为电容耦合传感器工作，以便从电源电磁信号Ssup检测该第一同步电信号Ssyn1。在这种情况下，第一天线1被设计成给出与AC(交流)电压的适当电容耦合，该AC电压正在向例如有适当耦合表面的电物体100馈电。
按照另一个实施例，第一同步电信号Ssyn1能够被可与第三输入端子16连接的同步传感器18检测，该同步传感器18例如是用于无线和无接触检测的另外天线、或使之与电物体100接触或使之与以供应给电物体100一样的电压工作的另一个电部件接触的其他类型传感器。
按照另一个实施例，关于差值模块600，它还能够被构建成适合处置第一接收的电信号Sin1和第二接收的电信号Sin2，且因此它也能够包括放置在运算放大器11或电变压器12之前的高通滤波模块和任选的均衡模块。
图5涉及其中采用运算放大器11的情况下的差值模块600的例子。该差值模块600包括有连接到第一输入端子4的相应输入的第一高通滤波模块19。作为例子，第一高通滤波器模块19能够包含与第一电阻器R1串联的第一电容器C1。该高通滤波器模块19的输出被连接到任选的第一均衡模块20，该第一均衡模块20还经由第一节点 25被连接到运算放大器11的非倒相端子“+”。第一节点25被连接到第三电阻器R3，该第三电阻器还被连接到接地端子GND。
图5的差值模块600还包括有连接到第二输入端子7的相应输入的第二高通滤波器模块21。作为例子，第二高通滤波器模块21能够包含与第二电阻器R2串联的第二电容器C2。第一高通滤波器模块19 和第二高通滤波器模块21，被构建成分别从第一接收的电信号Sin1和第二接收的电信号Sin2去耦在较低频率上的第一同步电信号Ssyn1。
第二高通滤波器模块21的输出被连接到任选的第二均衡模块 22，第二均衡模块22还经由第二节点26被连接到运算放大器11的倒相端子“-”。运算放大器11被配备：用于电源电压V1的第一电源端子 32、连接到接地端子GND的第二电源端子33、以及用于差值输出信号Sout的第五输出端子24，差值输出信号Sout能够是输出电压Vout。第五输出端子24通过输出电阻器Rout被连接到第三输出端子10。
输出电压Vout由施加于非倒相端子“+”和倒相端子“-”的电压的差值，乘以运算放大器11的增益因子Aop给出。尤其是，运算放大器 11被配置成呈现的带宽至少包含第一天线的带宽，例如范围从0.1 MHz到100MHz的带宽。运算放大器11能够包含一个或多个差动放大器，各借助差动配置的晶体管对实现。多个放大级能够被包含在运算放大器11中，以达到希望的放大器增益。第一电阻器R1、第二电阻器R2和反馈电阻器Rf表明各自能够被选择的电阻值，以设计运算放大器11的增益因子Aop，并分别与第一天线1和第二天线2的阻抗匹配。
此外，按照一具体实施例，运算放大器11是按非倒相负反馈配置，且反馈电阻器Rf被连接在第五输出端子24和第二节点26之间，第二节点26又被连接到倒相端“-”。负反馈配置允许获得差值模块600 可预测的性能。第一均衡器20和第二均衡器22 能够被用于补偿第一天线1和第二天线2的频率响应的可能差别。
操作时，第一天线1与第二天线2被同时采用。第一天线1按照它的有效面积图，拾取放电信号Sd、噪声信号Sn成分以及电源电磁信号Ssup，并产生第一接收的电信号Sin1。第二天线2按照它相应的有效面积图，拾取噪声信号Sn和放电信号Sd的一部分，并产生第二接收的电信号Sin2。第二天线2还能够拾取电源电磁信号Ssup。
第一接收的电信号Sin1和第二接收的电信号Sin2被馈送到差值模块600。例如参照图5的实施例，第一接收的电信号Sin1和第二接收的电信号Sin2，分别被第一高通滤波模块19和第二高通滤波模块21 滤波。任选的第一均衡模块20和第二均衡模块22作用在第一接收的电信号Sin1和第二接收的电信号Sin2上，以便均衡第一天线1和第二天线2的频率响应差别，并且获得第一输入信号S1和第二输入信号 S2。
应当指出，多亏上面描述的关于第一天线1和第二天线2的有效面积的条件，第一输入信号S1承载的放电信号Sd成分大于由基本上代表噪声Sn成分的第二输入信号S2承载的放电信号Sd成分。
第一输入信号S1被馈送至运算放大器11的非倒相端子“+”而第二输入信号S2被馈送至运算放大器11的倒相端子“-”。运算放大器 11完成第一输入信号S1与第二输入信号S2之间的差值运算，产生输出的差值信号Sout，其中噪声成分被缩减或大体上被移除。运算放大器11允许从第一输入信号S1中减去第二输入信号S2中存在的噪声成分。
图6示出同步模块200的实施例，它包括放大器模块27，诸如高增益缓冲放大器，有被连接到第三输入端子16的输入和被连接到低通滤波器模块29的第六输出端子28。高增益缓冲放大器27还配备用于电源电压V1的第三电源端子30，以及被连接到接地端子GND的第四电源端子31。举例说，高增益缓冲放大器27是电压放大器并有大于100的增益。此外，高增益缓冲放大器27呈现的输入-输出阻抗＞1 MΩ，并能够有低于1kHz的总带宽。作为例子，低通滤波器模块29 包含被连接在第六输出端子28与第三节点34之间的第四电阻器R4，以及被连接在第三节点34与接地端子GND之间的第三电容器C3。第三节点34被连接到第四输出端子17。
采集与分析装置300能够被包含在还含有局部放电检测设备400 的外壳中，或者能够被包含在分开的外壳中。图7示意示出采集与分析装置300的实施例，它包括任选的宽带可编程放大器71(PGA)，宽带可编程放大器71有被连接到差值模块600的第三输出端子10的输入，和被连接到模数变换器72的相应的输出。采集与分析装置300 还包含控制模块73，诸如，场可编程门阵列(FPGA)，它被构建成控制宽带可编程放大器71并从模数变换器72(ADC)接收数据。宽带可编程放大器71能够被编程，以便借助由控制模块73提供的偏移信号Soff和增益信号Sga，把偏移值和放大增益值给予差值输出信号 Sout，由此产生被放大的输出信号Saout。
举例说，宽带可编程放大器71允许从约-5dB到+40dB范围的连续增益变化。模数变换器72被构建成通过由控制模块73产生的时钟信号CK被同步，并产生被发送到控制模块73的被变换的数据 DTA。模数变换器，例如能以8比特的分辨率每秒变换250兆抽样。该抽样频率允许以4ns的时间分辨率采集差值电信号Sout。已经观察到，大多数局部放电脉冲常常比0.5μs更长，采集与分析装置300允许采集脉冲波形，并以包括在200与300之间的抽样数量表示它。
尤其是，控制模块73包含诸如微处理器的处理单元74(PU)，以及诸如RAM(随机存取存储器)的存储器75(M)。更具体地说，该存储器75能够是循环缓冲器。处理单元74被连接到：定时模块77 (TM)和被配置成接收第二同步电信号Ssyn2的同步逻辑模块76 (SINL)。同步逻辑模块76被构建成测量第二同步电信号Ssyn2的相位，并把该测量值传送到处理单元74。
此外，输入/输出端口77允许把由处理单元74产生的输出命令 Comm，以偏移信号Soff和增益信号Sga的形式，传送到宽带可编程放大器71。控制模块73还被配备触发器模块78(TRLM)和被配置成产生地址的地址发生模块79(ADD-GEN)，这些地址是在处理单元 74控制下，把新数据写入存储器75中和读出存储器75中存储的数据所必需的。
触发器模块78被配置成，仅仅对被放大的输出信号Saout的选定值，诸如，仅仅对具有的振幅(即，绝对值)大于阈值水平的正的或负的脉冲，触发从宽带可编程放大器71出来的被放大输出信号Saout的抽样的存储。触发器逻辑模块78能够是包括一个或多个模拟比较器的逻辑模块，以便比较由模数变换器提供的抽样值与一个或多个阈值。
此外，控制模块73包括主接口模块80(INTF)，主接口模块 80允许数据传输到收发器81(TR)，例如，US/以太网(US/Ethernet) 收发器，该收发器81被配置成通过有线或无线连接线路BD，与另外的(举例说，在采集系统500外部的)处理器82交换数据/命令。该外部处理器被配置成处理和分析接收的数据，例如允许在监控器上显示放电脉冲性能或用于随后的处理和查询的存储。
控制模块73还能够被配备与处理单元74连接的提取模块83(如，协处理器CO-P)，该提取模块83被配置成执行提取，尤其是，从存储器79中存储的数据中实时提取脉冲特征。由协处理器提取的可能的脉冲特征的例子是：峰值和极性、相位、能量、持续时间和威伯尔参数(Weibull parameter)的粗略估算。
在控制模块73操作时，采集被启动并且处理单元74产生激活触发器模块78的信号，触发器模块78产生触发信号，通过读取被放大的输出信号Saout的抽样相对于第二同步信号Ssyn2的相位角，允许存储选定的抽样。收集的数据能够被发送到外部处理器82。
局部放电采集系统500还能够包含一个或多个电池，以便向上述模块供应电压。
图8A和8B示出局部放电采集系统500优选实施例的两个不同视图，该局部放电采集系统500已经由申请人实现，并包括第一天线 1、第二天线2和支承结构3的具体实施例。更详细地说，第一天线1 是定向天线，且尤其是宽带的、非谐振的天线，包括第一天线导体90 和用作接地平面的平面导体91。第一天线导体90被相对于平面导体 91电隔离，且它们作为第一天线1的两极操作。尤其是，第一天线导体90是球形形状的，并包含诸如金属或聚合物材料的导电材料的空心球。该球形形状的第一天线导体90，例如有包括在3和30cm之间，可取的是在5和20cm之间的直径。
第一天线导体90由绝缘的支承93支承，支承93被固定在支承结构3上，按照已做成的例子，支承结构3是包含电子电路的印刷电路板(PCB)，对应于差值模块600、同步模块200和采集与分析模块300。接地平面91被放置在面对天线导体90的支承结构3的第一侧，并按金属片层实现。
按照已做成的例子，第二天线2包括能够是第一天线1同一接地平面91的相应接地平面，以及第二天线导体94。第二天线导体94是电学上的小天线，被设计成如同第一天线导体90一样获得类似的电特征，且在关心的频带中是非谐振的。尤其是，第二天线导体94能够是小的偶极子、环形的或螺旋形的天线。在图8A和8B给出的实施例中，第二天线导体94是贴片天线，在支承结构3的与第一侧相对着的第二侧中实现。按照一例子，贴片天线94由一定面积的铜做成，该面积覆盖1/4和1/2之间的支承结构3，当1.6mm厚的FR4片层被用于制作印刷电路板3时，该支承结构3还作为印刷电路板起作用。这样提供与第一天线导体90类似的电特征。印刷电路板3在两侧被配备电端子，用于接触第一天线导体90和第二天线导体94。
图8A和8B所示实施例，允许非常紧凑和结实的实施方案，确保合适的互补辐射图，并且不影响第一天线导体90的频率响应，因此不使接收的局部放电脉冲Sd畸变。由于接地平面91的存在，如图4 所示，第一天线1和第二天线2的辐射图是定向的，所以向相反的半空间延伸。这样分别为第一天线1和第二天线2的局部放电信号Sd和环境噪声Sn提供显露(exposition)和灵敏度，呈现良好性能。
按照另外的实施例，第一天线导体90还能够有另外的两维或三维的形状，诸如平面形状，如：三角形、月角(cusp)形或盘形。第一天线导体90能够类似于专利申请WO-A-2009-150627中描述的天线。
图9示出用局部放电采集系统500进行的测试结果，该局部放电采集系统500是按照参考图8A和8B描述的实施例实现的。实验设施采用了用Tektronix AFG3102任意波形发生器实现的模拟局部放电源，被设置以便产生脉冲信号的规则图形(周期1μs，上升/下降时间 10/20ns)，被连接到10cm长偶极子天线。该实验采用的第一天线1 包含球形形状的第一天线导体90，具有7cm的直径。
局部放电采集系统500被放置在离模拟的PD源约20cm，把第一天线1指向它。由于存在开关变换器(switching converter)和电机，测试是在极其噪杂的环境中进行的。
Tektronix DSO3034数字示波器(四通道、带宽350MHz)被连接到第一和第二天线每一个的第一输出端子6和第二输出端子9，并在第三输出端子10接收差值电信号Sdiff。
三个得到的波形被示于图9：上部波形Wn是第二天线2的输出、中央波形Wpd是第一天线1的输出、下部波形Wd是局部放电采集系统500的输出。应当指出，第一天线1和第二天线2二者接收到强的噪声脉冲串(大于200mVpp)，显著地大于接收的PD脉冲。如所预料，由于第二天线2的方向性，在从第二天线2接收的波形Wn(上部波形)中，PD脉冲不可见，虽然它们能够在第一天线波形Wpd中被识别，但相对地被噪声埋藏。应当指出，噪声脉冲串按相同方式被两个天线检测。就像能够看到那样，在局部放电采集系统500的输出处取得的差值波形Wd，却有极大地改进了的信/噪比，事实上，PD脉冲清晰可见且噪声被强烈衰减(注意20mV的竖直刻度)。
关于局部放电检测系统500的另外实施例，第一天线1和/或第二天线2，能够在便携式盒子外部，该盒子包含局部放电检测设备400 并分别由第一连接线路5和第二连接线路9连接到差值模块600，这些线路是对应的电缆。按照该实施例，第一天线1和第二天线2中的至少之一是定向天线。
可取的是，如图1所示，第一天线1被容纳在包括局部放电检测设备400的盒子中，而第二天线2在局部放电检测设备400外部并能够被移动，以便被适当地取向。按照该优选实施例，第二天线2是定向天线，例如有如图4所示的第二辐射图RD2。
按照该优选实施例，局部放电检测设备400被定位，以便使第一天线1朝电物体100取向，用于接收局部放电信号Sd，因此对局部放电信号Sd的入射方向，呈现第一接收有效面积。可移动的第二天线2 被取向，以便接收电磁噪声信号Sn并且对局部放电信号Sd的入射方向，呈现第二接收有效面积，该第二接收有效面积小于所述第一接收有效面积。第一天线1被取向成对局部放电信号Sd比第二天线2更灵敏。第二天线2被取向成对电磁噪声信号Sn比第一天线1更灵敏。移动第二天线2的可能性，允许与由第一天线1接收的局部放电信号Sd的功率量相比，降低由第二天线2接收的局部放电信号Sd的功率量。由第一天线1和第二天线2产生的电信号的处理类似于上面参考图1 的局部放电检测设备400描述的处理。

Claims (23)

1.一种局部放电检测设备，包括：
第一天线(1)，被配置成接收至少部分地与电物体(100)的局部放电相关联的电磁信号(Sd)，并产生第一电信号(Sin1)；该第一天线对第一接收方向有第一接收有效面积；
第二天线(2)，被配置成接收电磁噪声信号(Sn)，并产生第二电信号(Sin2)；该第一天线和该第二天线被安排成使第二天线对所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面积的第二接收有效面积；和
第一处理模块(600)，被配置成接收所述第一电信号和所述第二电信号，并产生代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号(Sout)，
其中，第一天线(1)被安排，以便在包含在第一半空间中的第一辐射图(RD1)中有至少90％的相应的接收功率；
第二天线(2)被安排，以便在包含在与第一半空间相对着的第二半空间中的第二辐射图(RD2)中有至少90％的对应的接收功率。
2.权利要求1所述的设备，其中该第一天线(1)和该第二天线(2)被放置在共用的支承结构(3)上。
3.权利要求2所述的设备，其中该第一天线(1)和该第二天线(2)中的至少之一是定向天线。
4.权利要求3所述的设备，其中该第一天线和该第二天线二者都是定向天线。
5.权利要求1所述的设备，其中：
第一天线(1)对不同于所述第一接收方向的第二接收方向有第三有效面积；
第二天线(2)对第二接收方向有第四有效面积；
其中，第二天线的第四有效面积等于或大于第一天线的第三有效面积。
6.权利要求2所述的设备，其中：
第一天线被安排在该支承结构上，以便对位于第一半空间的入射方向呈现相应接收增益的最大值；和
第二天线被安排在该支承结构上，以便对位于第一半空间的另外的入射方向呈现相应接收增益的最大值。
7.权利要求3所述的设备，其中第一天线(1)包含：
第一天线导体(90)；和
平面导体(91)，被配置成作为第一天线导体的接地平面工作。
8.权利要求7所述的设备，其中第二天线包含：第二天线导体(94)，其中所述平面导体(91)被配置成也作为第二天线导体的接地平面工作。
9.权利要求7所述的设备，其中第一天线导体(90)是球形形状的。
10.权利要求8所述的设备，其中第二天线导体是贴片天线。
11.权利要求10所述的设备，其中所述支承结构(3)包括平面部分，该平面部分包含：
其上安装第一天线导体(90)的第一侧；和
与第一侧相对着的第二侧，其上安装所述第二天线导体(94)。
12.权利要求2所述的设备，其中所述支承结构(3)包括含有所述第一处理模块(600)的印刷电路板。
13.权利要求12所述的设备，其中：
所述印刷电路板包括连接到第一天线(1)和第二天线(2)的电端子；和
支承元件(93)，把第一天线导体(90)机械连接到该印刷电路板。
14.权利要求1所述的设备，其中所述第一处理模块(600)包括差值模块，该差值模块被配置成产生所述差值电信号(Sout)，并属于由下列项构成的组：有源电子部件(11)、电压变压器(12)、中心抽头电压变压器。
15.权利要求14所述的设备，其中：所述第一天线被构建成通过电容耦合检测代表向电物体(100)供应的电压的趋势的同步电信号(Ssyn1)。
16.权利要求15所述的设备，其中所述第一处理模块(600)还包括：
第一高通滤波模块(19)，被连接到第一天线；和
第二高通滤波模块，被连接到第二天线；
其中该第一高通滤波模块和该第二高通滤波模块被配置成从所述第一电信号(Sin1)和第二电信号(Sin2)去耦同步电信号。
17.权利要求14所述的设备，其中所述有源电子部件包括：
按非倒相负反馈配置的运算放大器，且包括：
非倒相端子，被配置成接收所述第一电信号(Sin1)；
倒相端子，被配置成接收所述第二电信号(Sin2)；和
输出端子(24)，被配置成提供代表第一电信号和第二电信号之间差值的差值电信号(Sout)。
18.权利要求15所述的设备，还包含同步模块(200)，被配置用于放大所述同步电信号(Ssyn1)并提供被放大的同步电信号(Ssyn2)。
19.权利要求18所述的设备，还包含采集与分析装置(300)，该装置包括：
模数变换器(72)，被构建成从所述差值电信号(Sout)产生多个对应抽样；
采集触发器模块(78)，用于从所述多个对应抽样选择采集抽样；
存储器(75)，被配置成存储选择的采集抽样；
处理器(74)，被构建成产生要发送到采集触发器模块(78)和存储器(75)的命令信号。
20.权利要求19所述的设备，还包含测量模块(76)，被构建成接收所述被放大的同步电信号(Ssyn2)并向所述处理器(74)提供电参数。
21.权利要求20所述的设备，其中所述采集与分析装置(300)还包含收发器模块(81)，该收发器模块被构建成向/从外部处理器模块(82)发送/接收数据/命令。
22.权利要求1所述的设备，其中第一天线被配置成接收具有包含在0.1MHz-100MHz范围中的频率的信号，而第二天线被配置成接收具有包含在0.1MHz-100MHz范围中的频率的信号。
23.一种局部放电检测方法，包括：
定位第一天线(1)，以便对第一接收方向有第一接收有效面积；
由第一天线接收至少部分地与电物体(100)的局部放电相关联的电磁信号(Sd)；
由第一天线产生与该接收的电磁信号(Sd)对应的第一电信号(Sin1)；
定位第二天线(2)，以便对所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面积的第二接收有效面积；第一天线和第二天线中的至少之一是定向天线，
由第二天线接收电磁噪声信号(Sn)；
由第二天线产生与所述接收的电磁噪声信号(Sn)对应的第二电信号(Sin2)；
处理所述第一电信号和第二电信号，以便产生代表第一电信号与第二电信号之间差值的差值电信号(Sout)，
其中，第一天线(1)被安排，以便在包含在第一半空间中的第一辐射图(RD1)中有至少90％的相应的接收功率；
第二天线(2)被安排，以便在包含在与第一半空间相对着的第二半空间中的第二辐射图(RD2)中有至少90％的对应的接收功率。
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