CN104749498B - 一种便携式局部放电检测及诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式局部放电检测与诊断装置，包括局部放电检测仪、电缆、前置传感器、充电器装置，其中局部放电检测仪包括下位机和上位机，下位机包括模拟单元模块、FPGA模块、ARM模块、时钟及复位模块和电源管理模块，上位机为Linux工控机。本发明具有14位100MHz双通道采集系统，最大可存储深度为64Mbit，采用PRPD聚类分析联合脉冲波形时频分析的方式，准确完成对缺陷的特征谱图的展示和故障的模式识别；同时配有射频传感器和超高频传感器，可以通过更换前端传感器完成对一次设备的脉冲电流检测和超高频检测；本设备体积小重量轻并可电池供电，便于对变压器现场带电测试与巡检。

Description

一种便携式局部放电检测及诊断装置

技术领域

本发明涉及变压器及GIS状态监测领域，特别涉及一种便携式局部放电检测及诊断装置。

背景技术

电力变压器和GIS是输电和配电网络中最重要的设备，其运行状况直接关系到系统的安全稳定和经济运行。而电网的可靠运行很大程度上要依赖高压设备的制造以及安装质量，一旦发生故障必将引起局部甚至全区的停电。然而在电力变压器和GIS设备的内部绝缘中总会有不同程度的缺陷，如固体或者液体介质中含有的杂志、水分、气隙、小气泡等。这些缺陷在各种运行因素如电场变化、温度变化、机械应力和受潮等长期作用下，使绝缘结构发生老化、分解和裂隙。这是引起电力设备内部局部放电的主要原因。通过对变压器和GIS局部放电进行在线监测，可以及时发现设备内部绝缘的潜伏性缺陷，以判断设备内部绝缘裂化的程度。因此可以从局部放电的发展情况灵敏的揭示设备内部的各种电气以及非电气故障，保障变压器安全运行。

电气设备出现局部放电时，会伴随电脉冲、超声波、光、热和化学变化等物理现象的产生。因此根据其放电伴随的现象，通常有电化学检测法、超声波检测法、超高频检测法以及脉冲电流检测法等。射频检测法将电气设备套管末端接地线、外壳接地线、铁心接地线等处的脉冲电流通过线圈转化为电压信号，由于该检测方法不改变电力系统的运行方式，且可以标定局部放电放电量等优势，得到了比较广泛的应用。而对于GIS内部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短的纳秒级电流脉冲，并产生频率分量极其丰富的电磁信号，通过传感局部放电所产生的电信号进行局部放电检测，有可能实现较高的灵敏度，并能够及时发现早期的的局部放电。超高频检测法采用天线耦合电磁波的方式，检测频带主要集中在300MHz-3000MHz范围内，可以有效避开常规脉冲电流检测法所受到的干扰，有效地提高了检测灵敏度。鉴于超高频检测法的抗干扰能力强、可定位等特点，近年来已成为GIS局部放电在线监测的主要传感方式，并得到了实际的应用。

目前国内研制了大量的局部放电检测装置，然而对比分析可以发现，目前采样率高、抗干扰能力强的局部放电检测仪都具有体积较大、重量过重、并基于PC进行数据处理的特征，不具备便携性，且检测手段比较单一。而具有便携性或者多检测手段的局放仪往往采样率低，对数据处理比较简单，难以满足专业人员需求。实际中我们需要一款便携式变压器局部放电专业巡检装置，能够同时完成脉冲电流和超高频多种检测方法，并且具备体积小、重量轻、锂电池供电等便携式特点，又能满足专业人员对数据实时进行分析处理的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出如下技术方案：

一种便携式局部放电检测及诊断装置，包括局部放电检测仪、电缆、前置传感器以及充电器；所述前置传感器包括射频传感器模块和/或超高频传感器模块；所述射频传感器模块包括射频传感器，用于检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流；所述超高频传感器模块包括分频器和超高频传感器，所述超高频传感器用于检测局部放电所产生的电磁脉冲信号，所述分频器用于将超高频信号降频为50MHz以下，以便于采集卡采样时满足香浓定律的采样要求；所述局部放电检测仪用于接收所述前置传感器检测到的脉冲信号以及分压器取得的工频信号，对所述电压信号进行采集形成采样数据，并对所述采样数据进行分析，实现局部放电的模式识别；所述电缆用于连接所述局部放电检测仪和前置传感器；所述充电器用于对所述局部放电检测仪充电。

所述射频电流传感器，频带范围为1.5MHz-200MHz，最小上升沿时间为2ns。安装于电气设备套管末端接地线、外壳接地线、铁心接地线处，将脉冲电流通过线圈转化为电压信号。

所述超高频传感器为超高频微带贴片天线，天线长为5cm，宽为3.5cm，厚度为0.2cm，带宽为0.4GHz～2.7GHz；所述贴片天线可设置于在GIS腔体内，也可设置于GIS盆式绝缘子外表面。

所述局部放电检测仪包括上位机和下位机；所述上位机为Linux工控机，所述工控机通过网口通讯协议，对下位机进行控制和对下位机的采样数据进行分析、显示以及存储；所述上位机具有8寸800*600分辨率电阻式触摸屏；所述上位机采用Cortex A8嵌入式ARM低功耗CPU，主频1GHz；所述上位机采用PRPD聚类分析方法以及脉冲波形时频分析方法联合诊断的方式实现局部放电的模式识别；所述PRPD聚类分析方法采用(放电次数-放电量-放电相位)三维图谱以及(放电量-放电相位)、(放电次数-放电相位)、Q-N(放电量-放电次数)二维图谱全面展示其放电特征，并提取其对应的特征参量；所述脉冲波形时频分析方法采用Q-t(幅值-时间)、Q-f(幅值-频率)、f-t(频率-时间)三种谱图展示其放电脉冲特征，其中时频联合分布图谱采用ST算法对数据进行分析，并提取时域和频域特征。

所述下位机包括模拟单元模块、FPGA模块、ARM模块、时钟及复位模块以及电源管理模块。通过网口通讯协议解析上位机所发送的指令并实施操作，并将所采集数据打包发送给上位机；所述模拟单元模块采用ADS5541双通道14位100MHz ADC对前置传感器所耦合的电压信号进行采样；所述模拟单元模块采用闭环反馈方式对采用数据进行预处理，对电压信号进行增益处理和/或保证电压信号不超出量程范围；所述模拟单元模块局部放电电压幅值可调为以下数值：10mV，25mV，50mV，100mV，250mV，500mV，1V，2.5V，5V；触发阈值可调为不超过当前电压幅值的任意数值；所述FPGA模块是基于EP2S60F672I4芯片的电路模块，主要用来接收、缓冲以及控制ADC所传来的14位高速数字信号，然后在内部利用FFT算法实现对信号的快速处理。所述ARM模块式基于LPC1788芯片的电路模块，主要用于获取FPGA用于将FPGA模块传送来的电压信号进行处理获得脉冲模型峰值和相位，通过开窗比较的方式提取局部放电的脉冲峰值和相位特征。系统总体采用FPGA+ARM总线桥接结构，FPGA将存储单元挂载在ARM模块上，极大地提高的系统的计算速度；所述时钟及复位模块用于时序计时及复位；所述电源管理模块包括可充电电池和充放电管理电路，用于对FPGA模块、ARM模块、模拟单元模块和时钟及复位模块进行供电；所述可充电电池为锂电池。

所述局部放电检测仪尺寸为242mm×180mm×114mm，重量为2.1kg，可连续带电工作十小时以上。

本发明兼顾便携性和完善的数据处理分析性能，解决了一次设备放电现场测试和诊断的问题，具有巨大的实际应用价值。本发明采用上位机与下位机通讯的模式工作，装置体积小，重量轻，携带方便；采用具有反馈环节的模拟单元模块，解决了信号较小时误差较大和信号过大时超出量程的问题，充分利用ADC采样位数，保证了较高的灵敏度；采用乒乓机制实现流水线式操作，提高了数据处理效率，节约了数据缓冲空间；采用PRPD聚类分析以及脉冲波形时频分析联合诊断，提高了诊断的准确率。

附图说明

图1为本发明一种便携式局部放电检测与诊断装置的一个实施例设计原理图；

图2为本发明的一个实施例中局部放电检测仪设计原理图；

图3为本发明的一个实施例中模拟单元模块设计结构图；

图4为本发明的一个实施例中上位机数据算法结构图；

图5为本发明的一个实施例在一台变压器上的接线示意图；

图6为本发明的一个实施例在一台GIS上的接线示意图；

图7为使用本发明的一个实施例装置对工频电压下局部放电测量的结果示例；

图8为使用本发明的一个实施例装置对工频电压下所测得局部放电PRPD数据的分析界面；

图9为使用本发明的一个实施例装置对工频电压下所测得局部放电脉冲波形数据的分析界面。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种便携式局部放电检测及诊断装置的实施方式进行进一步说明。应当理解，下述所有实施例只是本发明的实现或者优选实现方式之一，本发明并不局限于所述实施例。

在如图1～9所示的实施例中，一种便携式局部放电检测及诊断装置，包括局部放电检测仪、电缆、前置传感器以及充电器；所述前置传感器包括射频传感器模块和/或超高频传感器模块；所述射频传感器模块包括射频传感器，用于检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流；所述超高频传感器模块包括分频器和超高频传感器，所述超高频传感器用于检测局部放电所产生的电磁脉冲信号，所述分频器用于将超高频信号降频为50MHz以下，以便于采集卡采样时满足香浓定律的采样要求；所述局部放电检测仪用于接收所述前置传感器检测到的脉冲信号以及分压器取得的工频信号，对所述电压信号进行采集形成采样数据，并对所述采样数据进行分析，实现局部放电的模式识别；所述电缆用于连接所述局部放电检测仪和前置传感器；所述充电器用于对所述局部放电检测仪充电。

所述射频电流传感器，频带范围为1.5MHz-200MHz，最小上升沿时间为2ns。安装于电气设备套管末端接地线、外壳接地线、铁心接地线处，将脉冲电流通过线圈转化为电压信号；所述超高频传感器为超高频微带贴片天线，天线长为5cm，宽为3.5cm，厚度为0.2cm，带宽为0.4GHz～2.7GHz；所述贴片天线可设置于在GIS腔体内，也可设置于GIS盆式绝缘子外表面。

所述局部放电检测仪包括上位机和下位机；所述上位机为Linux工控机，所述工控机通过网口通讯协议，对下位机进行控制和对下位机的采样数据进行分析、显示以及存储；所述上位机具有8寸800*600分辨率电阻式触摸屏，采用Cortex A8嵌入式ARM低功耗CPU，主频1GHz；所述上位机采用PRPD聚类分析方法以及脉冲波形时频分析方法联合诊断的方式实现局部放电的模式识别；所述PRPD聚类分析方法采用(放电次数-放电量-放电相位)三维图谱以及(放电量-放电相位)、(放电次数-放电相位)、Q-N(放电量-放电次数)二维图谱全面展示其放电特征，并提取其对应的特征参量。所述脉冲波形时频分析方法采用Q-t(幅值-时间)、Q-f(幅值-频率)、f-t(频率-时间)三种谱图展示其放电脉冲特征，其中时频联合分布图谱采用ST算法对数据进行分析，并提取时域和频域特征。

所述下位机包括模拟单元模块、FPGA模块、ARM模块、时钟及复位模块以及电源管理模块。通过网口通讯协议解析上位机所发送的指令并实施操作，并将所采集数据打包发送给上位机；所述模拟单元模块采用ADS5541双通道14位100MHz ADC对前置传感器所耦合的电压信号进行采样；所述模拟单元模块采用闭环反馈方式对采用数据进行预处理，对电压信号进行增益处理和/或保证电压信号不超出量程范围；所述模拟单元模块局部放电电压幅值可调为以下数值：10mV，25mV，50mV，100mV，250mV，500mV，1V，2.5V，5V；触发阈值可调为不超过当前电压幅值的任意数值；所述FPGA模块是基于EP2S60F672I4芯片的电路模块，主要用来接收、缓冲以及控制ADC所传来的14位高速数字信号，然后在内部利用FFT算法实现对信号的快速处理。所述ARM模块式基于LPC1788芯片的电路模块，主要用于获取FPGA用于将FPGA模块传送来的电压信号进行处理获得脉冲模型峰值和相位，通过开窗比较的方式提取局部放电的脉冲峰值和相位特征。系统总体采用FPGA+ARM总线桥接结构，FPGA将存储单元挂载在ARM模块上，极大地提高的系统的计算速度；所述时钟及复位模块用于时序计时及复位；所述电源管理模块包括可充电电池和充放电管理电路，用于对FPGA模块、ARM模块、模拟单元模块和时钟及复位模块进行供电；所述可充电电池为锂电池；所述局部放电检测仪尺寸为242mm×180mm×114mm，重量为2.1kg，可连续带电工作十小时以上。

在如图2所示的实施例中，采用上位机与下位机通讯的模式工作，模拟单元模块采用14位100MHz双通道采集主板，主要完成对工频信号和局部放电信号的同步采样，并将采样数据通过FPGA模块以及ARM模块进行处理之后通过网口通信上传给上位机。上位机为基于Linux系统的工控机，主要完成对下位机发送相关指令，并对接收到的数据进行后续分析处理以及显示和存储。通过对设备整体功率和尺寸的控制，使得其最大工作功率为9.6W，设备重量为2.1kg，实现了设备的便携化。

在如图3所示的实施例中，局部放电信号通过高通滤波电路，滤除低频干扰，同时通过前置放大、信号保护等电路，进入高速ADC中进行采样。同时模拟单元模块对工频信号进行采集，滤除该通路的高频信号，通过FPGA模块和ARM模块处理后获得工频信号的幅值与相位信息。变压器局部放电信号的幅值有很大的动态范围，为了解决对小信号测量不精确及者大信号测量溢出问题，本实施例设计了具有反馈环节的模拟单元。在图2中输入信号经过高通滤波器，滤除了其低频信号，经过电压互感器，该单端模拟信号被转化为差分信号传送至VGA(Variable GainAmplifier，可变增益放大器)。由于VGA增益可调，当输入的差分信号较小时，ADC产生的数字信号将下溢，溢出标志位ADC_OVR将被置1，这时将控制DAC(Digital-to-Analog Converter，数字模拟转换器)产生一个增大时，其增益也将线性增大，使得较小的输入信号被放大到ADC适合的量程范围之内，ADC的有效位数被充分利用，提高了信号的准确度。而当输入信号较大，使得VGA的增益线性减小，这时输入信号将被控制到ADC量程范围内，避免了信号的溢出，同时也保证采集芯片的正常工作。本发明可实现局部放电信号幅值调节尺度为10mV，25mV，50mV，100mV，250mV，500mV，1V，2.5V，5V，局部放电触发阈值实现任意不超过幅值的任意数值调节，采用用户输入阈值的方式。

下位机包括FPGA模块、ARM模块、模拟单元模块、时钟及复位模块以及电源管理模块。其中所采用的ARM+FPGA架构，充分利用了FPGA的并行特性，采用乒乓原理进行前端设计，同时又利用了ARM低功耗高性能比的特点，将采集传入的数据在ARM平台上加以处理获得脉冲波形峰值和相位，并通过开窗比较的方式，获得脉冲波形的数据，从而在较低频率的ARM平台上实现了对高速数据的快速但低功耗的采集。FPGA和ARM连接采用总线桥接的方式，将FPGA模块的内部存储器挂载到了ARM的总线上，使ARM处理器可以直接访问FPGA的片上RAM和寄存器中的数据，实现了FPGA与ARM共享存储器的系统结构，从而使数据采集及处理的效率有了大幅度的提高。由于本实施例采用100MHz的采集卡进行数据采样，SRAM并不能满足如此高速率的数据读写，因此采取乒乓方式进行操作，使得存储单元满足读写速率且可将存储深度拓展到64Mbit。

图4为上位机数据算法结构图。波形的特征可以部分的反映出缺陷的类型，对放电脉冲波形，只是单纯的分析时域或者频域的特征是不够全面的，因此采用PRPD聚类分析以及脉冲波形时频分析联合诊断的方式。经过对几种常用的时频方法的对比，选用ST算法，该算法具有良好的时域和频域分辨率，并且运算速度很快。在PRPD谱图中统计正负半周的放电起始相位、重心、最大放电量、平均放电量、偏斜度、陡峭度、互相关系数和放电次数等参数，并生成相应的三维图谱以及Q-N二维统计谱图。在脉冲时频分布图中统计放电最大频率值、脉冲上升沿时间、脉冲下降沿时间、脉宽以及频谱分布特征等参数。通过对相关特征的提取，利用数据库中的典型放电类型样本数据对测试数据进行训练，实现对测试结果的模式识别。

图5为应用本发明的一个实施例对一台220kV三相变压器现场检测示意图。前置传感器采用罗哥夫斯基线圈，检测时将罗哥夫斯基线圈安装至变压器套管末屏接地线、外壳接地线或者铁芯接地线上，获得变压器内部由于局部放电所引起的脉冲电流，工频信号可采用现场利用分压器获得。在检测过程中，由于现场存在大量的干扰，因此在检测过程中根据测试数据适当的调整触发阈值，可以获得更准确地测试结果。保存PRPD以及脉冲波形测试数据后，进入分析界面，可实现对测试数据的分析和模式识别，识别结果分为噪声、针尖放电、沿面放电、气隙放电和悬浮放电五种类型，完成测试后可生成测试报告。

图6为应用本发明的一个实施例对一台110kV单相现场检测示意图。前置传感器采用微带贴片天线，检测时将微带贴片天线固定在GIS腔体外侧，通过微带贴片天线将GIS内部缺陷导致的电磁波信号转化为电压信号，通过匹配电缆将信号传输至局部放电检测仪的端口，工频信号可采用现场利用分压器获得。在检测过程中，由于现场存在大量的干扰，因此在检测过程中根据测试数据适当的调整触发阈值，可以获得更准确地测试结果。保存PRPD以及脉冲波形测试数据后，进入分析界面，可实现对测试数据的分析和模式识别，识别结果分为噪声、针尖放电、沿面放电、气隙放电和悬浮放电五种类型，完成测试后可生成测试报告。

图7为局部放电检测装置的数据测试界面，主要界面为PRPD数据采集界面以及脉冲波形采集界面，该界面中可以完成放电幅值以及放电阈值的设置，同时可以监测所测得的放电次数。

图8为局部放电检测装置的PRPD数据分析界面，主要分析图谱为三维图谱以及Q-N二维图谱，右侧为对数据的特征分析结果，所分析数据可选自于历史监测数据以及本次监测数据。

图9为局部放电检测装置的脉冲波形数据分析界面，由Q-t、Q-f、f-t三种谱图展示其放电脉冲特征，其中左侧所展示的f-t时频联合分布图谱采用ST算法对数据进行分析，可以实现局部放大，右侧图谱为脉冲时域分布图谱以及脉冲频域分布图谱，并展示了脉冲的时域和频域的部分统计参数，所分析数据可选自于历史监测数据以及本次监测数据。

Claims (3)

1.一种便携式局部放电检测及诊断装置，包括局部放电检测仪、电缆、前置传感器以及充电器；

所述前置传感器包括射频传感器模块和/或超高频传感器模块；

所述局部放电检测仪用于接收所述前置传感器检测到的脉冲信号以及分压器取得的工频信号，对所述脉冲信号以及工频信号进行采集形成采样数据，并对所述采样数据进行分析，实现局部放电的模式识别；

所述电缆用于连接所述局部放电检测仪和前置传感器；

所述充电器用于对所述局部放电检测仪充电；其特征在于，

所述局部放电检测仪包括上位机和下位机；

所述上位机包括基于Linux系统的工控机，所述工控机通过网口通讯协议，对下位机进行控制并对下位机的采样数据进行分析、显示以及存储；

所述上位机具有8寸800×600分辨率电阻式触摸屏，采用CortexA8嵌入式ARM低功耗CPU，主频1GHZ；

所述下位机包括模拟单元模块、FPGA模块、ARM模块、时钟及复位模块以及电源管理模块；

所述模拟单元模块包括高通滤波器、电压互感器、可变增益放大器、ADC模拟数字转换器和DAC数字模拟转换器；

所述模拟单元模块采用闭环反馈方式对采用数据进行预处理，对电压信号进行增益处理和/或保证电压信号不超出量程范围；同时该模块采用双通道14位100MHz模数转换器对前置传感器所耦合的电压信号进行采样；

所述FPGA模块与ARM模块采用总线桥接的方式设计，将FPGA模块的内部存储器挂载到ARM总线上，使ARM处理器可以直接访问FPGA的片上RAM和寄存器中的数据，实现了FPGA与ARM共享存储器的系统结构；所述FPGA模块用于接收预处理过的电压信号并传送给ARM模块；所述ARM模块用于将FPGA模块传送来的电压信号进行处理获得脉冲模型峰值和相位，并通过开窗比较的方式，获得脉冲波形的数据，形成采样数据；

所述时钟及复位模块用于时序计时及复位；

所述电源管理模块包括可充电电池和充放电管理电路，所述可充电电池为锂电池；

所述局部放电检测仪尺寸为242mm×180mm×114mm，重量为2.1kg，最大工作功率为9.6W，并采用锂电池供电，可连续带电工作十小时以上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述射频传感器为罗哥夫斯基线圈，频带范围为1.5MHz-200MHz，最小上升沿时间为2ns；

所述超高频传感器为超高频微带贴片天线，天线长为5cm，宽为3.5cm，厚度为0.2cm，带宽为0.4GHz～2.7GHz。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述便携式局部放电检测及诊断装置采用PRPD聚类分析方法联合脉冲波形时频分析方法实现局部放电的模式识别；

所述PRPD聚类分析方法采用(放电次数-放电量-放电相位)三维图谱以及(放电量-放电相位)、(放电次数-放电相位)、Q-N(放电量-放电次数)二维图谱展示放电特征，并提取对应的特征参量；

所述时频分析方法采用了ST(Stockwell Transform)展示并提取放电脉冲时频联合分布特征，并采用Q-t(幅值-时间)、Q-f(幅值-频率)、f-t(频率-时间)三种谱图展示。