CN105182202B - 一种微型化电晕放电探测装置 - Google Patents

一种微型化电晕放电探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型化电晕放电探测装置，包括：天线、宽带信号放大单元、信号采集与处理单元。所述宽带信号放大单元包括：功分器、多个带通滤波器、接收信号强度指示模块、模数转换器。其中，所述多个带通滤波器的带通频率不同。天线用于接收电晕放电辐射信号，宽带信号放大单元用于对信号进行分档放大，提取信号的强度信息。信号采集与处理单元用于对信号的强度信息进行采集与处理。本发明的电晕探测装置探测灵敏度高、体积小，可随身携带，应用灵活性高。

Description

一种微型化电晕放电探测装置
技术领域
本发明涉及自持放电探测领域，尤其涉及一种微型化电晕放电探测装置。
背景技术
电晕放电是一种气体在极不均匀的电场中发生的局部自持放电现象。也就是在不存在外界电源的情况下，仅仅依靠外界形成的不均匀电场而形成的电离气体的电流。比如，当空气中有一尖端物体带电时，在其周围就会形成极不均匀的电场。当场强达到一定值时，尖端物体周围的气体就会发生电离和激励，从而产生电晕放电现象。
近年来，随着我国经济发展速度不断加快以及供电需求迅速增加，发展超特高压输电已成为一个必然的趋势。与此同时，超特高压造成的电磁环境污染问题也愈发严重。随着电压等级的升高和紧凑型线路的广泛应用，电晕放电现象对输电线周围工频电磁环境的污染可能会更为严重。因此，若能对输电线路中的电晕放电进行实时探测，将会有利于电磁环境的评测，以及有利于电力系统的安全运行。
另外，在国防等其他领域也存在很多静电敏感设备。特别是带有高压电源的设备，若发生电晕放电可能会带来潜在的危险。
因此，研制适用于各种场合，特别是适用于电力线巡检的电晕探测装置，将会具有很大的应用价值。而现有的用于电力系统的电晕放电探测装置存在很多缺点，如体积大、探测灵敏度低、操作使用需要专业知识等等。因此，亟需研制一种微型化、探测灵敏度高、操作简便的电晕放电探测装置。
发明内容
本发明的实施例提供了一种微型化电晕放电探测装置。该探测装置的探测灵敏度高、可随身携带，能在各种场合使用，特别是能在电力线巡检中使用。
根据本发明的一种微型化电晕放电探测装置，所述装置包括：天线、宽带信号放大单元、信号采集与处理单元；其中，
天线用于接收信号，并将接收的信号传递给宽带信号放大单元；
宽带信号放大单元包括：功分器、多个带通滤波器、接收信号强度指示模块(RSSI)、模数转换器(AD)，其中，
功分器接收天线发送的信号，将信号等分后发送给多个带通滤波器；
带通滤波器对功分器传递的信号进行带通滤波，并将带通滤波后的信号传递给接收信号强度指示模块；
接收信号强度指示模块包括检波器、比较器，其中检波器对带通滤波后的信号进行包络检波，将包络检波后的信号等分为第一信号和第二信号，并将第一信号传递给比较器，将第二信号传递给模数转换器；比较器用于接收第一信号，当第一信号的强度大于某一阈值时产生脉冲信号，并将所述脉冲信号发送给信号采集与处理单元；
信号采集与处理单元用于接收到所述脉冲信号后，从模数转换器采集第二信号；并根据多路信号的第二信号判断是否出现电晕放电。
优选的，所述宽带信号放大单元还包括：低噪放。所述低噪放，对接收的信号进行放大，并将放大后的信号传递给功分器。
优选的，所述宽带信号放大单元还包括：陷波器。所述陷波器，对接收的信号进行前置滤波，并将前置滤波后的信号传递给低噪放。
优选的，所述接收信号强度指示模块还包括，自动增益控制器(AGC)。所述自动增益控制器，在将信号等分为第一信号和第二信号之前，对包络滤波后的信号进行自动增益控制。
优选的，所述电晕放电探测装置还包括：报警与显示单元。所述报警与显示单元与信号采集与处理单元相连，当信号采集与处理单元判断出现电晕放电时，由报警与显示单元显示电晕放电预警信息；所述电晕放电预警信息包括电晕放电的当前辐射强度、火花放电危险性。
优选的，所述多个带通滤波器的个数为三个。
优选的，所述三个带通滤波器的带通范围分别为30～75MHz，120～170MHz，170～220MHz。
优选的，所述陷波器的陷波范围为70～120MHz。
优选的，所述电晕放电探测装置还包括：金属外壳，电源。所述天线位于金属外壳外表面；所述宽带放大单元、所述信号采集与处理单元位于金属外壳内部；所述电源，位于金属外壳内部。
优选的，所述天线为折叠贴片天线。
本发明实施例的微型化电晕放电探测装置，包括：天线、宽带信号放大单元、信号采集与处理单元。宽带信号放大单元包括：功分器、多个带通滤波器、接收信号强度指示模块、模数转换器(AD)。所述多个带通滤波器的带通频率不同。通过内置的信号采集与处理单元，可以实时的对电晕放电辐射信号进行处理，给出辐射强度指示；通过将高效小型化的微带天线与高灵敏度的宽带信号放大单元和嵌入式的信号采集与处理单元相结合，能够显著缩小探测装置的体积，使探测装置适用于各种场合，提高了电晕放电探测装置的应用灵活性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的电晕放电探测装置的原理图。
图2为根据本发明实施例的电晕放电探测装置的结构示意图。
图3为折叠贴片天线结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
电晕放电发生的一种重要情况是在高压输电线的传输过程中。由于输电线上的电场强度不会达到很大，因此只会在一个很小的区域发生电晕放电时，即电晕区。而且，电晕放电信号辐射信号在传输过程中会发生能量损耗。因此，若想探测到电晕放电辐射信号，电晕放电探测装置要具备一定的探测灵敏度。
当空间中没有障碍物时，信号的传输损耗的计算公式为：Los＝32.44+20lg D+20lg F。其中，D表示信号的传输距离，F表示信号的频率。由于电晕放电信号的辐射频率主要集中在200MHz以内，因此当在距离放电结构15m处对电晕放电进行探测时，电晕放电辐射信号的强度损耗为Los＝32.44+20lg0.015+20lg200＝41.98dB，探测装置接收端接收的电晕放电信号的强度为Pmin＝P0-Los＝-71.98dBm。其中P0为30dB，是电晕放电的激励源功率。当输入信号强度大于电晕放电探测装置的灵敏度时，电晕放电探测装置才可以检测到信号。因此当探测距离为15m时，电晕放电探测装置的探测灵敏度至少要低于-71.38dBm。
本发明提供了一种微型化电晕放电探测装置，通过设置多个带通滤波器，可以在多个通道上对多个不同频段同时处理，实现了对电晕放电的高效、高灵敏度探测；通过内置的信号采集与处理单元可以实时的对电晕放电辐射信号进行处理，给出辐射强度指示；通过将高效小型化的微带天线与高灵敏度的宽带信号放大单元和嵌入式的信息采集与处理单元相结合，能够显著缩小探测装置的体积，提高了电晕放电探测装置的应用灵活性。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。本发明提供了一种电晕放电探测装置，如图1、图2所示。
根据本发明实施例的微型化电晕放电探测装置，包括：天线01、宽带信号放大单元14、信号采集与处理单元10、报警与显示单元11、金属外壳12、电源13。
天线01，用于接收信号，并将信号传递给宽带信号放大单元14。
在具体实施时，考虑到电晕放电辐射信号的频率集中在200MHz以内，以及考虑到电晕放电辐射信号的接收用途，天线的尺寸必须控制在一定的范围。因此，可选用微带天线作为优选的天线形式。微带天线按照结构不同可分为微带贴片天线、微带振子天线、微带行波天线、微带缝隙天线等。其中，微带贴片天线是最典型，也是最常用的微带天线形式。本发明实施例中的微带天线是折叠短路贴片天线，由图3所示。折叠短路贴片天线由贴片15和接地板16组成。通过选用折叠短路贴片天线这种高效小型化的装置，能够以非常小的体积完成对电晕放电辐射信号的测量。
宽带信号放大单元14包括：陷波器02、低噪放03、功分器04、三个带通滤波器05、三个接收信号强度指示模块(图中未示出)，三个模数转换器(AD)08。其中接收信号强度指示模块包括：对数检波器06、自动增益控制器(AGC)07、比较器09。陷波器02对接收的信号进行前置滤波，并将前置滤波后的信号传递给低噪放03。具体的，陷波器02的陷波范围为70～120MHz，用以排除调频广播电台信号对电晕放电探测的干扰。
低噪放03对经前置滤波后的信号进行放大，并将放大后的信号传递给功分器04。
功分器04对放大后的信号进行三等分，并将三等分后的信号分别传递给带通滤波器05。
三个带通滤波器05的带通频率不同，用于在三个不同频段内对功分器04传递的信号进行滤波，得到三路信号。在具体实施时，考虑到电晕放电的辐射特性以及干扰信号的影响，我们选取了三个较为干净的频段范围。针对所述三个较为干净的频段范围，我们选取的三个带通滤波器05的带通频率范围分别为30～75MHz，120～170MHz，170～220MHz。
接收信号强度指示模块用于对滤波后的信号进行接收信号强度指示，提取信号的强度信息。具体包括：对数检波器06对带通滤波后的信号进行包络检波，检出高频信号的包络信号；并将检出的包络信号传递给自动增益控制器(AGC)07。具体的，采用对数检波器进行包络检波，其检出的包络信号的频率范围为0～500KHz。
自动增益控制器(AGC)07用于对包络检波后的信号进行自动增益控制。从自动增益控制器输出的信号被等分为两路信号：第一信号和第二信号。
其中，第一信号进入比较器08，第二信号进入模数转换器(AD)09；当第一信号的强度大于某一阈值时，比较器08产生脉冲信号，并将所述脉冲信号传递给信号采集与处理单元10。所述比较器通过向信号采集与处理单元输出脉冲，能够触发信号采集与处理单元通过控制模数转换器09的启动与终止采集第二信号，同时能向信号采集与处理单元10提供时间标记信息以及放电信号的重复频率信息。所述阈值可以根据实际需要进行调整，比如当探测距离为15m时，所述阈值可以设为210-420mv。
信号采集与处理单元10在接收到比较器08输出的脉冲信号后，通过控制模数转换器(AD)09的启动与终止，对第二信号进行采集，并对采集后的信号进行分析处理。具体的，所述对信号的分析处理是由位于信号采集与处理单元10的FPGA完成的。信号采集与处理单元10对采集的第二信号进行分析，判断第二信号是否符合电晕放电的判断条件。具体的，所述电晕放电的判断条件为：(1)接收到的信号在三个频段上的信号强度均高于阈值；(2)接收到的信号在三个频段上按高频段在前、低频段在后的时间顺序出现；(3)接收到的信号的重复周期一致，并且重复频率符合特里切尔脉冲频率的范围。当三路信号的第二信号均符合电晕放电的判断条件时，信号采集与处理单元10判断出现电晕放电。本发明实施例中，信号采集与处理单元10可以通过有线或无线接口进行程序升级，提高了使用灵活性。
报警与显示单元11，与信号采集与处理单元10相连，当信号采集与处理单元10判断出现电晕放电时，由报警与显示单元11显示电晕放电预警信息。具体的，报警与显示单元11主要以声光和数值方式进行电晕放电预警信息的显示。其中，电晕放电预警信息包括电晕放电的辐射强度、火花放电危险性。本发明实施例的电晕放电探测装置通过报警与显示单元可以直接给出电晕放电信号提示，方便没有专业知识的人员使用。
电源13具体为锂电池，用于为整个电晕放电探测装置提供能源。
金属外壳12用于为整个电晕放电探测装置提供支撑以及屏蔽电磁干扰。具体的，天线01位于金属外壳12外表面，宽带放大单元14、信号采集与处理单元10、报警与显示单元11、电源13位于金属外壳内部。
在应用本发明实施例的装置进行电晕放电探测时，如果开机后系统的背景噪声强度较大，本装置将对背景噪声强度进行测量以及进行降噪处理。具体的，当背景噪声超过某一噪声阈值时，比较器08向信号采集与处理单元10输出脉冲信号，触发信号采集与处理单元10对背景噪声进行采集与处理。具体的，所述噪声阈值可根据实际需要进行设置，比如可设为50mV。所述对背景噪声的处理主要包括记录背景噪声的强度波形、对噪声强度进行频谱分析。所述降噪处理过程具体为，信号采集与处理单元10通过控制自动增益控制器(AGC)07降低中放增益，直至比较器08无脉冲输出。当电晕放电探测装置接收到信号后，信号采集与处理单元10对信号的强度信息进行采集与处理。通过对探测到的信号进行强度频谱分析，以及将信号的强度频谱与背景噪声的强度频谱进行比较，判断是否出现电晕放电。
与现有技术相比，本发明实施例通过设置三个带通滤波器，可以在三个通道上对三个不同频段同时处理，实现了对电晕放电的高效、高灵敏度探测。通过内置的信号采集与处理单元，可以实时的对电晕放电辐射信号进行处理，给出辐射强度指示；通过将高效小型化的微带天线与高灵敏度的宽带信号放大单元和嵌入式的信号采集与处理单元相结合，能够显著缩小探测装置的体积，使探测装置适用于各种场合，提高了电晕放电探测装置的应用灵活性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型化电晕放电探测装置，所述装置包括：天线、宽带信号放大单元、信号采集与处理单元；其中，
所述天线用于接收信号，并将接收的信号传递给宽带信号放大单元；
所述宽带信号放大单元包括：功分器、多个带通滤波器、接收信号强度指示模块、模数转换器；其中，
所述功分器接收所述天线发送的电晕放电辐射信号，将所述电晕放电辐射信号等分后发送给多个带通滤波器；所述多个带通滤波器的带通频率不同；
所述带通滤波器对功分器传递的信号进行带通滤波，并将带通滤波后的信号传递给接收信号强度指示模块；
所述接收信号强度指示模块包括：检波器、比较器；其中，检波器对带通滤波后的信号进行包络检波，将包络检波后的信号等分为第一信号和第二信号，并将第一信号传递给比较器，将第二信号传递给模数转换器；比较器用于接收第一信号，当第一信号的强度大于某一阈值时产生脉冲信号，并将所述脉冲信号发送给信号采集与处理单元；
信号采集与处理单元用于接收到所述脉冲信号后，从模数转换器采集第二信号；并根据多路信号的第二信号判断是否出现电晕放电。
2.如权利要求1所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述宽带信号放大单元还包括：低噪放；
所述低噪放，对接收的信号进行放大，并将放大后的信号传递给功分器。
3.如权利要求2所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述宽带信号放大单元还包括：陷波器；
所述陷波器，对接收的信号进行前置滤波，并将前置滤波后的信号传递给低噪放。
4.如权利要求3所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述接收信号强度指示模块还包括，自动增益控制器；
所述自动增益控制器，在将信号等分为第一信号和第二信号之前，对包络滤波后的信号进行自动增益控制。
5.如权利要求4所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述电晕放电探测装置还包括：报警与显示单元；
所述报警与显示单元与信号采集与处理单元相连，当信号采集与处理单元判断出现电晕放电时，由所述报警与显示单元显示电晕放电预警信息；
所述电晕放电预警信息包括电晕放电的当前辐射强度和火花放电危险性。
6.如权利要求5所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述多个带通滤波器的个数为三个。
7.如权利要求6所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述三个带通滤波器的带通范围分别为30～75MHz，120～170MHz，170～220MHz。
8.如权利要求7所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述陷波器的陷波范围为70～120MHz。
9.如权利要求8所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述电晕放电探测装置还包括：金属外壳，电源；
所述天线位于金属外壳外表面；所述宽带放大单元、所述信号采集与处理单元位于金属外壳内部；所述电源位于金属外壳内部。
10.如权利要求9所述的微型化电晕放电探测装置，其特征在于，所述天线为折叠贴片天线。
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