CN105738786A - 一种屏蔽外界干扰的gis超高频局部放电信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力设备局部放电在线监测领域，特别涉及一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置。本发明包括用于屏蔽外界干扰信号的屏蔽盒，所述屏蔽盒的盒体内部安装有用于采集超高频局部放电信号的检测天线和信号采集电路，所述检测天线用于将检测到的超高频局部放电信号传送至信号采集电路的信号输入端；所述屏蔽盒的底部开设有用于与盆式绝缘子相对应的开口；所述盆式绝缘子与屏蔽盒开口之间设置有软铝材质的屏蔽带，因此有效地防止了外界干扰信号从盆式绝缘子处进入检测天线，当GIS设备局部放电产生的超高频电磁波信号经盆式绝缘子泄露时，泄漏的信号能够直接进入屏蔽盒被检测天线所感应，保证了检测天线采集到信号的纯净度和可信度。

Description

一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置

技术领域

本发明属于电力设备局部放电在线监测领域，特别涉及一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置。

背景技术

近年来，随着GIS(气体绝缘全封闭组合电器)数量的增多，由于GIS在强电场的作用下会产生局部放电现象，局部放电是引发GIS绝缘事故的主要因素，因此对GIS的局部放电进行在线监测，能够较早地发现其内部的绝缘缺陷问题，以便采取适当措施来应对，对GIS设备安全稳定运行具有重要意义。

目前大多数GIS超高频局部放电信号采集系统采用内置式或外置式传感器，对于已投运的GIS设备，大多数没有安装内置传感器，因为GIS内部具有很高的电压和气压，GIS内部引入传感器可能会改变内部电场的分布，引发击穿现象。因此需要采取外置传感器，GIS设备的金属同轴结构是一个良好的导体，局部放电产生的超高频信号可以有效地沿波导传播，外置传感器通常安装在GIS盆式绝缘子上，通过检测在GIS金属外壳的绝缘缝隙处泄露出局部放电所激发的高频电磁波信号来实现局部放电的检测，然后再传给相关的分析设备进行分析处理，从而判断GIS内部的绝缘状况，虽然外部传感器不改变内部电场分布，安装灵活，但其在检测过程中，易受外界电磁信号的干扰，不利于检测到GIS中更小的局部放电所产生的信号，造成检测的可靠性不高，灵敏度较低。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，本发明提供了一种能够检测到GIS局部放电所产生的较小信号，而且本发明的灵敏度高、安装灵活、移动方便。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，包括：

用于屏蔽外界干扰信号的屏蔽盒，所述屏蔽盒的盒体内部安装有用于采集放电信号的检测天线和信号采集电路，所述检测天线用于将检测到的放电信号传送至信号采集电路的信号输入端；

所述屏蔽盒的底部开设有用于与盆式绝缘子相对应的开口；

所述屏蔽盒的侧面还设置有用于输出放电信号的电缆连接器，所述电缆连接器接收来自于信号采集电路输出的放电信号。

优选的，所述盆式绝缘子与屏蔽盒开口之间设置有屏蔽带，所述屏蔽带呈封闭状环抱在盆式绝缘子的周缘外侧。

优选的，所述屏蔽盒的底部开口处设置有与所述屏蔽带外侧相贴合的且底部端面呈圆弧状的介质挡板。

进一步的，所述电缆连接器与屏蔽盒之间通过螺纹连接。

进一步的，所述屏蔽带的材质为软铝。

进一步的，所述介质挡板的材质包括硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯；所述硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯的比例分别为20％、30％、40％、10％。

进一步的，所述介质挡板的介电常数为2.5。

进一步优选的，所述信号采集电路包括信号放大滤波电路、包络检波电路，所述信号放大滤波电路用于接收来自检测天线的放电信号，并对放电信号进行放大滤波处理，所述信号放大滤波电路的信号输出端连接用于对放电信号进行频率变换的包络检波电路的信号输入端，所述包络检波电路的信号输出端输出频率变换后的放电信号至电缆连接器。

进一步优选的，所述信号放大滤波电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述第一运算放大器的正极信号输入端连接第五电阻、第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接第七电阻的一端以及偏置电源的正极，所述偏置电源的负极接地，所述第七电阻的另一端连接第八电阻、第七电容的一端以及第二运算放大器的负极信号输入端，所述第八电阻、第七电容的另一端连接第二运算放大器的信号输出端以及包络检波电路的信号输入端，所述第一运算放大器的负极信号输入端连接第一电阻、第二电阻、以及第一电容的一端，所述第一电阻的另一端连接来自检测天线的放电信号，所述第二电阻、第一电容的另一端连接第一运算放大器的信号输出端以及第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接第三电阻、第四电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二运算放大器的正极信号输入端；

所述第一运算放大器的负极电源端连接第一电源的负极和第二电容的一端，所述第二运算放大器的正极电源端连接第二电源的正极和第三电容的一端，所述第一电源的正极、第二电容的另一端、第二电源的负极、第三电容的另一端均接地；所述第一运算放大器的正极电源端连接第三电源的正极和第五电容的一端，所述第二运算放大器的负极电源端连接第四电源的负极和第六电容的一端，所述第三电源的负极、第五电容的另一端、第四电源的正极、第六电容的另一端均接地。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明将屏蔽盒、检测天线、信号采集电路集于一体，并在盆式绝缘子与屏蔽盒开口之间设置有屏蔽带，因此有效地防止了外界干扰信号从盆式绝缘子处进入检测天线，当GIS设备局部放电产生的超高频电磁波信号经盆式绝缘子细缝向外泄露时，泄漏的信号能够直接进入屏蔽盒被检测天线所感应，保证了检测天线采集到信号的纯净度和可信度，本发明不改变内部的电场分布，结构简单，而且屏蔽盒、屏蔽带的安装灵活、移动方便、便于操作。

2)、所述信号采集电路包括信号放大滤波电路、包络检波电路，避免了检测天线与电缆连接器的直接接触，所述信号放大滤波电路采用两级放大电路的设计，且电路中设有滤波装置，确保将放电信号放大的同时将噪声以及干扰信号降到最低；所述信号放大滤波电路中的第一运算放大器、第二运算放大器之间还通过极性倒置连接，将漂移电压造成的误差降到最低，使输出的放电信号更加容易识别；所述包络检波电路用于对放电信号进行频率变换，有效地解决了高频信号难以采集的问题，保证了电缆连接器输出的放电信号真实可靠。

3)、所述所述屏蔽带的材质为软铝；所述介质挡板的材质由硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯组成，且硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯的比例分别为20％、30％、40％、10％；所述介质挡板的介电常数为2.5，高效地阻止了电磁干扰信号，进一步提高了本发明检测到的局部放电信号的精确度和可靠性。

附图说明

图1为本发明的屏蔽盒安装在GIS设备上的侧视图；

图2为本发明的屏蔽盒的俯视图；

图3为本发明的屏蔽盒的结构图；

图4为本发明的检测天线与信号采集电路的框图连接图；

图5为本发明的信号放大滤波电路的原理图。

图中的附图标记含义如下：

1—GIS壳体2—盆式绝缘子3—屏蔽带

4—检测天线5—金属屏蔽盒6—电缆连接器

7—介质挡板51—信号放大滤波电路

52—包络检波电路

AMP1、AMP2—第一运算放大器、第二运算放大器

C1～C7—第一电容～第七电容

R1～R8—第一电阻～第八电阻

VCC1～VCC4—第一电源～第四电源

Vf—偏置电源

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，包括用于屏蔽外界干扰信号的金属屏蔽盒5，所述金属屏蔽盒5的侧面和顶面均为金属材质，所述金属屏蔽盒5的盒体内部安装有用于采集超高频局部放电信号的检测天线4和信号采集电路，所述检测天线4用于将检测到的超高频局部放电信号传送至信号采集电路的信号输入端；所述金属屏蔽盒5的底部开设有用于与盆式绝缘子2相对应的开口；所述盆式绝缘子2与金属屏蔽盒5开口之间设置有软铝材质的屏蔽带3，所述屏蔽带3呈封闭状环抱在盆式绝缘子2的周缘外侧。因此有效地防止了外界干扰信号从盆式绝缘子处进入检测天线，当GIS设备局部放电产生的超高频电磁波信号经盆式绝缘子泄露时，泄漏的信号能够直接进入屏蔽盒被检测天线所感应，保证了检测天线采集到信号的纯净度和可信度，最终放电信号经过金属屏蔽盒5侧面的电缆连接器6输出至外部的测量。

所述金属屏蔽盒5的底部开口处设置有与所述屏蔽带3外侧相贴合的且底部端面呈圆弧状的介质挡板7，介质挡板7的尺寸与弧度与盆式绝缘子2的法兰相对应，介质挡板7的材质包括硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯；所述硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯的比例分别为20％、30％、40％、10％，且介质挡板7优选的介电常数为2.5。高效地阻止了电磁干扰信号，进一步提高了本发明检测到的局部放电信号的精确度和可靠性。

如图4、5所示，所述信号采集电路包括信号放大滤波电路51、包络检波电路52，所述信号放大滤波电路51用于接收来自检测天线4的放电信号，并对放电信号进行放大滤波处理，所述信号放大滤波电路51的信号输出端连接用于对放电信号进行频率变换的包络检波电路52的信号输入端，所述包络检波电路52的信号输出端输出频率变换后的放电信号至电缆连接器6。

所述信号放大滤波电路51包括第一运算放大器AMP1和第二运算放大器AMP2；所述第一运算放大器AMP1的正极信号输入端连接第五电阻R5、第六电阻R6的一端，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第六电阻R6的另一端连接第七电阻R7的一端以及偏置电源Vf的正极，所述偏置电源Vf的负极接地，所述第七电阻R7的另一端连接第八电阻R8、第七电容C7的一端以及第二运算放大器AMP2的负极信号输入端，所述第八电阻R8、第七电容C7的另一端连接第二运算放大器AMP2的信号输出端以及包络检波电路52的信号输入端，所述第一运算放大器AMP1的负极信号输入端连接第一电阻R1、第二电阻R2、以及第一电容C1的一端，所述第一电阻R1的另一端连接来自检测天线4的放电信号，所述第二电阻R2、第一电容C1的另一端连接第一运算放大器AMP1的信号输出端以及第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端连接第三电阻R3、第四电阻R4的一端，所述第三电阻R3的另一端接地，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器AMP2的正极信号输入端；

所述第一运算放大器AMP1的负极电源端连接第一电源VCC1的负极和第二电容C2的一端，所述第二运算放大器AMP2的正极电源端连接第二电源VCC2的正极和第三电容C3的一端，所述第一电源VCC1的正极、第二电容C2的另一端、第二电源VCC2的负极、第三电容C3的另一端均接地；所述第一运算放大器AMP1的正极电源端连接第三电源VCC3的正极和第五电容C5的一端，所述第二运算放大器AMP2的负极电源端连接第四电源VCC4的负极和第六电容C6的一端，所述第三电源VCC3的负极、第五电容C5的另一端、第四电源VCC4的正极、第六电容C6的另一端均接地。

所述信号放大滤波电路51用于接收来自检测天线4的局部放电信号，所述信号放大滤波电路51用于对所述放电信号进行放大和滤波，本实施例中选取增益电阻和反馈电容分别为R1＝1Ω，R2＝100Ω，C1＝0.5305pF，实现对来自检测天线4的局部放电信号进行低通滤波，设置阻抗及电容分别为R3＝1kΩ，C4＝0.5305pF，与第一运算放大器AMP1的低通滤波共同实现对300MHz～3GHz的局部放电信号进行带通滤波。

由叠加定理对局部放电信号增益部分进行分析：

由可知由此可推出V_b＝V_o1

由可推出

再对偏置电压放大增益部分进行分析：

由可推出

由可推出

综上所述，局部放电信号总体输出电压函数为：

$V_o=(1+\frac{R8}{R7})V_{in}\frac{R2}{R1}+\frac{R5R7-R6R8}{R7(R5+R6)}{V}_f$

即当R5R7-R6R8＝0时，偏置电压的增益可以消除，选取R5＝R8＝1MΩ，R6＝R7＝100Ω，得信号放大滤波电路51的增益为10⁶倍，因此保证了电缆连接器输出的放电信号真实可靠。

Claims (9)

1.一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于，包括：

用于屏蔽外界干扰信号的屏蔽盒(5)，所述屏蔽盒(5)的盒体内部安装有用于采集放电信号的检测天线(4)和信号采集电路，所述检测天线(4)用于将检测到的放电信号传送至信号采集电路的信号输入端；

所述屏蔽盒(5)的底部开设有用于与盆式绝缘子(2)相对应的开口；

所述屏蔽盒(5)的侧面还设置有用于输出放电信号的电缆连接器(6)，所述电缆连接器(6)接收来自于信号采集电路输出的放电信号。

2.如权利要求1所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述盆式绝缘子(2)与屏蔽盒(5)开口之间设置有屏蔽带(3)，所述屏蔽带(3)呈封闭状环抱在盆式绝缘子(2)的周缘外侧。

3.如权利要求2所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述屏蔽盒(5)的底部开口处设置有与所述屏蔽带(3)外侧相贴合的且底部端面呈圆弧状的介质挡板(7)。

4.如权利要求1所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述电缆连接器(6)与屏蔽盒(5)之间通过螺纹连接。

5.如权利要求2或3所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述屏蔽带(3)的材质为软铝。

6.如权利要求3所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述介质挡板(7)的材质包括硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯；所述硅橡胶、三元乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯的比例分别为20％、30％、40％、10％。

7.如权利要求6所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述介质挡板(7)的介电常数为2.5。

8.如权利要求1～3任一项所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述信号采集电路包括信号放大滤波电路(51)、包络检波电路(52)，所述信号放大滤波电路(51)用于接收来自检测天线(4)的放电信号，并对放电信号进行放大滤波处理，所述信号放大滤波电路(51)的信号输出端连接用于对放电信号进行频率变换的包络检波电路(52)的信号输入端，所述包络检波电路(52)的信号输出端输出频率变换后的放电信号至电缆连接器(6)。

9.如权利要求8所述的一种屏蔽外界干扰的GIS超高频局部放电信号采集装置，其特征在于：所述信号放大滤波电路(51)包括第一运算放大器(AMP1)和第二运算放大器(AMP2)；所述第一运算放大器(AMP1)的正极信号输入端连接第五电阻(R5)、第六电阻(R6)的一端，所述第五电阻(R5)的另一端接地，所述第六电阻(R6)的另一端连接第七电阻(R7)的一端以及偏置电源(Vf)的正极，所述偏置电源(Vf)的负极接地，所述第七电阻(R7)的另一端连接第八电阻(R8)、第七电容(C7)的一端以及第二运算放大器(AMP2)的负极信号输入端，所述第八电阻(R8)、第七电容(C7)的另一端连接第二运算放大器(AMP2)的信号输出端以及包络检波电路(52)的信号输入端，所述第一运算放大器(AMP1)的负极信号输入端连接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、以及第一电容(C1)的一端，所述第一电阻(R1)的另一端连接来自检测天线(4)的放电信号，所述第二电阻(R2)、第一电容(C1)的另一端连接第一运算放大器(AMP1)的信号输出端以及第四电容(C4)的一端，所述第四电容(C4)的另一端连接第三电阻(R3)、第四电阻(R4)的一端，所述第三电阻(R3)的另一端接地，第四电阻(R4)的另一端连接第二运算放大器(AMP2)的正极信号输入端；

所述第一运算放大器(AMP1)的负极电源端连接第一电源(VCC1)的负极和第二电容(C2)的一端，所述第二运算放大器(AMP2)的正极电源端连接第二电源(VCC2)的正极和第三电容(C3)的一端，所述第一电源(VCC1)的正极、第二电容(C2)的另一端、第二电源(VCC2)的负极、第三电容(C3)的另一端均接地；所述第一运算放大器(AMP1)的正极电源端连接第三电源(VCC3)的正极和第五电容(C5)的一端，所述第二运算放大器(AMP2)的负极电源端连接第四电源(VCC4)的负极和第六电容(C6)的一端，所述第三电源(VCC3)的负极、第五电容(C5)的另一端、第四电源(VCC4)的正极、第六电容(C6)的另一端均接地。