CN106324445A - 改进的超高频局部放电电量检测采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种改进的超高频局部放电放电量检测采集装置及方法，装置包括天线传感器、滤波电路、放大电路、比较器、FPGA、D/A转换电路，所述天线传感器的信号端出依次连接滤波电路和放大电路后，接入多个比较器的反向输入端，所述多个比较器的正向输入端分别与多个D/A转换电路的输出端连接，所述D/A转换电路的输入端与FPGA的数据输入端相连接，所述FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置连接。方法包括脉冲采集、比较电平输入、脉冲比较并储存、变值比较并存储。本申请不仅能够完成对待设备的检测，实时了解是否有局部放电脉冲存在以及该超限脉冲的个数，同时还可以通过软件的运算得到更加精确的局部放电脉冲的近似幅值。
Description
技术领域
本申请属于高电压设备绝缘监测领域，具体涉及一种改进的超高频局部放电量检测采集方法，同时还涉及一种改进的超高频局部放电电量检测采集装置。
背景技术
局部放电是发生在固体绝缘内部或表面的未贯穿电极的部分放电过程。在电气设备绝缘劣化的前期，往往都存在着局部放电现象，局部放电会进一步加速绝缘的劣化。因为局部放电虽然只是绝缘局部发生击穿，但每次放电对绝缘都会有轻微损伤。造成损伤的原因有：介质局部温度上升、氧化加速，使介质的电气、机械性能下降；带电粒子撞击介质，破坏分子结构；放电作用下产生的活性气体与介质发生化学反应，使介质性能变坏。因此，若局部放电长期存在于设备之中，一定条件下会造成设备主绝缘电气强度的下降和损坏。
实际运行的设备中，因其局部电场场强分布不均（局部偏高），或制造工艺不够完善、在运行中因绝缘材料有机物分解、绝缘材料受到机械力作用发生开裂等原因而造成缺陷，运行中的这些部位就容易发生局部放电甚至绝缘击穿，另外在金属导体电极的尖锐边缘处，或不同特性的绝缘层间，也很容易发生局部放电。为保证电气设备在运行中的可靠性，不允许在其绝缘中有局部放电，或只允许有轻微的局部放电。因此，对设备内部的局部放电实施检测，也是保障电网正常运行的重要手段。
当绝缘介质内部发生局部放电时，伴随着许多电和非电的现象，如电脉冲、介质损耗增大、电磁波发射、光声热、化学变化、气压变化。因此检测局部放电的方法可分为电和非电两大类。非电的方法一般灵敏度较低，能定性而不能定量分析，因此长期以来采用的检测方法是测量其放电脉冲。局部放电信号是等效频率可高达1GHz以上的单脉冲，而且影响局部放电检测传感器的外部环境噪声主要是电台或者无线通讯所发射的电磁波，其频率范围在几千赫兹到几十兆赫兹之间，因此当外部环境中的噪声信号很强时，超高频局部放电检测有信噪比高的优势。
超高频法（UHF）近几年发展迅速，与其它局部放电检测方法相比，UHF法具有灵敏度较高、抗干扰能力较强、可识别故障类型以及定位故障源等优点。通过对设备局部放电的超高频在线检测能够及时准确地判断变压器内部绝缘状态，对防止电力设备事故发生，保障电力系统安全稳定运行具有重大意义。
现在的UHF信号采集方法一般是将局部放电信号的整个波形采集下来，然后再进行分析计算，但是需要昂贵的信号采集设备。UHF法测量的频率范围为300MHz-3GHz，要求设备配置的A/D转换器有很高频率，信号传输集中式，而且需海量高速存储，导致整台设备价格昂贵；设备运行时处理数据量大，处理时间长，影响下一步检测的进行；要求固定安装，不便于携带；装置长期工作在户外，受到温度、湿度等大气环境的影响，也会使测量数据产生偏差。
早前提出的超高频局部放电量监测采集方法以及装置，能够弥补常规超高频采集的缺点，具有使用部件较少、测量精确度较高的优点，同时便于实施，具有良好的灵活性，但是处理采集信号的比较器只有一个，处理速度很慢，例如用8位D/A实现信号的最高精度处理需要比较至少255个工频周期（大约5s），而局部放电信号具有一定的随机性，5秒内局放信号可能会发生比较大的变化。因此，提出一种改进的超高频局部放电量监测采集方法以及装置，能够实现采集信号的多路同时处理，大大提高处理速度和效率。
发明内容
本申请的目的是针对现有超高频局部放电放电量检测采集方法和装置的不足，提供一种改进的超高频局部放电放电量检测采集方法和装置，能够实现采集信号的多路同时处理，能够提高处理采集信号的速度和效率。
本申请的目的是这样实现的：本发明改进的超高频局部放电放电量检测采集方法包括以下步骤：
1) 脉冲采集：通过天线传感器检测电气设备的局部放电脉冲信号，之后将传感器采集到的局部放电信号通过滤波电路进行预处理，再通过信号放大电路将局部放电脉冲信号放大后同时输入多路比较器；
2) 比较电平输入：通过FPGA确定多个由D/A转换电路输出的比较电平，分别输入到多个比较器中，比较电平之间的电压差相同；
3) 脉冲比较并储存:将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，每个个比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA分别统计每、个比较器中幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零；
4) 变值比较并存储：增加所有比较电平的数值，其级差保持不变，重复上述步骤3)，直至有一个比较器没有检测到放电脉冲的存在，此时局部放电脉冲的最大电压幅值处于某两个比较电平之间。
在步骤4)中，为保证放点脉冲的最大电压幅值确定的精确性，通过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使得最终得到的比较电平能最大程度地表示放电脉冲的最大电压。
将工频周期m等分，即每个相位区间的宽度为360度/m，各个相位区间依次编号i=1,2,3,4 … m ；若进行比较的工频周期数目为k个，当阈值电压为Vj+1时没有大于它的放电脉冲，其中j=0,1,2,3 … n；电压区间设定的最小宽度为h，即Vj+1= Vj+h；各个相位区间上大于Vj的脉冲个数Nji；
在第i相位区间的位于Vj+1和Vj之间的脉冲个数为Nji-N(j+1)i，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差h下，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值V：
。
本发明改进的超高频局电放电量检测采集装置是通过以下技术方案实现的：该采集装置包括天线传感器、滤波电路、放大电路、比较器、、FPGA、D/A转换电路，所述天线传感器的信号端出依次连接滤波电路和放大电路后，接入多个比较器的反向输入端，所述多个比较器的正向输入端分别与多个D/A转换电路的输出端连接，所述D/A转换电路的输入端与FPGA的数据输入端相连接，所述 FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置连接。
改进方案的优点：假定脉冲信号最大幅值为200mV，最小电压区间宽度为2mV。按原来方案，因为每次只能扫描一个电压，所以需要扫描100次，而且每次扫描需要一个工频周期的时间1/50秒，数据的获取时间就至少需要2秒，很慢。按改进方案，假设增设至Y路比较器，则每次就能扫描Y个电压，只需要100/Y次，可以使得数据的获取时间减少至2/Y秒。若增设的比较器较多，就能极大地减少脉冲数据的获取时间。另外，改进方案中，能在几个工频周期内获取到精确脉冲幅值，而原来的方案则需要更多个工频周期。
由于实施上述技术方案，本申请的有益效果主要有以下几点：（1）本发明的方法通过硬件与软件的结合，处理信息更加迅速，不仅能够完成对待设备的检测，实时了解是否有超过某一额定数值的局部放电脉冲存在以及该超限脉冲的个数，及时做好防范工作，同时还可以通过软件的运算得到更加精确的局部放电脉冲的近似幅值。相比先前的装置，增加的多路比较器使得数据的处理速度以及计算精确性方面有了很大的提高。本发明的装置使用范围广，既可以对变压器进行局部检测，也可以对GIS进行检测；（2）本发明采用了超高频方法进行局部放电检测，抗干扰能力强，通过软硬结合的方式进行信号处理，同时采用灵敏度较高的天线传感器，以电的形式进行局部放电检测，灵敏度要高于非电形式（如光，热，噪音，化学变化和气压变化等）；3）本发明的装置结构简单、体积不大、成本低廉；设备操作简单且便于携带，能适应非常规检测的需要，且大大节约了人力和制造成本，能显著提高工作效率，降低测量成本，便于推广应用，改进后的装置的性能大大提高了，能适用于更复杂的情况。
附图说明：本申请的具体结构由以下的附图和实施例给出：
图1是改进超高频局部放电电量监测采集装置结构示意图。
图例：1、天线传感器，2、滤波电路，3、放大器，4、比较器，5、D/A转换器，6、FPGA， 7、工频参考相位波发生装置，8、显示模块。
具体实施方式：
本申请不受下述实施例的限制，可根据本申请的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
实施例：如图1所示，本发明的超高频局部放电放电量监测采集方法，主要包括以下步骤：
1）脉冲采集：通过天线传感器采集设备的局放脉冲，将采集到的脉冲信号需先经过滤波处理，再用放大电路将信号放大后输入到多路比较器中；
2) 比较电平输入：通过FPGA（Field－Programmable Gate Array），确定多个由D/A转换电路输出的比较电平，分别输入到多个比较器中，比较电平之间的电压差相同；
3) 脉冲比较并储存：将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，每个个比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA分别统计每、个比较器中幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零；
4) 变值比较并存储：增加所有比较电平的数值，其电压差保持不变，重复上述步骤3)，直至有一个比较器没有检测到放电脉冲的存在，此时局部放电脉冲的最大电压幅值处于某两个比较电平之间。
在步骤4)中，为保证放点脉冲的最大电压幅值确定的精确性，通过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使得最终得到的比较电平能最大程度地表示放电脉冲的最大电压，在具体实施过程中，将最大脉冲电压幅值所在的最高电压区间的边界电压值作为所有D/A的转换电路输出的上限电压和下限电压，让所有D/A的转换电路输出的电平将最高电压区间分成若干个的电压区间，重复步骤3），之后在这些新电压区间中又会出现一个脉冲幅值所在的新最高电压区间，依此类推，直达到电压区间的设定最小宽度。
将工频周期m等分，即每个相位区间的宽度为360度/m，各个相位区间依次编号i=1,2,3,4 … m ；若进行比较的工频周期数目为k个，当阈值电压为Vj+1时没有大于它的放电脉冲，其中j=0,1,2,3 … n；电压区间设定的最小宽度为h，即Vj+1= Vj+h；各个相位区间上大于Vj的脉冲个数Nji；
在第i相位区间的位于Vj+1和Vj之间的脉冲个数为Nji-N(j+1)i，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差h下，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值V：
同理可得负脉冲时的近似平均放电脉冲电压幅值。统计负脉冲电压幅值分布式只需将阈值电压设为负，各个相位区间上的小于Vj的脉冲数为Nji，公式一样。
如图1所示，本发明的改进的超高频局部放电电量监测采集装置，包括天线传感器1、滤波电路2、放大器3、比较器4、D/A转换器5、FPGA 6、工频参考相位波发生装置7、显示模块8，天线传感器1的信号端出依次连接滤波电路2和放大电路3后，接入多个比较器4的反向输入端，多个比较器4的正向输入端分别与多个D/A转换电路5的输出端连接，所述D/A转换电路5的输入端与FPGA 6的数据输入端相连接，FPGA 6的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置7连接。
本装置还包括了显示模块8，FPGA与显示模块8连接，通过显示模块驱动程序，可以直观地显示放电量的大小和具体相位区间上的放电次数。
如图1所示的具体测量中，m值取10，即将工频周期10等分为10个相位区间，每个相位区间的宽度为36度，各个相位区间依次编号i=1,2,3,4 …10；假设进行比较的工频周期数目为50个，当阈值电压为Vj+1=200mV时没有大于它的放电脉冲，Vj=198mV，比较电平的级差h为2mV；
从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，通过下式得到近似平均放电脉冲电压幅值V：
。
以上技术特征构成了本申请的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要技术特征，来满足不同情况的需要。
Claims (4)
1.一种改进的超高频局部放电放电量检测采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
1) 脉冲采集：通过天线传感器检测电气设备的局部放电脉冲信号，之后将传感器采集到的局部放电信号通过滤波电路进行预处理，再通过信号放大电路将局部放电脉冲信号放大后同时输入多路比较器；
2) 比较电平输入：通过FPGA确定多个由D/A转换电路输出的比较电平，分别输入到多个比较器中，比较电平之间的电压差相同；
3) 脉冲比较并储存:将一个工频周期等分为多个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，FPGA通过外接工频参考相位波形进行触发，在每一个触发周期内，每个个比较器将每一个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平进行比较，FPGA分别统计每、个比较器中幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数进行并存储在每个相位区间对应的存储地址上，进行比较的工频周期的数目通过FPGA自带的计数器进行计数，当达到设定数目时，停止比较，提取此时存储的所有脉冲个数的统计数值，清零；
4) 变值比较并存储：增加所有比较电平的数值，其级差保持不变，重复上述步骤3)，直至有一个比较器没有检测到放电脉冲的存在，此时局部放电脉冲的最大电压幅值处于某两个比较电平之间。
2.如权利要求1所述的改进的超高频局部放电放电量检测采集方法，其特征在于：在步骤4)中，通过逐渐减小级差的方式，重复上述步骤3)，使得最终得到的比较电平能最大程度地表示放电脉冲的最大电压。
3.如权利要求1所述的改进的超高频局部放电放电量检测采集方法，其特征在于：将工频周期m等分，即每个相位区间的宽度为360度/m，各个相位区间依次编号i=1,2,3,4…m；若进行比较的工频周期数目为k个，当阈值电压为Vj+1时没有大于它的放电脉冲，其中j=0,1,2,3…n；电压区间设定的最小宽度为h，即Vj+1= Vj+h；各个相位区间上大于Vj的脉冲个数Nji；在第i相位区间的位于Vj+1和Vj之间的脉冲个数为Nji-N(j+1)i，从而当局部放电脉冲电压幅值为正值时，在该级差h下，得到近似平均放电脉冲电压幅值V。
4.一种超高频局电放电量检测采集装置，其特征在于：该采集装置包括天线传感器、滤波电路、放大电路、比较器、、FPGA、D/A转换电路，所述天线传感器的信号端出依次连接滤波电路和放大电路后，接入多个比较器的反向输入端，所述多个比较器的正向输入端分别与多个D/A转换电路的输出端连接，所述D/A转换电路的输入端与FPGA的数据输入端相连接，所述 FPGA的参考相位信号输入引脚与外部工频参考相位波发生装置连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170111 |