CN106483430B - 通过输入信号混叠的局部放电检测频带扩展 - Google Patents

通过输入信号混叠的局部放电检测频带扩展 Download PDF

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Abstract

一种局部放电检测屏，包括配置成降低反射信号的电压分压器。连接至所述分压器的缓冲器。所述缓冲器衰减反射信号中高于上限截止频率的频率。连接至所述缓冲器的模数转换器。所述模数转换器接收反射信号中上至上限截止频率的频率成分，所述模数转换器将所述反射信号从模拟域转换为数字域。连接至所述模数转换器的滤波器。所述滤波器衰减反射信号中小于下限截止频率的频率成分。连接至所述滤波器的比较器。所述比较器将所述反射信号的电压与基准电压进行比较。连接至所述比较器的计数器。当所述反射信号的电压高于所述基准电压时所述计数器增加计数。

Description

通过输入信号混叠的局部放电检测频带扩展
背景技术
局部放电(Partial discharge)指的是当绝缘系统处于高电压的作用下时，装置(例如电机)的电绝缘系统中局部的介质击穿(localized dielectric breakdown)。所述击穿由绝缘系统中的一个或者一个以上裂纹、空穴、或者夹杂物产生。局部放电对所述装置产生小的但是影响重大的损伤，预示着所述绝缘系统开始失效，这有可能在未来将导致灾难性的损害。正因如此，最好能够检测到局部放电，以便在这样的损害发生之前，就可以对绝缘系统进行维修或者更换。
为了检测局部放电，将局部放电检测屏(partial discharge detection board)连接至所述装置，当所述装置承受特定电压时，局部放电检测屏适于分析来自(举例来说，从所述装置反射离开)所述装置的信号，以确定所述装置是否正在经历局部放电。所述局部放电检测屏包括模数转换器(ADC)，所述模数转换器以例如100MHZ的采样频率对信号进行采样。所述ADC无法区分奈奎斯特频率(举例来说，在这个例子中为50MHZ)以上的信号部分。从而，传统的局部放电检测屏包括抗混叠滤波器(anti-aliasing filter)以去除奈奎斯特频率以上的频率成分。
发明内容
本发明公开了一种局部放电检测屏。所述检测屏包括配置成降低反射信号的电压的分压器(voltage divider)。缓冲器(buffer)连接至所述分压器。所述缓冲器衰减反射信号中高于上限截止频率(upper cutofffrequency)的频率成分。模数转换器连接至所述缓冲器。所述模数转换器接收反射信号中上至上限截止频率的那部分，所述模数转换器将所述反射信号从模拟域转换至数字域。滤波器(fitler)连接至所述模数转换器。所述滤波器衰减反射信号中小于下限截止频率(lower cutofffrequency)的频率成分。比较器连接至所述滤波器。所述比较器将所述反射信号的电压与基准电压(reference voltage)进行比较。计数器连接至所述比较器。当所述反射信号的电压高于所述基准电压时，所述计数器频率成分。
在另一个实施例中，所述检测屏包括分压器，所述分压器配置成降低反射信号的电压。所述分压器不包括电容器(capacitor)或者电感器(inductor)。缓冲器连接至所述分压器。所述缓冲器衰减反射信号中高于上限截止频率的频率成分。模数转换器连接至所述缓冲器。抗混叠滤波器未设置于所述分压器和所述模数转换器之间。所述模数转换器接收反射信号中在所述模数转换器的奈奎斯特频率和所述上限截止频率之间的频率成分，所述模数转换器将所述反射信号从模拟域转换至数字域。滤波器连接至所述模数转换器。所述滤波器衰减反射信号中小于下限截止频率的频率成分。比较器连接所述滤波器。所述比较器将所述反射信号的电压与基准电压进行比较。计数器连接至所述比较器。当所述反射信号的电压高于所述基准电压时，所述计数器频率成分。
本发明还公开了一种检测局部放电的方法。所述方法包括向装置传输电脉冲。所述点脉冲反射离开所述装置产生反射信号。利用分压器降低所述反射信号的电压。利用缓冲器衰减反射信号中一个或者一个以上高于上限截止频率的频率成分。利用模数转换器将所述反射信号从模拟域转换至数字域。所述模数转换器接收在所述模数转换器的奈奎斯特频率和所述上限截止频率之间的频率成分。
附图说明
并入说明书中且构成说明书的一部分的附图阐释了本教导的实施例，并与说明书一起帮助解释本教导的原理。在图中：
图1展示了按照实施例的用于检测局部放电的系统的示意图。
图2展示了按照实施例的用于检测局部放电方法的流程图。
应当注意到，附图中的一些细节已经被简化，并被制作为方便理解实施例，而非保留严格的结构精度、细节和比例。
具体实施方式
现在参考本发明实施例的细节，本发明的示例在附图中进行阐释。为了方便，在图中，相同的附图标记始终用于表示相同的构件。在以下的说明书中，参考构成说明书一部分的附图，在说明书中以图释的方式进行展示，本教导可以在一个或者一个以上的详细的示例实施方式中实施。
进一步地，尽管本发明提出的数值范围和参数的宽泛范围是近似值；但是在详细的示例中提出的数值是尽可能的准确。然而，任何数值固有地包括一定的必要误差，这种必要误差由测试设备中发现的标准偏差产生。此外，本发明公开的所有范围应被理解为包含任意的以及所有的包括在内的子范围。
图1展示了按照一个实施例的用于检测局部放电的系统100的示意图。所述系统100用于测试装置110。所述装置110包括三个导体112、114、116，每个导体对应不同的电气相位。每个导体112、114、116被电绝缘部118至少部分地包围。所述装置110包括电机或者电机的一部分。例如，所述装置110包括电机装配好的电机(举例来说，具有在适当位置的转子)，将转子移除的定子(举例来说，为了预防性维护)，处于质量检测的新电机、单一形式(single-form)的绕组线圈(该线圈为耐受高电压而设计)、直流间极(DC Interpoles)、或者前面的任意组合。
所述系统100包括连接至所述装置110的冲击放电屏(impulse discharge board)120。所述冲击放电屏120配置成向所述装置110提供高压电脉冲，一次向一个导体112、114、116。例如，所述冲击放电屏120向所述第一导体112提供多个电脉冲以确定包围在所述第一导体112外的绝缘部118经历局部放电的电压。然后，所述冲击放电屏120向所述第二导体114提供多个电脉冲以确定包围在所述第二导体114外的绝缘部118经历局部放电的电压，诸如此类。
所述系统100还包括局部放电检测屏130。所述局部放电检测屏130连接至所述装置110、所述冲击放电屏120、或者与后两者均连接。所述局部放电检测屏130包括配置成接收从所述装置110反射离开的信号的输入端132。所述局部放电检测屏130还包括连接至所述输入端132的分压器134。所述分压器134为包括两个或者两个以上(展示了两个：136、138)电阻的电阻分压器(resistive divider)。在至少一个实施例中，所述分压器134不包括电容器或者电感器；从而所述分压器只有很少的或者完全没有容抗(capacitivereactance)或者感抗(inductive reactance)。
所述局部放电检测屏130还包括连接至所述分压器134的缓冲器140。所述缓冲器140为运算放大器(operational amplifier，简称：op-amp)或者包括运算放大器。在一个事实例中，所述缓冲器140为单位增益缓冲器(unity-gain buffer)。所述局部放电检测屏130还包括连接至所述缓冲器140的模数转换器(ADC)142。所述模数转换器142包括设置所述模数转换器142的时钟频率(clock rate)的振荡器(举例来说，晶体振荡器)144。如同下面即将更详细公开的，所述局部放电检测屏130不包括抗混叠滤波器。
所述局部放电检测屏130还包括连接至所述模数转换器142的第一总线146。例如，所述第一总线146为12位具有数字化数据(digitized data)的总线。所述局部放电检测屏130进一步包括连接至所述总线146的现场可编程逻辑门阵列(fieldprogrammable gatearrays，简称FPGA)150。所述现场可编程逻辑门阵列150包括滤波器152。所述滤波器152为高通(high-pass)、有限冲激响应(finite impulse response，简称FIR)滤波器。在一个例子中，所述滤波器152为100-极有限冲激响应滤波器。更详细的，所述滤波器152连接至所述比较器158的输入端(举例来说，负输入端)。基准电压源160连接至所述比较器158的另一输入端(举例来说，正输入端)。所述现场可编程逻辑门阵列150还包括连接至所述比较器158输出端的计数器162。
所述局部放电检测屏130还包括连接至所述现场可编程逻辑门阵列150的第二总线164。更详细地，所述第二总线164连接至所述计数器162。举例来说，所述第二总线164为8位总线。微控制器166连接至所述第二总线164。
图2展示了按照一个实施例的用于检测局部放电的方法200的流程图。如在202处，所述方法200包括从所述冲击放电屏120向所述装置110传输一个或者一个以上的电脉冲。更详细地，多个电脉冲从所述冲击放电屏120处传输到所述装置110的第一导体112。
所述电脉冲以每秒约1个脉冲至每秒约20个脉冲的频率进行传输。例如，所述电脉冲以每秒5个脉冲进行传输。所述电脉冲具有约1V至约15KV的电压。每个所述电脉冲具有小于约100毫微秒(nanosecond)的持续时间。每个电脉冲反射离开所述装置110(举例来说，导体112或者接近所述导体112的绝缘部118)，产生以一个或者一个以上小波(wavelet)为形式的反射信号。所述反射信号具有小于约500毫微秒的持续时间。
如在204处，所述方法200然后包括在所述局部放电检测屏130的输入端132处所述接收反射信号。如在206处，所述方法200然后包括在局部放电检测屏130中利用分压器134降低所述反射信号的电压。因为所述分压器134为电阻分压器，其衰减所述反射信号而不存在对频谱(frequency spectrum)的限制。这相比于具有电容或者电感构件的分压器134来说，允许更宽的频率系列通过所述缓冲器140和所述模数转换器142。例如，当所述分压器包括电容，所述分压器134作为去除低频的高通滤波器。
如在208处，所述方法200然后包括利用所述缓冲器140缓冲来自所述局部放电检测屏130的剩余部(举例来说，所述模数转换器142和所述现场可编程逻辑门阵列150)的所述反射信号。这保护所述局部放电检测屏130在所述缓冲器140“下游”的构件免受可能损伤构件的高压冲击。
如在210处，所述方法200还包括利用缓冲器140衰减所述反射信号中高于上限截止频率的频率成分。更详细地，所述缓冲器140作为衰减反射信号中高于所述上限截止频率的频率成分的低通滤波器。所述上限截止频率为从约100MHz至约500MHz或者从约200MHz至约300MHz。在一个例子中，所述上限截止频率为约235MHz。从而，在该例子中，235MHz以上的反射信号部分利用所述缓冲器140从所述反射信号中被移除。
如在212处，所述方法200然后包括将利用所述模数转换器142将所述反射信号从模拟信号转换至数字信号。这包括以所述振荡器144确定的预定频率对所述反射信号进行采样。所述预定频率为约30MHz至约500MHz。在一个例子中，所述预定频率为约100MHz。
如同上面提到的，所述局部放电检测屏130不包括抗混叠滤波器(举例来说，连接至所述缓冲器140和所述模数转换器142并定位于后两者之间)。结果，所述模数转换器142接收频率反射信号中在奈奎斯特频率以上且在所述上限截止频率(举例来说，235MHz)以下的频率成分。如果所述反射信号包含指示所述装置在产生所述反射信号的电脉冲电压下经历了局部放电的数据，该数据在所述反射信号的不同频率之间进行分配。在一些实施例中，至少部分这些频率在所述奈奎斯特频率以上，会利用抗混叠滤波器进行移除。从而，通过移除/省略所述抗混叠滤波器，所述局部放电检测屏130能够感测通过利用奈奎斯特频率以上的频率来放大所述感测的反射信号的全部放电中的更大部分，从而使得所述放电的强度(strength)/幅值(magnitude)能更精确地测量出来。
如在214处，所述方法200然后包括利用第一总线146在数字域内将所述反射信号传输至所述现场可编程逻辑门阵列150。更具体地，所述反射信号传输至所述现场可编程逻辑门阵列150中的滤波器152(举例来说，高通滤波器)。除了所述反射信号之外，所述滤波器152还接收传输自所述冲击放电屏120的电脉冲，其具有约0MHz至约10MHz的频率。所述电脉冲不包括与所述装置110中潜在的局部放电相关的信息。从而，如在216处，所述方法200还包括利用滤波器152衰减所述反射信号中小于所述下限截止频率的频率成分。所述下限截止频率高于或者等于所述电脉冲的频率以所述移除电脉冲。在一个例子中，所述下限截止频率在约10MHz至约30MHz之间(举例来说，20MHz)。结果，在约20MHz与约235MHz之间的反射信号部分通过所述过滤器152。
如在218处，所述方法200然后包括利用所述比较器158将所述反射信号的电压与基准电压进行比较。举例来说，所述基准电压为从约5mV至约50mV或者从约10mV至约20mV。当所述反射信号的电压高于所述基准电压，就表示响应于由所述反射信号产生的电脉冲，所述装置(举例来说，所述导体112和/或所述电绝缘部118)经历了局部放电。当所述反射信号的电压小于所述基准电压，其被归为噪音，没有确定发生局部放电。
如在220处，所述方法然后包括当所述比较器158指示所述反射信号的电压高于或者等于所述基准电压时，所述计数器162进行频率成分。如在222处，所述计数器162的输出信号利用第二总线164传输至所述微控制器166。此外，如在224处，从所述滤波器152处输出的反射信号部分(举例来说，具有从约20MHz至约235MHz的频率)也利用所述第二总线传输至所述微控制器166。这被用来可视地表示所述反射信号的波形。
本教导已经在以一个或者一个以上的实施方式进行了说明，在不偏离权利要求的精神和范围的基础上，是可以对说明的例子进行变型和/或修改。此外，虽然本教导仅对多个实施方式中的一个的特定特征进行了说明，因为可能对一些给定的或者特殊的功能来说是期望的和有利的，这些特征可以与其他实施方式中的一个或者一个以上的其他特征组合使用。此外，不管是说明书中还是权利要求中使用的术语“包括(including)”、“具有(having)”、“带有(with)”或者这些术语的变体，其意为包含性的，类似于术语“包括(comprising)”。进一步地，在说明书和权利要求书中，术语“约”表示列出的数值可能有些改变，只要这种改变不会造成方法或结构与所述实施方式的不一致。术语“连接(couple、connect、connection、in connection with、connecting)”、“被连接(coupled、connected)”指的是“与……直接连接”或者“通过一个或者一个以上的中间构件或者部件与……连接”。最后，“示例性的(exemplary)”表示说明书用作例子，而非意味着其为理想的。
在考虑了本教导公开的说明书和实施方式后，本教导的其他实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。说明书和实施方式只是意在作为示例性的，真正的保护范围和精神在本教导随附的权利要求中进行指示。

Claims (8)

1.一种局部放电检测屏，其特征在于，包括：
被配置成用于降低反射信号的电压的分压器；
连接至所述分压器的缓冲器，所述缓冲器衰减反射信号中高于上限截止频率的频率成分；
连接至所述缓冲器的模数转换器，所述模数转换器接收反射信号中上至上限截止频率的频率成分，并且将所述反射信号从模拟域转换为数字域；
连接至所述模数转换器的滤波器，所述滤波器衰减反射信号中小于下限截止频率的频率成分；
连接至所述滤波器的比较器，所述比较器将所述反射信号的电压与基准电压进行比较，
连接至所述比较器的计数器，所述计数器在所述反射信号的电压高于所述基准电压时增加计数，
所述局部放电检测屏不包括抗混叠滤波器，以及
所述上限截止频率高于所述模数转换器的采样频率。
2.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述分压器为电阻分压器。
3.根据权利要求2所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述分压器不包括电容器或者电感器。
4.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述缓冲器包括单位增益运算放大器。
5.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述上限截止频率为从100MHz至500MHz。
6.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述滤波器包括有限冲激响应滤波器。
7.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述下限截止频率为从10MHz至30MHz。
8.根据权利要求1所述的局部放电检测屏，其特征在于，所述基准电压为从5mV至50mV。
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