CN108051701A - 一种电网闪络放电巡检装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电网巡检设备领域，尤其涉及一种电网闪络放电巡检装置。本发明提出了一种电网闪络放电巡检装置，包括用于检测闪络放电的传感器、设于传感器后方的前置电路、设于前置电路后方的转换电路，还包括单片机以及提示装置；在传统超声波检测的基础上，本发明结合电网需求及特点，通过设置适用于监测电网设备的传感器结构及电路结构，在简化现有检测设备的基础上，实现了非接触式的闪络放电巡检，该装置能够有效提高巡检数据的准确性，隔离内外部的各种干扰。

Description

一种电网闪络放电巡检装置

技术领域

本发明属于电网巡检设备领域，尤其涉及一种电网闪络放电巡检装置。

背景技术

可靠性是电力系统运行的重要指标，影响电力系统可靠性的主要因素是电气设备的故障率，电力设备的故障可分为机械故障、导体故障以及绝缘故障。对实际电气故障进行统计后发现，绝缘故障是影响设备正常运行的主要原因。因此对电气设备的绝缘性进行检测是监测电网运行可靠性的一个重要方法，得益于制造工艺及材料技术的发展，大规模突发性的绝缘劣化或失效很少发生，但电力设备的局部放电却日趋严重，一方面电气设备的内部结构更加细化、线路更加发杂，另一方面同一电气设备中存在多种不同的工作电压，其结果是电气设备内部电场不均匀，畸变概率较高，因此局部放电等现象随之增加，局部放电的直接后果是绝缘材料的劣化以及击穿，这类局部放电现象不易察觉和监测，但长期存在会不断降低电气设备的绝缘性能，最终导致电网系统的可靠性不断降低，由于多数电气设备内部结构复杂以及带电状态不易查看，人们提出了使用超声波检测的方式利用局部放电产生的超声波散射来对放电过程进行检测，进而对各类威胁设备绝缘性的放电现象进行监测反馈，以避免绝缘劣化或击穿的发生。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供一种适用于监测电网设备和电路的闪络放电的传感器结构及电路结构，其能够快速高效的实现闪络放电巡检，并能够精确提供测量数据以及有效隔离内外部的各种干扰。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

本发明提出了一种电网闪络放电巡检装置，包括用于检测闪络放电的传感器、设于传感器后方的前置电路、设于前置电路后方的转换电路，还包括单片机以及提示装置；

所述传感器包括绝缘防护壳以及设于绝缘防护壳内的压电薄膜，绝缘防护壳的前端设有开口，所述开口用于引入超声波信号以压电薄膜监测，所述压电薄膜固定于绝缘防护壳内以防止受到干扰或破坏，还包括与压电薄膜前端连接的喇叭状的共振盘，共振盘用于提高超声波收集效果以及放大震动效果，以提高检测精度，所述共振盘的喇叭口朝向绝缘防护壳的开处，压电薄膜向后侧延伸出接线端，接线端从绝缘防护壳的后端伸出并连接至前置电路；

所述前置电路用于对传感器所获信号进行预先处理，提高可识别度同时降低干扰噪音，包括设于传感器后方的电压跟随器，设于电压跟随器后的低频截止器，电压跟随器用于实现高输入阻抗，将传感器产生的微弱电量变化信号转换为电压变化信号以供后序监测电路使用；

所述电压跟随器包括由四个晶体管K₁、K₃、K₅和K₇连接组成的两级共漏，由NMOS管及PMOS管组成的电流镜装置，所述NMOS管由晶体管K₂、K₄组成，所述PMOS管由晶体管K₆、K₈组成，所述两级共漏中的晶体管被电流镜装置偏执，且K₁和K₂具有相同的漏电流，K₃和K₄具有相同的漏电流，K₁和K₃的栅源电压相等；K₅和K₆具有相同的漏电流，K₇和K₈具有相同的漏电流，K₅和K₇的栅源电压相同；通过改进电压跟随器结构，避免NMOS管和PMOS管的电压失配，降低补偿电压，提高输出阻抗，优化输出特性，以提高实际测量效果，保证测量数据的准确性。

所述低频截止器包括两级二阶放大结构组成的四阶放大结构，所述二阶放大结构采用无限增益多路反馈连接以抑制匹配不适引起的自激震荡同时提高电路的放大能力；还包括设于低频截止器后方的放大电路，放大电路用于放大经前序电路初步处理后的数据信号，以便于后序程序检测处理。

进一步的，所述放大电路包括由多个相同的同相放大器并联在一起形成的第一级，还包括设有反相求和电路的第二级，由于放大电路中的放大器等结构本身也相当于一个噪声源，放大电路的存在会对输出特性造成不利影响，使用上述结构可以降低放大电路输出噪音，优化输出特性。

进一步的，经过前置电路处理后的信号仍然为双极性信号，为便于之后的单片机的采集和处理，本发明还包括用于对信号进行有效值转换的转换电路以隔除前置电路产生的直流偏置信号。

进一步的，所述提示装置用于展示检测结果等数据，并根据不同的检测结果显示不同的图形或者以不同的声光效果等方式提示使用者，如使用显示屏显示波形等数据或者通过警示灯，声音等方式提示闪络放电的强度等。

进一步的，所述单片机主要用于A/D转换、数据的采集和处理等，包括微控制器，以及集成于微控制器内或单独设置的A/D转换单元以及寄存器；

进一步的，所述电压跟随器还包括跟随电容，所述跟随电容跨接在运算放大器前后端以过滤干扰，所述传感器还包括设于共振盘外围的阻抗匹配器。

进一步的，所述压电薄膜由PVDF压电薄膜在其两端面敷设6-10μm厚的聚乙烯薄膜组成，该结构能够减小压电薄膜具有较小的厚度的同时保证其弹性需求，所述压电薄膜与接线端的连接出覆盖有硅胶层，硅胶层用于防止连接处损坏导致接触不良，保证压电薄膜在变形过程中能够稳定输出信号，所述压电薄膜外部裸露部分通过树脂进行封装，且压电薄膜的有效部分与接线端连接部分分别封装，以避压电薄膜免厚度不均匀引起的干扰，提高输出的稳定性。

进一步的，所述绝缘防护壳内设有不锈钢屏蔽层，所述不锈钢屏蔽层设于绝缘层内部并围绕传感器，为降低内部电磁干扰，该传感器以及内部的连接线缆应采用同轴电缆或者设置屏蔽器，且各线缆应当固定在外壳等结构上以防止震动等造成干扰。

进一步的，所述前置电路还包括设于低频截止器以及放大电路之间的滤波器。

本发明的有益效果在于，在传统超声波检测的基础上，本发明结合电网需求及特点，通过设置适用于监测电网设备的传感器结构及电路结构，在简化现有检测设备的基础上，实现了非接触式的闪络放电巡检，该装置能够有效提高巡检数据的准确性，隔离内外部的各种干扰。

附图说明

图1是本发明的电网闪络放电巡检装置的传感器的结构示意图；

图2是传统的电压跟随器的结构原理图；

图3是本发明实施例中的电压跟随器的结构原理图；

图4是本发明实施例中的低频截止器的结构原理图；

图5是本发明实施例中的有效值转换电路的原理图；

图6是本发明实施例中的放大电路的结构原理图。

其附图标记包括：

绝缘防护壳1；压电薄膜2；共振盘3；硅胶层4；封装层5；不锈钢屏蔽层6。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

本发明提出了一种电网闪络放电巡检装置，包括用于检测闪络放电的传感器、设于传感器后方的前置电路、设于前置电路后方的转换电路，还包括单片机以及提示装置；

本发明是基于对电网设备或电路在闪络放电过程中产生的超声波进行监测来实现巡检监测，如图1所示，所用传感器用于收集上述超声波数据，所述传感器包括绝缘防护壳1以及设于绝缘防护壳1内的压电薄膜2，绝缘防护壳1的前端设有开口，所述开口用于引入超声波信号以压电薄膜2监测，通过设置开口还能够在实际使用时实现定向采集，尽量避免来自于其他方向的外部干扰，所述压电薄膜2固定于绝缘防护壳1内以防止受到干扰或破坏，还包括与压电薄膜2前端连接的喇叭状的共振盘3，共振盘3用于提高超声波收集效果以及放大声波震动效果，以提高检测精度，所述共振盘3的喇叭口朝向绝缘防护壳1的开处，压电薄膜2向后侧延伸出接线端，接线端从绝缘防护壳1的后端伸出并连接至前置电路；由于在检测过程中，超声波及压电薄膜2产生的震动相对较小，传感器以及后述各种装置或结构的自身震动等将会对监测数据的准确性造成不利影响，因此，本发明中的各种内部结构及线缆等均被固定于附近的固定结构上，如线缆应当通过卡扣或者粘胶等方式牢固的固定在外壳等结构上，在一些容易抖动或位移的结构或零部件之间还应当通过树脂封装等方式尽可能的降低内部结构在使用过程中的震动。

事实上，上述传感器中的压电薄膜2在电网闪络放电过程产生的超声波冲击下产生的电量信号相对而言仍然较小，不利于后序过程中数据的分析处理，因此还必须设置前置电路，前置电路用于对传感器所获信号进行预先处理，提高可识别度同时降低干扰噪音，其具体结构包括设于传感器后方的电压跟随器，设于电压跟随器后的低频截止器，电压跟随器用于实现高输入阻抗，将传感器产生的微弱电量变化信号转换为电压变化信号以供后序监测电路使用。

传统的电压跟随器如图2所示，包括由4个晶体管(T₁-T₄)一起组成的两级共漏结构，但由于NMOS管以及PMOS管之间的失衡，导致实际应用中需要很高的补偿电压，相对于本发明中较小的电量数据将会引入相对较大的噪音干扰，甚至导致无法获得准确的检测结构，同时由于MOS管相对于三极管跨导较小，导致输出阻抗增加，线性输出的摆幅较小，最终使本发明中的数据监测结果失真严重，因此在传统电压跟随器的基础上，本发明设计了如图3所示的电压跟随器，所述电压跟随器包括由四个晶体管K₁、K₃、K₅和K₇连接组成的两级共漏，由NMOS管及PMOS管组成的电流镜装置，所述NMOS管由晶体管K₂、K₄组成，所述PMOS管由晶体管K₆、K₈组成，所述两级共漏中的晶体管被电流镜装置偏执，且K₁和K₂具有相同的漏电流，K₃和K₄具有相同的漏电流，所述NMOS管和PMOS管均具有相同的尺寸，K₁和K₃的栅源电压相等(实际使用过程中，由于材料差异等各种因素，真实数据不可能完全一样，实际上，本发明的电压跟随器使用过程中，使其保持接近相等即可)，跟随器K₅-K₈做相同方式的处理以进一步提高效果。根据图3中的结构，可以用式和式分别表示跟随器K₁-K₄和跟随器K₅-K₈的跨导，通过控制转移电流比a，可获得很高的跨导。

分析图3中电路结构可知，晶体管K₁和K₉被连接作为差分放大器，当输入电压低于V_L时，K₁和K₉的偏执电流大部分变成K₉的漏电流，经过K₁₁-K₁₂、K₁₃-K₁₄的镜像复制使K₁₄的宽为K₁₃的倍数，其输出值在负极的过驱动范围内摆动，其输出阻抗R_L由决定，同样的K₅和K₁₀作为差分放大器，当输入电压高于V_H时，K₅和K₁₀的偏执电流大部分变成K₁₀的漏电流，经过K₁₅-K₁₆、K₁₇-K₁₈的镜像复制使K₁₈的宽为K₁₇的倍数，其输出值在正极的过驱动范围内摆动，其输出阻抗R_L由决定。通过改进电压跟随器结构，避免NMOS管和PMOS管的电压失配，降低补偿电压，提高输出阻抗，优化输出特性，以提高实际测量效果，保证测量数据的准确性；

如图4所示，低频截止器包括两级二阶放大结构组成的四阶放大结构，所述二阶放大结构采用无限增益多路反馈连接以抑制匹配不适引起的自激震荡同时提高电路的放大能力；还包括设于低频截止器后方的放大电路，放大电路用于放大经前序电路初步处理后的数据信号，以便于后序程序检测处理；

如图5所示，经过前置电路处理后的信号仍然为双极性信号，而且由于传感器所产生的电量较小，实际应用中可能会因为阻抗过大而无法直接检测，为便于之后的单片机的采集和处理，本发明还包括用于对信号进行有效值转换的转换电路，即将电荷量转换为相应的电压量以隔除前置电路产生的直流偏置信号；有效值转换电路由运算放大器以及电阻和电容组成，基于检测精度的需要，本实施例中使用精密电容(如聚苯乙烯电容)和精密电阻(如金属薄膜电阻)。

所述提示装置用于展示检测结果等数据，并根据不同的检测结果显示不同的图形或者以不同的声光效果等方式提示使用者。

所述单片机主要用于A/D转换、数据的采集和处理等，包括微控制器，以及集成于微控制器内或单独设置的A/D转换单元以及寄存器。

所述电压跟随器还包括跟随电容，所述跟随电容跨接在运算放大器前后端以过滤干扰，所述传感器还包括设于共振盘3外围的阻抗匹配器。

如图6所示，所述放大电路包括由多个相同的放大器并联在一起形成的第一级，还包括设有反相求和电路的第二级，由于放大电路中的放大器等结构本身也相当于一个噪声源，放大电路的存在会对输出特性造成不利影响，使用上述结构可以降低放大电路输出噪音，优化输出特性。分析图6种结构可知，由于信号的增加取决于取样总数，而随机白噪音的增加却仅有样本的平方根决定，通过将n个相同的放大器并联，选择合适的级数n，实现放大器与噪音匹配，利用反相求和电路处理后的噪音输出变为原单极放大电路的倍，即相对信噪比提高倍。

实际使用中的压电薄膜2通常由感芯两侧覆盖薄铝电极并经过裁剪构成，因此在实际使用时应当对压电薄膜2周边的金属毛刺进行处理以防止短路，较佳的，可采用腐蚀剂腐蚀掉毛刺并进行短路检测，通过设置引出电极可以简化安装设计过程，优化电荷信号的传输，隔绝干扰，进一步的，所述压电薄膜2由PVDF压电薄膜2在其两端面敷设6-10μm厚的聚乙烯薄膜组成，压电薄膜2具有较好的弹性以获取更强的感应信号，通过设置聚乙烯薄膜结构能够使压电薄膜2兼具较小的厚度的以及较好的弹性的需求，同时提供必要的保护措施，所述压电薄膜2与接线端的连接处覆盖有硅胶层4，硅胶层4用于防止连接处损坏导致接触不良，保证压电薄膜2在变形过程中能够稳定输出信号，所述压电薄膜2外部裸露部分通过树脂进行封装，且压电薄膜2的有效部分与接线端连接部分分别封装，以避压电薄膜2免厚度不均匀引起的干扰，提高输出的稳定性。硅胶层4以及树脂封装层5具有较好的绝缘性能，可以有效降低工频信号等各种外部干扰，同时很好的固定各类结构避免震动脱落，保证输出信号的稳定性。

所述绝缘防护壳1内设有不锈钢屏蔽层6，所述不锈钢屏蔽层6设于绝缘层内部并围绕传感器，为降低内部电磁干扰，该传感器以及内部的连接线缆应采用同轴电缆或者设置屏蔽器，且各线缆应当固定在外壳等结构上以防止震动等引入干扰

进一步的，所述前置电路还包括设于低频截止器以及放大电路之间的滤波器。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种电网闪络放电巡检装置，包括用于检测闪络放电的传感器，其特征在于，还包括设于传感器后方的前置电路、设于前置电路后方的转换电路，还包括单片机以及提示装置；

所述传感器包括绝缘防护壳以及设于绝缘防护壳内的压电薄膜，绝缘防护壳的前端设有开口，所述压电薄膜固定于绝缘防护壳内，传感器还包括与压电薄膜前端连接的喇叭状共振盘，所述共振盘的喇叭口朝向绝缘防护壳的开处，压电薄膜向后侧延伸出接线端，接线端从绝缘防护壳的后端伸出并连接至前置电路；

所述前置电路包括设于传感器后方的电压跟随器、设于电压跟随器后的低频截止器，所述电压跟随器包括由四个晶体管K₁、K₃、K₅和K₇连接组成的两级共漏，由NMOS管以及PMOS管组成的电流镜装置，所述NMOS管由晶体管K₂、K₄组成，所述PMOS管由晶体管K₆、K₈组成，所述两级共漏中的晶体管被电流镜装置偏执，且K₁和K₂具有相同的漏电流，K₃和K₄具有相同的漏电流，K₁和K₃的栅源电压相同；K₅和K₆具有相同的漏电流，K₇和K₈具有相同的漏电流，K₅和K₇的栅源电压相同；

所述低频截止器包括两级二阶放大结构组成的四阶放大结构，所述二阶放大结构采用无限增益多路反馈连接；

所述前置电路还包括设于低频截止器后方的放大电路，放大电路用于放大经前序电路初步处理后的数据信号，以便于后序程序检测处理。

2.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述放大电路包括由多个相同的放大器并联形成的第一级，还包括设有反相求和电路的第二级。

3.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，还包括用于对信号进行有效值转换的转换电路以隔除前置电路产生的直流偏置信号。

4.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在，所述提示装置用于展示检测结果等数据，并根据检测结果显示不同的数字或图形或者不同的声光效果。

5.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述单片机主要用于A/D转换、数据的采集和处理等，包括微控制器，以及集成于微控制器内或单独设置的A/D转换单元以及寄存器。

6.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述电压跟随器还包括跟随电容，所述跟随电容跨接在运算放大器前后端，所述传感器还包括设于共振盘外围的阻抗匹配器。

7.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述压电薄膜由PVDF压电薄膜在其两端面敷设6-10μm厚的聚乙烯薄膜组成，所述压电薄膜与接线端的连接出覆盖有硅胶层，所述压电薄膜外部裸露部分通过树脂进行封装，且压电薄膜的有效部分与接线端连接部分分别封装。

8.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述绝缘防护壳内设有不锈钢屏蔽层，所述不锈钢屏蔽层设于绝缘层内部并围绕传感器。

9.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于所述传感器以及内部的连接线缆为同轴电缆或者设置屏蔽器，且各线缆固定于外壳等固定结构上。

10.根据权利要求1所述一种电网闪络放电巡检装置，其特征在于，所述前置电路还包括设于低频截止器以及放大电路之间的滤波器。