CN108693451A - 基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，包括复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元、UHF信号采集单元、信号传输单元和主机显示单元四部分；所述局部放电单元包含直流电源，脉冲电源，电压分配组件和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述脉冲电源的输出端连接所述电压分配组件的输入端，所述电压分配组件的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；所述模拟局部放电装置的输出端连接所述特高频信号采集单元的输入端；所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接信号传输单元的输入端；所述信号传输单元的输出端连接所述主机显示单元的输入端。准确模拟换流变压器阀侧套管的复杂工况，快捷安全。
Description
技术领域
本发明属于油纸绝缘局部放电检测领域，具体涉及一种基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统。
背景技术
输变电设备的带电检测技术作为状态检修工作强有力的技术支撑，已经纳入到国网公司的常规检测体系中来，是对电力设备进行故障诊断的有效技术手段。近年来随着高压直流输电工程(High Voltage Direct Current,HVDC)发展，直流电压，脉冲电压和脉冲电压作用下油纸绝缘局部放电现象分析成为研究热点。但是，现阶段，国内外对复合电压下局部放电的试验与诊断技术的研究仍然处于起步阶段。
特高频检测法(ultra high frequency,UHF)是指电力设备内发生局部放电时的电流脉冲(上升沿为纳秒级)能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，通过检测这种电磁波信号来实现局部放电检测。特高频检测法检测频段高(通常为300-3000MHz)，具有抗干扰能力强，检测灵敏度高等优点，可用于电力设备局部放电类缺陷的检测、定位和故障类型识别。
Zigbee串口模块是基于Zigbee2007/PRO协议栈的2.4G Zigbee无线串口透明传输通信模块。模块基于TI高性能低功耗的2.4G射频收发芯片CC2530及大功率低噪声射频前端芯片CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zigbee无线传感网络的组网。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，能够利用UHF天线的局部放电检测技术，对复合电场下油纸绝缘局部放电缺陷进行诊断和识别。
本发明通过将特高频天线与直流叠加脉冲电压装置相结合，能够保持高灵敏度对运行的油纸绝缘局部放电进行检测，并通过信号采集和信号处理传输至主机，进而从局部放电方面描述油纸绝缘劣化的局部放电检测系统。
本发明所采用的技术方案是：基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，包括复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元、UHF信号采集单元、信号传输单元和主机显示单元四部分；
所述复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元包含直流电源，脉冲电源，电压分配组件和模拟局部放电装置；
所述直流电源和所述脉冲电源的输出端连接所述电压分配组件的输入端，所述电压分配组件的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；
所述模拟局部放电装置为一个恒温预热平台和两个指压型电极构成，其中一个指型电极与电压分配组件的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；
所述模拟局部放电装置的输出端连接所述特高频信号采集单元的输入端；
所述特高频信号采集单元用以获取油纸绝缘所产生的特高频局部放电信号，包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；
所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接信号传输单元的输入端；
所述信号传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述特高频信号采集单元的输出端连接射频天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
所述信号传输单元的输出端连接所述主机显示单元的输入端；
所述主机显示单元用于获取从信号传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并进行数据存储和读取。
所述UHF天线采用一端为BNC接头，另一端为高频RF头的传输线。
所述UHF天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺线复合的外置型天线。
所述直流电源为静电纺丝高压源。
所述脉冲电源在0至±100kV可调。
所述电压分配组件由两个高压薄膜电容和两个高压电阻构成。
所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大电路。
所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成，电容值1nF和电阻值5MΩ。
所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。
有益效果
1、实现同时施加直流电压和脉冲电压，能够准确模拟换流变压器阀侧套管的复杂工况，并且正负直流电源切换快捷，保证实验安全。脉冲电源的输出电压和频率均可调节，保证功能完善。
2、复合型螺旋天线具有更好的截止频率和更小的尺寸，能够更加准确捕捉到局部放电信号，能够有效去除部分干扰信号；
3、主机分析功能强大，具有数据对比库和分析模式，能够查阅存储历史数据，并能够自行定义图片编号和日期，从PRPD和PRPS两种谱图协同分析局部放电特征，并进行模式识别；
4、具备多种图形参数设置功能，可进行可视化降噪功能，可设定阈值和采样间隔以及电源频率等；
5、完全数字化显示，界面更加直观，简洁明了，人机交互友好；
6、与现有检测技术和检测装置相比，本发明能够准确模拟换流变压器阀侧套管用油纸绝缘在实际工况下所产生的局部放电信号，检测准确，便于工作人员操作设置和诊断，采用基于特高频法的检测系统更具优势，能够实现准确的信号捕捉，通过将采集结果通过无线传输至数据分析单元，保证操作安全可靠。
附图说明
图1是本发明的电压分配组件电路接线图；
图2是本发明的系统结构连接框图：
图3是本发明的UHF信号采集单元；
图4是本发明的主机界面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统是如何实现的。
本发明通过UHF天线和复合电场耦合局部放电装置相结合，对油纸绝缘局部放电进行检测，从PRPD和PRPS谱图两个方面描述油纸绝缘在复合电场耦合作用下的局部放电特征，研究换流变压器阀侧套管内绝缘的介电性能。本发明提供一种基于UHF法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，即一种基于特高频天线和复合电场耦合局部放电装置实现油纸绝缘的局部放电动态和高灵敏度检测。
如图2所示，本发明的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，可用于研究换流变复杂工况下油纸绝缘的局部放电特征研究。包括复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元、UHF信号采集单元、信号传输单元和主机显示单元四部分。
复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元包含直流电源，脉冲电源，电压分配组件和模拟局部放电装置；所述直流电源和所述脉冲电源的输出端连接所述电压分配组件的输入端，所述电压分配组件的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端。
本实施例中所述直流电源由一台正极性东文静电纺丝高压电源和一台负极性东文静电纺丝高压电源构成，型号为DW-P503-1ACDF，内部采用模块化电路设计，输出稳压精度高，输出电压连续可调，并带有高精度输出电压及电流数字显示。
本实施例中所述脉冲电源型号为武汉三鑫华泰的PV102AC，脉冲电压的冲击电压幅值为0至±100kV可调，冲击电压的上升沿及下降沿均为1至1000μs。
产生的冲击电压叠于直流电源之上。
本实施例中所述电压分配组件为一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻串联而成的隔直电路与一个聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器和一个大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻搭建而成的低通滤波电路组成；所述聚丙烯高压无感吸收薄膜电容器的型号为EACO-SDD，容值为0.1μF，耐压等级20kV，所述大红袍高压玻璃釉高频无感放电电阻的型号为RI80，阻值为1MΩ，电路连接如图1所示。
本实施例中述模拟局部放电装置为一个型号为HB-HP-6040汉邦恒温加热平台和两个指压型电极构成，加热平台采用电阻丝发热进行升温，可以实现快速升温。平台内置MCU程控温度并配置独立感温探头，面板每点差小于±2℃，可保证试样均匀恒温受热，并配有实际温度和设定温度的数字显示；其中一个指型电极与电压分配组件的输出端相连，另一个指型电极与大地相连。
所述模拟局部放电装置的输出端连接所述特高频信号采集单元的输入端。
UHF信号采集单元如图3所示，用以获取UHF局部放电信号，包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大和稳压电路，所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接信号传输单元的输入端；所述的UHF天线，采用由阿基米德螺旋和平面等角螺旋复合构成的PCB型天线，其表面附有厚度为1mm的环氧树脂浇注层，天线外壳内部为中空反射腔，通过高频同轴线接BNC头，可避免外部串扰。
所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大电路；所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成，电容值1nF和电阻值5MΩ；所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。
当油纸绝缘发生局部放电时，会产生持续时间仅为ns级的脉冲电流，激发出的电磁波会透过环氧材料浇注层，通过外置式UHF天线耦合成电压信号，同时将其送入到放大滤波电路，此处需要进行放大电路进行放大，然后需要过滤掉干扰噪声，比如工频干扰等外界信号，信号经滤波后进行检波。三阶巴特沃兹高通滤波器将频带设定在200MHz以上，有效避开电晕等干扰信号，用以捕获准确的局部放电信号。
信号传输单元用于对局部放电脉冲信号进行有效采集，并且将其通过无线传输模式传送至后续单元。采用高性能STM32系列ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用高性能ARM芯片自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，同时通过UART串口通信，与传输单元发送模块相连接，将采集到的信号进行编码，通过无线传输至主机。所述的传输单元采用ZAuZx_T系列Zigbee串口透传模块经过RF天线实现无线传输通信。
主机显示单元用于对局部放电数据进行分析以及进行PRPD和PRPS的描点，并且对油纸绝缘的局部放电状态做出判断，将分析的结果进行存储和查询。采用高性能ARM芯片作为微处理器(MCU)；具体方法是利用STM32系列高性能ARM芯片，通过自带的A/D转换模块，将接收到的前一级模拟信号转换为数字信号，对接收信号的幅值进行测量并且计算局部放电信号脉冲个数，以所测量的局部放电脉冲信号值的大小以及脉冲个数作为依据来判断电力电缆局部放电的强弱，以此进行PRPD和PRPS谱图的描点，单位为dB，如图4所示。
电源采用外置锂电池供电，方便拆卸进行充电。
本发明的基于UHF法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，具体的使用环境及其方法如下：
1、使用环境
海拔高度：≤1000m
工作温度：-20℃-40℃
工作湿度：0-90％，无凝露
无火灾、爆炸危险，严重污秽化学腐蚀、剧烈振动、强电磁干扰及雷击场所被测设备要良好接地
2、使用方法
⑴纤维素绝缘试样制作步骤
①本实例中采用南唐中利有限公司生产的纤维素绝缘纸，厚度为0.13mm，将纤维素绝缘纸裁剪成20mm*50mm的正方形试样，将试样放入型号为401B型热老化试验箱中进行干燥，温度设置为90℃，干燥时间设置为12小时。
②采用长城25#变压器油进行真空滤油处理。
③将处理后的纤维素绝缘纸放入绝缘油中，并在型号为DZF-6020/6050的真空干燥箱中静置48小时，控制绝缘纸与绝缘油的质量比小于1：20，环境温度设定为40℃，真空度设定为50Pa。
④取出浸油处理后的油浸绝缘纸进行后续实验步骤。
⑵局部放电检测步骤
①将两个指型电极相对放在在恒温加热平台上并固定，电极之间距离设定为15mm，将油浸纸试样放在电极之间，并确保电极紧密贴合在试样上，加热平台温度设定在40℃。
②设定所述高压直流电源的电压幅值为10kV,设定所述脉冲电压频率为250Hz，将UHF天线浇注环氧一面正对在指型电极之间，天线距离试样约为5cm，通过主机设定显示脉冲电数为1000个，触发电平为1dB。
③升高脉冲电源产生的电压幅值，当油纸绝缘发生局部放电时，UHF天线耦合从试样传导出来的横向电磁波信号，经过放大滤波处理后通过检波电路进，得到可以送至ARM的有效采集脉冲信号，经过A/D数模转换后，经UART串口传至Zigbee模块，通过RF天线无线传输送至主机显示单元；同时主机还提供人机界面和数据存储和查询功能，并实时输出PRPD和PRPS谱图。
Claims (9)
1.基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，包括复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元、UHF信号采集单元、信号传输单元和主机显示单元四部分；
所述复合电场耦合油纸绝缘局部放电单元包含直流电源，脉冲电源，电压分配组件和模拟局部放电装置；
所述直流电源和所述脉冲电源的输出端连接所述电压分配组件的输入端，所述电压分配组件的输出端连接所述模拟局部放电装置的输入端；
所述模拟局部放电装置为一个恒温预热平台和两个指压型电极构成，其中一个指型电极与电压分配组件的输出端相连，另一个指型电极与大地相连；
所述模拟局部放电装置的输出端连接所述特高频信号采集单元的输入端；
所述特高频信号采集单元用以获取油纸绝缘所产生的特高频局部放电信号，包括依次串接的UHF天线、放大电路、滤波电路、检波电路以及电压反馈放大电路和稳压电路；
所述电压反馈放大电路和稳压电路的输出端连接信号传输单元的输入端；
所述信号传输单元用于采集局部放电数据并进行无线传输，采用微处理器芯片作为主处理器，并通过串口通信，搭载Zigbee发送模块完成对数据的无线传输，所述特高频信号采集单元的输出端连接射频天线，通过无线连接至主机的Zigbee接收模块的串口；
所述信号传输单元的输出端连接所述主机显示单元的输入端；
所述主机显示单元用于获取从信号传输单元传过来的数据，并进行局部放电相位谱图和脉冲序列相位谱图的描点，将结果显示在人机界面上，并进行数据存储和读取。
2.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述UHF天线采用一端为BNC接头，另一端为高频RF头的传输线。
3.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述UHF天线采用由阿基米德螺旋和平面等角螺线复合的外置型天线。
4.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述直流电源为静电纺丝高压源。
5.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述脉冲电源在0至±100kV可调。
6.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述电压分配组件由两个高压薄膜电容和两个高压电阻构成。
7.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述放大电路采用两个型号为ADL5545芯片串联实现的二级放大电路。
8.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述检波电路由SMS7630高频二极管串联RC充放电电路构成，电容值1nF和电阻值5MΩ。
9.根据权利要求1所述的基于特高频法的复合电场耦合油纸绝缘局部放电检测系统，其特征在于，所述电压反馈放大和稳压电路采用AD8056芯片中两个运算放大器实现的2倍放大和电压跟随。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181023 |