CN110045256A - 一种shf频段局部放电信号接收电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种SHF频段局部放电信号接收电路，包括位于SHF信号接收机前端的混频降频模块，以及连接在SHF信号接收机端的电磁波接收模块，将信号划分为UHF，UHF混合SHF和SHF三段，进而捕捉瞬态信号，准确记录3GHz～30GHz频率带宽信号的特性，通过对SHF接收机的电磁辐射的接收和屏蔽，分段信号进行降频补偿，并通过对所接收信号的分析，反演局部放电的特性和绝缘缺陷的状态，需要综合局部放电特高频检测和超高频信号检测的手段，对特高频SHF局部放电信号进行有针对性地设计、试验与调试。

Description

一种SHF频段局部放电信号接收电路

技术领域

本发明属于局部放电研究技术领域，具体涉及一种SHF频段局部放电信号接收电路。

背景技术

以应用最为普遍的特高频(Ultra High Frequency，UHF)检测方法为例，UHF方法检测局部放电信号主要集中在300MHz到3GHz范围的频率带宽，实现对局放信号的有效检测。然而在实际应用中，电晕干扰、开关干扰、通信干扰等众多干扰源的信号频带已经远大于300MHz，高频段的噪声干扰和真实地局部放电信号一起被检测到，因此干扰信号的识别和去除依然是UHF法局放检测工作的重点。在现场工作环境中，通常需要大量的精力来排除干扰，而由于干扰源的随机性和不确定性，更多需要依靠专家经验来判断。

作为电力设备绝缘状况的主要表征参量，如何采用新的技术手段实现对局放信号的有效、自动检测和定位将是整个电力行业面临和必须解决的问题。关于局部放电电流脉冲特性与其放电原理的关系的研究表明局部放电脉冲脉宽在ps级和ns级，这说明局部放电所激发电磁波信号的主成分在UHF频段(GHz附近)，超高频(Super High Frequency,SHF)也是其一个成份(主要集中在10GHz附近及更高频率)。

但当前基于特高频(UHF)方法的局部放电带电检测与在线检测技术还不能完全达到电力设备状态检测要求，有待改进的地方包括：

(1)信号实际检测灵敏度有待提高。现有特高频局部放电检测用内置式传感器检测灵敏度一般到-80dBm，外置式传感器为-65dBm，但是实际现场检测中噪声以下的信号很难检测出来；

(2)局部放电信号的确认和定位周期长。由于局部放电干扰信号的存在，要在含有干扰信号的局部放电中获取真实地局部放电信号难度非常大，有时为了确认一个局部放电信号，需要反复检测，综合运用时域、频域、图谱、时差定位结果等多方面的信息进行判断，技术难度高、判断时间长，准确率有限，这就直接导致了发现一个疑似缺陷之后，需要长时间的多次测量才能最后确定；

(3)局部放电特高频信号与绝缘缺陷劣化程度之间关联关系还需进一步研究。这里面最难解释的就是信号幅值与劣化程度的关系，因受传播路径复杂性、绝缘缺陷类型的多样性与放电机理与放电环境的非一致性影响，目前还没有一个合理的模型能够进行描述。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种SHF频段局部放电信号接收电路，以解决以上技术问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种SHF频段局部放电信号接收电路，包括位于SHF信号接收机前端的混频降频模块，以及连接在SHF信号接收机端的电磁波接收模块。

作为本发明的一种优选方案，混频降频模块分两段覆盖射频工作频率的宽带天线和标准增益天线，宽带天线和标准增益天线均通过网络测试线连接相应的低噪前放，同时将经过差分放大器处理的100mt晶振信号分别与低噪前放处理的后的信号传输至混频器，将混频器混频后的信号传递至带通滤波器，随后通过对数检波电路，100mt晶振的一路信号直接连接带通滤波器，并通过定时器控制100mt晶振的起振，在混频器与带通滤波器之间设置单刀双掷开关，同时在带通滤波器与对数检波电路之间设置中频电路。

作为本发明的一种优选方案，所述电磁波接收模块包括在SHF信号接收机旁设置的电磁波接收天线以及低频放大器，电磁波接收信号后输送至低频放大器，经过低频放大器处理后通过检波器进行检波，后传输至中频放大器，将中频放大器处理后的信号传输至差分放大器。

作为本发明的一种优选方案，宽带天线的射频工作频率为2～18GHz，标准增益天线的射频工作频率为18～26.5GHz，两者输入的最小电平为-110dBm，对数检波电路的对数斜率为20mV/dB，检波电压0.2～3V，最小脉宽50ns，最大脉宽50ms，且检波电压视频带宽不小于5MHz。

作为本发明的一种优选方案，宽带天线信号与第一级混频模块进行混频，标准增益天线的信号与第二级混频模块，第一级混频中频中心频率f₀＝5500Mhz，带宽BW＝2000MHz；第二级混频中频f₀＝600MHz，BW＝200MHz，并将中频电路的中频输出设定在f₀＝600MHz。

作为本发明的一种优选方案，所述1000mt晶振包括一级本振源电路和二级本振源电路，其中一级本振源电路的本振信号接入混频器，二级本振源电路的本振信号直接接入带通滤波器，所述电磁接收模块还包括高频信号采集模块和声发射信号采集模块，以声发射信号采集模块的时钟为基准对SHF信号接收机进行同步采集数据校准，声发射信号采集模块的时钟先与一级本振源电路1～2ms进行二级本振源电路的启振。

作为本发明的一种优选方案，声发射信号采集模块的时钟没10ms归零一次，归零时通过声发射信号采集模块的GPIO接口发出下降沿信号，特高频信号采集模块通过GPIO接口检测到下降沿信号后时钟归零。

作为本发明的一种优选方案，特高频信号采集模块与声发射信号采集模块通过信号比较器进行比较输出特征信号，再通过电磁波接收模块中设置的混频器与带通滤波器的输出信号进行叠加得出带有同步联合向量的中频信号。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明专利针对电力设备绝缘状况状态进行局部放电信号检测，利用SHF频段对局部放电信号进行提取，尽可能的将干扰信号排除，研究成果有利在变电站复杂情况下避开干扰源的工作频率，进而达到快速准确识别局放信号的目的，保障电网的安全稳定运行，预计的研究成果具有较强的适用性，可用于电力设备绝缘状态检测的快速检测和在线监测，优于目前已实施的局部放电检测方法，可及时监测设备的潜在隐患，大大提高设备的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的前端接收混频降频电路图；

图2为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的原理图；

图3为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的原理流程图；

图4为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的超外差接收机原理图；

图5为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的低噪前放电路图；

图6为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的第一级混频中频电路图；

图7为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的第二级混频中频电路图；

图8为本发明提供的一种SHF频段局部放电信号接收电路的对数检波电路图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种SHF频段局部放电信号接收电路，包括位于SHF信号接收机前端的混频降频模块，以及连接在SHF信号接收机端的电磁波接收模块。

如图1和图3至图8所示混频降频模块分两段覆盖射频工作频率的宽带天线和标准增益天线，宽带天线和标准增益天线均通过网络测试线连接相应的低噪前放，同时将经过差分放大器处理的100mt晶振信号分别与低噪前放处理的后的信号传输至混频器，将混频器混频后的信号传递至带通滤波器，随后通过对数检波电路，100mt晶振的一路信号直接连接带通滤波器，并通过定时器控制100mt晶振的起振，在混频器与带通滤波器之间设置单刀双掷开关，同时在带通滤波器与对数检波电路之间设置中频电路。

本发明公开了一种SHF频段局部放电信号接收电路设计。本发明将对如何捕捉瞬态信号，准确记录3GHz～30GHz频率带宽信号的特性，并通过对所接收信号的分析，反演局部放电的特性和绝缘缺陷的状态，需要综合局部放电特高频检测和超高频信号检测的手段，对特高频SHF局部放电信号进行有针对性地设计、试验与调试。

为满足对超高频SHF信号的采集，同时与UHF频段进行对比，射频工作频率需在300MHz～30GHz之间，对于如此宽带信号的处理只用一个频带的话，带宽过宽，信号噪声、信号增益的平坦度以及系统成本均存在问题。因此将信号划分为UHF，UHF混合SHF和SHF三段，具体分为300MHz～3G，1G～8G，6GHz～18.5GHz及以上。电路采用超外差、对数检波形式，动态检波范围不小于70dB。为配合后级的数据采集及处理，检波电压为0.2-3V，脉冲宽度在50ns到50μs之间，检测灵敏度达到-80dbm，输出信号小于17dbm，5V以下。此外还需尽量减少检测脉冲信号的上升时间理想50ns以内，提高脉冲的起始陡度，为测多通道信号的时间差提供方便，根据需要延长或不延迟脉冲下降时间，100ns至100us，若选择延长，可降低仅获取脉冲信号峰值而需要的采样速率。

对于SHF频段局部放电信号接收电路，要求：检测频率信号范围分为200MHz～1GHz，1～8GHz，6GHz～18.5GHz，检测动态范围不小于50dB，信号增益不小于60dB，信号中心频率可调范围不小于6G，频率分段数不少于12段，使用信号带宽不小于500MHz，输出信号幅度不超过5V，脉冲响应时间不大于1us，调理输出信号脉冲保持不小于5us，脉冲时刻检测误差不大于50ns。电路设计方案采用超外差接收机降频后对数检波形式，并采用固态电路研制了多级本振、中频输出等关键模块。

目前特高频技术能检测6GHz频率以下的局部放电信号，本发明主要阐述检测6GHz～18.5GHz频段的设计方案。

采用超外差结构的混频降频模块实现对脉冲频率的接收，超外差因其造价便宜、原理简单以及高敏特性，得到广泛的运用，其外差过程在接收机中是从天线接收的信号与本地振荡器产生的信号一起输入到一非线性器件得到中频信号，或在发射机中将中频变为射频信号。这个执行外差过程的非线性器件称为混频器或者变频器。在超外差收发机中，频率的搬移过程可能不止发生一次，因此它或将拥有多个中频频率和多个中频模块。

所述电磁波接收模块包括在SHF信号接收机旁设置的电磁波接收天线以及低频放大器，电磁波接收信号后输送至低频放大器，经过低频放大器处理后通过检波器进行检波，后传输至中频放大器，将中频放大器处理后的信号传输至差分放大器。

宽带天线的射频工作频率为2～18GHz，标准增益天线的射频工作频率为18～26.5GHz，两者输入的最小电平为-110dBm，对数检波电路的对数斜率为20mV/dB，检波电压0.2～3V，最小脉宽50ns，最大脉宽50ms，且检波电压视频带宽不小于5MHz。

宽带天线信号与第一级混频模块进行混频，标准增益天线的信号与第二级混频模块，第一级混频中频中心频率f₀＝5500Mhz，带宽BW＝2000MHz；第二级混频中频f₀＝600MHz，BW＝200MHz，并将中频电路的中频输出设定在f₀＝600MHz。

所述1000mt晶振包括一级本振源电路和二级本振源电路，其中一级本振源电路的本振信号接入混频器，二级本振源电路的本振信号直接接入带通滤波器，所述电磁接收模块还包括高频信号采集模块和声发射信号采集模块，以声发射信号采集模块的时钟为基准对SHF信号接收机进行同步采集数据校准，声发射信号采集模块的时钟先与一级本振源电路1～2ms进行二级本振源电路的启振。

声发射信号采集模块的时钟没10ms归零一次，归零时通过声发射信号采集模块的GPIO接口发出下降沿信号，特高频信号采集模块通过GPIO接口检测到下降沿信号后时钟归零。

特高频信号采集模块与声发射信号采集模块通过信号比较器进行比较输出特征信号，再通过电磁波接收模块中设置的混频器与带通滤波器的输出信号进行叠加得出带有同步联合向量的中频信号。

(1)局部放电信号接收方案采用下混频降频的方式，整个频段均采用下变频方式。

(2)电路设计方案采用超外差接收机降频后对数检波形式，并采用固态电路研制了多级本振、中频输出等关键模块。

(3)接收部分采用超外差结构对脉冲频率的接收，其外差过程在接收机中是从天线接收的信号与本地振荡器产生的信号一起输入到一非线性器件得到中频信号，或在发射机中将中频变为射频信号。

(4)采用两级下混频接收的结构来实现6GHz-18.5GHz频率段的接收。第一级混频中频f₀＝5500MHz，BW＝2000MHz；第二级混频中频f₀＝600MHz，BW＝200MHz，并且为了达到良好的经济性，将1-8GHz的中频输出也设定在F₀＝600MHz，该方案中两个接收频段最后一级的中频模块可以互用，节约了成本。

本发明的一种SHF频段局部放电信号接收电路设计，是针对现有的特高频UHF局部放电检测中存在的干扰大，精确性低等缺点，提出的一种新的基于超高频SHF局部放电信号接收电路。基于超高频SHF的局部放电检测方法能有效降低传统特高频UHF局部放电检测中存在电晕干扰、通信干扰等远大于300MHz的干扰信号带来的影响，进而达到快速准确识别局放信号的目的，保障电网的安全稳定运行，该方案可用于电力设备绝缘状态检测的快速检测和在线监测，优于目前已实施的局部放电检测方法，可及时监测设备的潜在隐患，大大提高设备的可靠性。

该SHF频段局部放电信号接收电路设计核心是采用下混频多级处理方式进行局部放电信号采集电路的设计。

采用超外差结构实现对脉冲频率的接收。

采用两级下混频接收的结构来实现6GHZ-18.5GHz频率段的接收。第一级混频中频频率为f₀＝5500MHz，带宽BW＝2000MHz；第二级混频中频为f₀＝600MHz，BW＝200MHz。

本发明采用超高频SHF局部放电检测技术，选取局部放电所激发电磁波信号中的次主要成分10GHz附近及更高频率成分作为主要研究对象，以6GHz～18.5GHz作为SHF的信号检测频带，有利于在变电站复杂情况下避开干扰源的工作频率，实现局放信号的快速准确识别，提高局部放电检测的精确性。

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员的公知常识。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，包括位于SHF信号接收机前端的混频降频模块，以及连接在SHF信号接收机端的电磁波接收模块。

2.根据权利要求1所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，混频降频模块分两段覆盖射频工作频率的宽带天线和标准增益天线，宽带天线和标准增益天线均通过网络测试线连接相应的低噪前放，同时将经过差分放大器处理的100mt晶振信号分别与低噪前放处理的后的信号传输至混频器，将混频器混频后的信号传递至带通滤波器，随后通过对数检波电路，100mt晶振的一路信号直接连接带通滤波器，并通过定时器控制100mt晶振的起振，在混频器与带通滤波器之间设置单刀双掷开关，同时在带通滤波器与对数检波电路之间设置中频电路。

3.根据权利要求2所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，所述电磁波接收模块包括在SHF信号接收机旁设置的电磁波接收天线以及低频放大器，电磁波接收信号后输送至低频放大器，经过低频放大器处理后通过检波器进行检波，后传输至中频放大器，将中频放大器处理后的信号传输至差分放大器。

4.根据权利要求3所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，宽带天线的射频工作频率为2～18GHz，标准增益天线的射频工作频率为18～26.5GHz，两者输入的最小电平为-110dBm，对数检波电路的对数斜率为20mV/dB，检波电压0.2～3V，最小脉宽50ns，最大脉宽50ms，且检波电压视频带宽不小于5MHz。

5.根据权利要求4所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，宽带天线信号与第一级混频模块进行混频，标准增益天线的信号与第二级混频模块，第一级混频中频中心频率f₀＝5500Mhz，带宽BW＝2000MHz；第二级混频中频f₀＝600MHz，BW＝200MHz，并将中频电路的中频输出设定在f₀＝600MHz。

6.根据权利要求5所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，所述1000mt晶振包括一级本振源电路和二级本振源电路，其中一级本振源电路的本振信号接入混频器，二级本振源电路的本振信号直接接入带通滤波器，所述电磁接收模块还包括高频信号采集模块和声发射信号采集模块，以声发射信号采集模块的时钟为基准对SHF信号接收机进行同步采集数据校准，声发射信号采集模块的时钟先与一级本振源电路1～2ms进行二级本振源电路的启振。

7.根据权利要求6所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，声发射信号采集模块的时钟没10ms归零一次，归零时通过声发射信号采集模块的GPIO接口发出下降沿信号，特高频信号采集模块通过GPIO接口检测到下降沿信号后时钟归零。

8.根据权利要7所述的一种SHF频段局部放电信号接收电路，其特征在于，特高频信号采集模块与声发射信号采集模块通过信号比较器进行比较输出特征信号，再通过电磁波接收模块中设置的混频器与带通滤波器的输出信号进行叠加得出带有同步联合向量的中频信号。