CN111736049B - 一种模拟局部放电信号的发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟局部放电信号的发生器，包括外部相位输入、MCU控制回路、相位信号输出口和模拟信号输出口，还包括与所述MCU控制回路连接的电源回路、控制按键回路、信号显示回路、升压回路、模拟局放信号产生回路、内同步相位回路和外同步相位回路，所述模拟局放信号产生回路与所述升压回路、内同步相位回路、外同步相位回路和模拟信号输出口连接；所述的外部相位输入与外同步相位回路连接，所述相位信号输出口与所述内同步相位回路和外同步相位回路连接，所述电源回路与所述控制按键回路和信号显示回路连接。本发明能够产生具有正负极性双族群相位分布特征的模拟局部放电信号，可在正负极方向任意改变模拟局部放电信号的幅值、频次和相角。

Description

一种模拟局部放电信号的发生器

技术领域

本发明涉及局部放电检测技术领域，更具体地，涉及一种模拟局部放电信号的发生器。

背景技术

模拟局部放电信号发生器，是局部放电测试工作中的一种非常有用的工具。由于模拟局部放电信号发生器在电路上以标准电容和较准确的电压定量地模拟了局部放电过程的电量转移及放电时间，所以可用它对脉冲电流型局部放电传感器和局部放电测试装置作校正。通常描述局部放电的分布特征是使用局部放电波形幅值Q，出现幅值的相位Φ以及出现波形的频次N(每秒的脉冲数)，即PRPD局部放电图谱特征。因为局部放电是绝缘体在电压下的发生局部击穿的信号，所以在50Hz的交流电压下，会在正负半周发生局部放电，故正负半周的Q，N、Φ不一定相同。因此，真正的模拟局部放电信号发生器要求：(1)能够在任意的试验电压或运行电压频率下，同步产生局部放电信号；(2)信号可发生在正半周或负半周(极性)；(3)正负半周的局部放电信号的幅值大小不同；(4)其相位具有双簇团180°的相位特征，且局部放电信号会出现在正负半周的任意位置；(5)正负半周局部放电信号发生的频次不同；(6)正负半周的局部放电信号的发散程度不同。

中国专利公开号CN107490752A，公开时间2017年12月19号，该专利公开了一种模拟特高频局部放电信号的系统和方法。只能产生恒定幅值，无相位分布特征的局部放电脉冲；或者一些模拟局部放电信号发生器能够产生局部放电PRPD图谱，能够进行幅值、频次或者相角调节，但模拟的局部放电信号无正负极性之分，只有一个极性的信号，且产生的双簇团信号不能够单独的调节其中一团信号的Q，N，Φ，也就不能够模拟局部放电信号的不对称性等特征。这些传统型的模拟局部放电信号发生器只能用于局部放电传感器和局部放电测试装置的校正，难以帮助进行局部放电测试装置进行波形识别和PRPD局部放电图谱特征识别能力的检验。

发明内容

本发明的目的在于克服现有模拟局部放电发生器不能够对幅值、相角和频次进行单独调节，且无正负之分的缺点，提供一种模拟局部放电信号的发生器。本发明能够产生具有正负极性双族群相位分布特征的模拟局部放电信号，可在正负极方向任意改变模拟局部放电信号的幅值、频次和相角。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：包括外部相位输入、MCU控制回路、相位信号输出口和模拟信号输出口，还包括与所述MCU控制回路连接的电源回路、控制按键回路、信号显示回路、升压回路、模拟局放信号产生回路、内同步相位回路和外同步相位回路，所述模拟局放信号产生回路与所述升压回路、内同步相位回路、外同步相位回路和模拟信号输出口连接；所述的外部相位输入与外同步相位回路连接，所述相位信号输出口与所述内同步相位回路和外同步相位回路连接，所述电源回路与所述控制按键回路和信号显示回路连接。本技术方案中，MCU控制回路主要控制信号显示回路的信号显示、控制按键回路的按键功能、控制升压回路的电压大小和极性、控制模拟局放信号产生回路的信号输出、控制内同步相位回路的相位输出频率、控制相位信号输出口对内部和外部相位信号的切换输出；电源回路对本发生器中所有回路进行供电，控制按键回路用于调节模拟局部放电信号和相位信号的输出参数，信号显示回路用于数字化显示模拟局部放电信号和相位信号，升压回路升高电压，并控制局部放电信号的极性，模拟局放信号产生回路用于模拟产生局部放电信号，内同步相位回路用于产生20-300Hz的相位信号；外部的工频相位信号作为外部信号输入进入外同步相位回路；模拟信号输出口用于输出模拟局部放电信号；相位信号输出口用于输出相位信号。

进一步的，所述MCU控制回路上设有定时器。定时器能够协助MCU控制回路和模拟局放信号产生回路在任意试验电压或运行电压频率下，同步产生模拟局部放电信号；定时器还能够协助MCU控制回路对于正负半周产生的模拟局部放电信号进行极性区分；定时器还能够协助MCU控制回路调节信号的水平幅值。

进一步的，所述MCU控制回路上设有数字转换器，所述信号显示回路通过所述数字转换器接入所述MCU控制回路。本技术方案中，所有的数据信号经过数字转换器进行数字化转换再输入信号显示回路进行显示。

进一步的，所述电源回路包括开关变换器，还包括与所述开关变换器连接的反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块，所述反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块与所述MCU控制回路连接，所述开关变换器与所述控制按键回路和信号显示模块连接。本技术方案中，220交流电流输入开关变换器进行转换，形成12V的直流电流，第一稳压模块和第二稳压模块将12V的直流电压变为MCU控制回路需要的稳定电压，反向电荷泵将原本的12V的直流电压变为负向的12V的直流电压，一并输入MCU控制回路，开关变换器的12V的直流电压直接接入控制按键回路和信号显示回路为其供电。

进一步的，所述升压回路包括低压电源、PWM、三极管T、变压器B、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容D1、接地点a、接地点b、第二电容C2和第三电容C3，所述第一电容C1并联接入所述低压电源的两侧，所述第一电容C1的一端与所述变压器B低压侧的一端连接，所述第一电容C1的另一端接入所述接地点a，所述三极管T的集电极与所述变压器B低压侧的另一端连接所述三极管T的集电极，所述PWM与所述三极管T的基极连接，所述三极管T的发射极接入所述接地点a，所述变压器B高压侧一端与所述第一二极管D1的正极连接，所述变压器B高压侧另一端与所述第二二极管D2的负极连接，所述变压器B高压侧的中间接入所述接地点b，所述第一二极管D1的负极与所述第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端接入所述接地点b，所述第二二极管D2的正极与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的一端接入所述接地点b。

进一步的，所述外同步相位回路包括保护电路、高频滤波回路HPF和低频高频滤波回路HPF，所述保护电路与所述低频滤波回路LPF并联，所述低频滤波回路LPF与所述高频滤波回路HPF并联，所述低频滤波回路LPF接入所述相位信号输出口。

进一步的，所述相位信号输出口包括选通开关和整形电路，所述选通开关与所述整形电路连接，所述外同步相位回路和内同步相位回路均与所述选通开关连接。由于外同步相位回路是获取局部放电信号的工频相位信号，由外部信号输入，内同步相位回路是自己产生20-300Hz的相位信号，故本发生器在相位信号输出口通过选通开关对内部还是外部的相位输出进行选择。

进一步的，所述选通开关包括第一开关K1和第二开关K2，所述外同步相位回路的高频滤波回路HPF与所述第一开关K1连接，所述内同步相位回路与所述第二开关K2连接。

进一步的，所述MCU控制回路采用的是STM32F4单片机

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过模控制按键回路、MCU控制回路和模拟局部放电信号产生的配合下，能够使得模拟的局部放电信号在一个周期内有正负之分，波形有正负极性之分，与真实的局部放电信号特征相同；且还能够调整幅值、相角、频次和发散程度，能够产生各种不同类型的局部放电信号，也能够模拟各种噪音信号；可用于局部放电检测设备的校正和性能验证，也可用于局部放电检测技术的培训。

附图说明

图1为本发明的整体电路示意图。

图2为本发明中电源回路的电路示意图。

图3为本发明中升压回路的电路示意图。

图4为本发明中MCU控制回路的结构示意图。

图5为本发明中外同步相位回路与相位信号输出口的电路示意图。

图6为第二实施例的整体结构示意图。

图7为第二实施例中后台监视中心的显示图。

图8为第三实施例的整体结构示意图。

图9为第三实施例中后台监视中心判断局放的显示图。

图10为第三实施例中后台监视中心判断噪音的显示图。

图示标记说明如下：

1-高频滤波回路HPF，2-低频滤波回路LPF，3-选通开关。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图5所示为本发明一种模拟局部放电信号的发生器的实施例。一种模拟局部放电信号的发生器，其中，包括MCU控制回路、相位信号输出口和模拟信号输出口，还包括与MCU控制回路连接的电源回路、控制按键回路、信号显示回路、升压回路、模拟局放信号产生回路、内同步相位回路、外同步相位回路，模拟局放信号产生回路与升压回路、内同步相位回路、外同步相位回路和模拟信号输出口连接；外部相位输入与外同步相位回路连接，相位信号输出口与内同步相位回路和外同步相位回路连接，电源回路还与控制按键回路和信号显示回路连接。

本实施例中，控制按键回路通过定时器与MCU控制回路连接，MCU控制回路上设有第一定时器、第二定时器和第三定时器，MCU控制回路上设有两个数字转换器，分别为第一数字转换器DAC1和第二数字转换器DAC2。

本实施例中，电源回路如图2所示，电源回路包括开关变换器，还包括与所述开关变换器连接的反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块，电源回路包括开关变换器，还包括与所述开关变换器连接的反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块，开关变换器与控制按键回路和信号显示模块连接。220交流电流输入开关变换器进行转换，形成12V的直流电流，第一稳压模块和第二稳压模块将12V的直流电压变为5V和3V，反向电荷泵将原本的12V的直流电压变为负向的12V的直流电压，一并输入MCU控制回路，开关变换器的12V的直流电压直接接入控制按键回路和信号显示回路并为其供电。

本实施例中，升压电路如图3所示，升压回路包括低压电源、PWM、三极管T、变压器B、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容D1、第二电容C2和第三电容C3，第一电容C1并联接入低压电源的两侧，第一电容C1的一端与变压器B低压侧的一端连接，第一电容C1的另一端接入接地点a，三极管T的集电极与变压器B低压侧的另一端连接，PWM与三极管T的基极连接，三极管T的发射极接入接地点a，变压器B高压侧一端与第一二极管D1的正极连接，变压器B高压侧另一端与第二二极管D2的负极连接，变压器B高压侧的中间接入接地点b，第一二极管D1的负极与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端接入接地点b，第二二极管D2的正极与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的一端接入接地点b。

本实施例中，MCU控制回路采用的是STM32F4单片机，如图4所示。

本实施例中，内同步相位回路、外同步相位回路与相位信号输出口的电路示意图如图5所示，外同步相位回路包括保护电路、高频滤波回路HPF1和低频高频滤波回路HPF2，高频滤波回路HPF1与保护电路并联，低频高频滤波回路HPF2与高频滤波回路HPF1并联，低频滤波回路LPF2接入相位信号输出口，相位信号输出口包括选通开关3和整形电路，选通开关3与整形电路连接，选通开关3包括第一开关K1和第二开关K2，外同步相位回路的高频滤波回路HPF与第一开关K1连接，内同步相位回路产生的内同步相位信号输入第二开关K2。

本实施例可以在任意试验电压或运行电压频率下，同步产生模拟局部放电信号，具体原理如下文所示，MCU控制回路每3*T0(T0为外部相位周期)检测一次外部相位电压频率，当MCU控制回路捕捉到外部相位电压的上升沿时，MCU控制回路记下当前第三定时器的计数器值N1，当MCU控制回路捕捉到下一个外部相位的上升沿时，记下当前第三定时器的计数器值为N2，相邻两个相位上升沿的时间差N0，MCU控制回路根据N0计算出相位频率为f取值与第三定时器的时钟频率有关。当MCU控制回路测量出外部相位的频率时，产生对应的同步局部放电信号。

本实施例能够模拟正半周或负半周的信号，且正负半周的波形极性不同，MCU控制回路的第一定时器产生第1团的局部放电信号时，将MCU控制回路中的数模转换模块第一数字转换器DAC1的电压正向放大到VDD，对应的放电量为Q，产生正半周的信号。MCU控制回路控制第二定时器产生第2团的局部放电信号时，将MCU控制回路中的数模转换模块第二数字转换器DAC2的电压反向放大到最大-VDD，对应的放电量为-Q，产生负半周的信号。

本实施例能够调整正负半周的信号进行水平幅值，具体原理步骤如下文所示，第一定时器控制正半周局放信号的产生，MCU控制回路设置正半周局放信号的Q值，由MCU控制回路中的第一数字转换器DAC1的提供电压值，第一数字转换器DAC1的数值范围(0-Datamax)，对应放电量(幅值)为(0-Qmax)pC，要实现正半周放电两量(Q1-Q2)pC，只要MCU控制回路在产生正半周信号时控制第一数字转换器DAC1产生(Data1-Data2)的数值即可。第二定时器控制负半周局放信号的产生，只要MCU控制回路在产生负半周局放信号时控制第二数字转换器DAC2产生(Data3-Data4)的数值即可。

本实施例可以调整正负半周信号的相角，具体原理步骤如下文所示，以外部相位频率f为例(周期为T)，当MCU控制回路检测到外部相位频率f时，持续产生f+△f1的局部放电信号频率，则局部放电信号周期为T-△T1，定时器1以T-△T1的周期产生局放的信号，第n个周期后：局部放电信号的相位滞后外部相位的相位差累积为t，标记为ΔΦ1。当局部放电信号滞后外部相位ΔΦ1后，MCU控制回路再次捕捉到信号的上升沿，对第一定时器的计数器强制赋值，设置初相角为Φ1，同时使局部放电信号与外部相位同步(滞后为0°)，然后重新设定局部放电信号周期为T+△T2，第n个周期后：局部放电信号的相位超前外部相位为t＝△T2*n，测局部放电信号超前外部相位为ΔΦ1。可以得到正半周中心角Φ1，局部放电信号的分布范围是(Φ1-ΔΦ1，Φ1+ΔΦ1)。以同样的原理，第二定时器产生负半周的局部放电信号，分布范围是(Φ1+180°-ΔΦ2，Φ1+180°+ΔΦ2)。

本实施例能够对正负半周信号的频次进行调节，具体原理和步骤如下文所示，第一定时器控制正半周局部放电信号的产生，若输入的信号每秒正半周的信号频次最多为N，若要使信号频次调节为80％。则要随机抽取N-N*80％的信号，将其放电量Q值设置为0pC即可。第二定时器控制负半周局部放电信号的产生的信号每秒负半周信号为N，若要使信号频次调节为60％。则要随机抽取N-N*60％的信号，并将其放电量Q值设置为0pC即可。这样可对半周信号进行频次调节。

本实施例能够对正负半周信号的发散程度进行调节，由于模拟局部放电信号可发生在正半周或负半周，正负半周的信号水平幅值可调和正负半周信号的相位可调，利用幅值和相位调节的原理，即可实现正负半周信号的发散程度的调节。

实施例2

本实施例如图6所示，本实施例除了包括实施例1中的一种模拟局部放电信号的发生器，还包括了高频脉冲电流传感器HFCT、局放检测装置和局放后台监视中心，模拟局部放电信号的发生器，本实施例中，模拟局部放电信号的发生器注入无相位特征的模拟局部放电信号，其放电量分别为10Q1和Q1的信号，对局放检测装置进行校正，校正后好后，注入放电量为10Q1的局部放电信号，后台监视中心能够检测到同等大小的10Q1的信号，注入放电量为Q1的局部放电信号，后台监视中心4上能够检测到同等大小的Q1的信号时，如图7的(a)和(b)所示，则局放检测装置校正完成。

实施例3

本实施例如图9所示，本实施例的结构与实施例2相似，本实施例能够对局放检测设备进行功能检验。模拟局部放电信号的发生器注入有相位特征的双簇团模拟局部放电信号，对局放检测装置进行PRPD和波形功能的识别。当使用模拟局部放电信号的发生器给局放检测装置注入双簇团的相位差特征为180°，如图9所示，波形具有正负极性的模拟局部放电信号时，后台监视中心上能够判别出该信号是局放；当发生器给局放检测装置1注入双簇团的相位差特征为160°，如图10所示，波形无极性之分的模拟局部放电信号时，后台监视中心上综合判别出该信号是噪音。本实施例能够通过模拟局部放电信号的发生器调节出各种不同类型的信号对局放检测设备进行验证。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：包括外部相位输入、MCU控制回路、相位信号输出口和模拟信号输出口，还包括与所述MCU控制回路连接的电源回路、控制按键回路、信号显示回路、升压回路、模拟局放信号产生回路、内同步相位回路和外同步相位回路，所述模拟局放信号产生回路与所述升压回路、内同步相位回路、外同步相位回路和模拟信号输出口连接；所述的外部相位输入与外同步相位回路连接，所述相位信号输出口与所述内同步相位回路和外同步相位回路连接，所述电源回路与所述控制按键回路和信号显示回路连接；

所述升压回路包括低压电源、PWM、三极管T、变压器B、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容D1、接地点a、接地点b、第二电容C2和第三电容C3，所述第一电容C1并联接入所述低压电源的两侧，所述第一电容C1的一端与所述变压器B低压侧的一端连接，所述第一电容C1的另一端接入所述接地点a，所述三极管T的集电极与所述变压器B低压侧的另一端连接，所述PWM与所述三极管T的基极连接，所述三极管T的发射极接入所述接地点a，所述变压器B高压侧一端与所述第一二极管D1的正极连接，所述变压器B高压侧另一端与所述第二二极管D2的负极连接，所述变压器B高压侧的中间接入所述接地点b，所述第一二极管D1的负极与所述第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端接入所述接地点b，所述第二二极管D2的正极与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的一端接入所述接地点b；

控制按键回路通过定时器与MCU控制回路连接，MCU控制回路上设有第一定时器、第二定时器和第三定时器，MCU控制回路上设有两个数字转换器，分别为第一数字转换器DAC1和第二数字转换器DAC2，所述信号显示回路通过所述数字转换器接入所述MCU控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：所述电源回路包括开关变换器，还包括与所述开关变换器连接的反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块，所述反向电荷泵、第一稳压模块和第二稳压模块与所述MCU控制回路连接，所述开关变换器与所述控制按键回路和信号显示模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：所述外同步相位回路包括保护电路、高频滤波回路HPF和低频滤波回路LPF，所述保护电路与所述高频滤波回路HPF并联，所述低频滤波回路LPF与所述高频滤波回路HPF并联，所述低频滤波回路LPF接入所述相位信号输出口。

4.根据权利要求3所述的一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：所述相位信号输出口包括选通开关和整形电路，所述选通开关与所述整形电路连接，所述外同步相位回路和内同步相位回路均与所述选通开关连接。

5.根据权利要求4所述的一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：所述选通开关包括第一开关K1和第二开关K2，所述外同步相位回路的高频滤波回路HPF与所述第一开关K1连接，所述内同步相位回路与所述第二开关K2连接。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种模拟局部放电信号的发生器，其特征在于：所述MCU控制回路采用的是STM32F4单片机。

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