CN112462216A - 一种多频段复合式放电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压设备放电检测技术领域，具体涉及一种多频复合式放电检测系统，包括复合式超声探头、信号放大滤波模块、AD转换模块、信号传输模块和在线监控平台，复合式超声探头包括多个不同频段的超能换能器，多个超声换能器用于接收不同频段高压设备局部放电超声波信号，实现超声波‑电信号的转换，信号放大滤波电路和AD转换模块用于对各个超声换能器的输出信号分别进行放大滤波和AD转换后发送至无线传输模块，信号传输模块用于将接收到信号进行处理后发送至在线监控平台，在线监控平台用于实现数据检测及处理，判断放电类型和大小。本发明提高了检测效率和检测精度，可以广泛应用于电力监测领域。
Description
技术领域
本发明涉及高压设备放电检测技术领域，具体涉及一种多频复合式放电检测系统。
背景技术
目前局部放电主要的检测手段有气相色谱法、脉冲电流法、高频法、特高频法和超声法等。其中，超声法通过在设备外壳贴装或在内部安置超声传感器实现放电检测, 该法操作简单、不受电气干扰,而检测探头则多是采用单阵元的压电换能器的探头，可以较为方便快捷的实现高压设备的局部放电检测，但因其频段单一，当非该传感器探头频段的局部放电信号产生时，信号检测则会存在误差。具体来说，现有技术中的局部放电检测技术具有以下几个缺点：
（1）局部放电检测精度较低。目前应用于局部放电检测的超声换能器探头采用的多是单阵元探头，而利用单阵元探头只能针对特定的超声信号进行反复测试，难免出现误差，对于误差的处理能力，多频段复合式超声换能器可以通过多个不同频段的传感器阵元信号叠加的方式进行有效降低，而单阵元换能器则只能对其单一的超声频段范围进行检测，由此进行的局部放电检测精度较低。
（2）难以判断高压设备局部放电的类型。超声波局部放电检测技术可以应用于GIS、开关柜、变压器及电缆终端等多种电气设备。不同的设备导致局部放电的原因不一样，在缺陷诊断中具有各自的依据和特点，因此其产生的超声信号频段范围也不一样。单阵元换能器的超声信号频段固定，当局部放电类型的信号位于该传感器的超声信号频段范围内时，则可以检测到放电信号；当局部放电类型的信号不在该单阵元换能器超声信号频段范围内时，则检测不到放电信号。
（3）传统的数据传输方式效率较低。传统的数据传输方式是利用数据传输线将探头内的模拟信号传输至检测设备，然后通过设备内所集成的微处理器以及AD模块实现模数信号的转换和数字信号的存储，最后通过屏幕直观地显示出放电信号的大小。然而通过有线传输这种数据传输方式，对于类似于变电站等全站检测局部放电故障的情况，只能对各个高压设备进行逐一检测，极大地降低了系统检测信号的效率。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多频复合式放电检测系统，以以实现对高压设备局部放电信号的测定，并提高检测准确性和检测效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多频段复合式放电检测系统，包括复合式超声探头、信号放大滤波模块、AD转换模块、信号传输模块和在线监控平台，所述复合式超声探头包括多个不同频段的超能换能器，所述多个超声换能器用于接收不同频段高压设备局部放电超声波信号，实现超声波-电信号的转换，所述信号放大滤波电路和AD转换模块用于对各个超声换能器的输出信号分别进行放大滤波和AD转换后发送至所述无线传输模块，所述信号传输模块用于将接收到信号进行处理后发送至所述在线监控平台，所述在线监控平台用于实现数据检测及处理，判断放电类型和大小。
所述信号放大滤波模块包括多个并联连接的信号放大滤波电路，每个信号放大滤波电路的输入端连接一个超声换能器，所述信号放大滤波电路包括串联连接的低噪声放大器和滤波电路。
所述复合式超声探头包括壳体，多个超声换能器紧密排列在所述壳体内，所述超声换能器的频段范围各自独立不重叠。
所述壳体内紧密排列有七个超声换能器，所述超声换能器的频段范围分别为：10kHz-50kHz，60kHz-110kHz，120kHz-170kHz，180kHz-230kHz，240kHz-290kHz， 300kHz-340kHz，350kHz-400kHz。
所述信号放大滤波模块中，各个信号放大滤波电路的工作频带与其所对应的超声换能器的工作频带相一致。
所述信号放大滤波模块中，低噪声放大器采用可编程增益放大器进行设计，其中增益可编特性用于确保低噪声放大器将阵元采集到的放电信号放大到所需幅值，滤波电路用于将电路内部的热噪声以及系统所处的环境噪声进行滤除。
所述信号传输模块采用无线通信方式将处理后的信号发送至在线监控平台。
所述的一种多频段复合式放电检测系统，还包括移动终端，所述移动终端与在线监控平台采用基于 HTTP协议的 C/S 通信模式结构，移动终端按照 HTTP 协议将历史查询请求封装为 XML文档并将其发送给在线监控平台，在线监控平台对接收到的请求进行解析后查询相应的数据，然后将文件封装成 XML 文档发送至移动终端。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种多频复合式放电检测系统，通过多频段复合式超声换能器可以通过不同频段超声信号的叠加，来检测各个频段范围内的不同类型的局部放电超声信号，其在利用带宽叠加原理拓宽了系统工作频带之外，还可以通过多阵元信号拟合的方式提高系统精度。因此，本发明的多频段复合式放电检测系统不仅具有更高的局部放电检测精度，而且可以可以根据所检测的放电信号的频段，对高压设备局部放电类型做出较为准确的判断，进而对故障类型进行准确的判断，设备管理人员在信号检测阶段即可对设备的故障类型做出科学的判断，为设备后期的维修与管理节省了大量的时间，提高了检测效率。
2、本发明针对局部放电检测复合式超声探头内不同频段的超声换能器而专门设计的信号放大滤波电路具有并行的多个通道，且各个通道的工作频带与其所对应的阵元的带宽相契合，且各通道均具有增益可调特性，方便根据该探头输出信号的强弱进行相应的增益调整。
3、本发明通过无线传输方式，可以实现多个高压设备远程实时局部放电检测，打破了传统局部放电检测系统距离以及单一设备检测的局限性，从而提高了局部放电检测的效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多频复合式放电检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中超声探头的结构示意图；
图3为本发明实施例中低噪放大器的电路原理图；
图4为本发明实施例中滤波电路的电路原理图；
图5为本发明实施例中AD转换模块的电路原理图；
图6为本发明实施例的工作原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种多频段复合式放电检测系统，包括复合式超声探头、信号放大滤波模块、AD转换模块、信号传输模块和在线监控平台，所述复合式超声探头包括多个不同频段的超能换能器，所述多个超声换能器用于接收不同频段高压设备局部放电超声波信号，实现超声波-电信号的转换，所述信号放大滤波电路和AD转换模块用于对各个超声换能器的输出信号分别进行放大滤波和AD转换后发送至所述无线传输模块，所述信号传输模块用于将接收到信号进行处理后发送至所述在线监控平台，所述在线监控平台用于实现数据检测及处理，判断放电类型和大小。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述复合式超声探头包括壳体2，所述壳体2内紧密排列有七个超声换能器，所述超声换能器的频段范围各自独立不重叠。具体地，本实施例中，所述超声换能器的频段范围分别为：超声换能器101频段范围为10kHz-50kHz；超声换能器102频段范围为60kHz-110kHz；超声换能器103频段范围为120kHz-170kHz；超声换能器104频段范围为180kHz-230kHz；超声换能器105频段范围为240kHz-290kHz；超声换能器106频段范围为300kHz-340kHz；超声换能器107频段范围为350kHz-400kHz。
本实施例中，七个超声换能器的工作频带与7种典型的由设备故障产生的放电信号的频率一一匹配，从而实现了一个超声探头可以识别7种放电信号，并进一步实现了一个超声探头区别7种不同的设备故障，进一步地，本实施例中，探头内部封装的阵元数量不是固定的，可以视情况而定，阵元数量的减少/增加会减少/增加传感器探头制作以及前端信号处理电路的复杂性，降低/提高制作成本，但同时也会降低/提高探头的功能性。
进一步地，如图1所示，本实施例中，所述信号放大滤波模块包括多个并联连接的信号放大滤波电路，每个信号放大滤波电路的输入端连接一个超声换能器，所述信号放大滤波电路包括串联连接的低噪声放大器和滤波电路。所述AD转换模块也包括多个AD转换器，每个AD转换器的输入端连接一个信号放大滤波电路的输出端，形成一个通道，输出端与无线传输模块连接。
与传统单一的超声换能器探头所对应的前端电路有所不同，本实施例中，由于复合式超声探头内含有7个阵元的特点，注定了前端电路的设计要具有多通道特性，新型超声换能器探头的前端电路中含有低噪放大器（LNA），带通滤波器（BPF）以及模数转换器（ADC），由于一个超声换能器探头内具有7个不同频段的阵元，因此设计7通道LNA、BPF、ADC，其中LNA、BPF的工作频带与其所对应的的阵元的工作频带相一致，LNA结构采用可编程增益放大器（PGA）进行设计，其中增益可编特性可以确保LNA结构将阵元采集到的放电信号放大到理想的幅值，过低的增益可能导致信号太低，经过滤波不能够被模数转换器采集到，过高的增益可能直接导致信号失真，经过滤波后虽然可以被模数转换器采集到，但是幅值失真导致采集到的信号经过放大后具有一致性，难以判断信号的强弱，后期也难以判断设备故障导致的放电程度，BPF结构主要将电路内部的热噪声以及系统所处的环境噪声进行滤除，从而保证了信号的准确性，确保信号可以被下一级ADC所采集并转化为数字信号，ADC结构实现了模数信号的转化，并将数字信号经过无线传输模块传送到系统数据总线，进一步传输至计算机内进行处理。
如图3所示，为本实施例中低噪放大器的电路原理图，通过该电路可以实现将电压反相放大功能，其中Rf与R3的比值决定了结构的放大倍数，Rf由R2、Rf1、Rf2构成的T型反馈网络决定，R1为正向输入端的补偿电阻，其值大小由反相输入端的阻值所决定，C1为旁路电容，增加结构稳定性，RL为负载，不存在于电路板上，结构具体的计算公式如下。
由“虚地”理论可知，两个输入端口的电压都为0，因此反向输入端的计算公式为
其中，符号“||”表示并联，R2||Rf2表示R2与Rf2并联后的电阻值，经整理得：
反馈电阻R f 的计算公式为：
如图4所示，为本实施例中滤波电路的电路原理图，该结构为二阶巴特沃斯带通滤波器，可以实现滤波功能，将前面电路的噪声进行滤除，其中元件R 1 和C 2 提供低通响应，元件R 3 和C 1 提供高通响应，结构具体的计算公式如下。
带通滤波器中心频率为
取C f =C 1 =C 2 ，因此有：
其中f0是中心频率，Q值是滤波器的品质因数，其计算公式为Q=f0/BW，BW为带宽，A为带通滤波器增益，一般设置A为1或2。
如图5所示，为本实施例中AD转换模块的其中一个通道的电路原理图，在A/D转换需对其进行预处理，提高分辨率，首先对交流电压信号的输入端进行分压限幅，将其量化到设计范围之内，以满足A/D转换电路的量程要求，但由于仍保持其交流特性，因此需进行直流转换，截取有效值直流分量，同时损坏内部器件，同样为了改善滤波效果，再次加入典型二阶低通滤波电路进行滤波，消除输入信号上叠加的噪声，提高信噪比，为A/D转换提供良好的输入信号。
进一步地，本实施例提供的一种多频段复合式放电检测系统，还包括移动终端，所述移动终端与在线监控平台采用基于 HTTP协议的 C/S 通信模式结构，移动终端按照HTTP 协议将历史查询请求封装为 XML文档并将其发送给在线监控平台，在线监控平台对接收到的请求进行解析后查询相应的数据，然后将文件封装成 XML 文档发送至移动终端。
如图6所示，本发明实施例的工作原理如下：高压设备产生局部放电信号时，多频段复合式超声探头检测到局部放电信号产生的不同频段的超声波信号，将超声波信号转换为微弱电信号；该超声波传感器输出的电信号是非常微弱的，通常只有微伏数量级。传输过程中使得超声波信号信噪比大大降低，因此必须使用前置低噪放大器将电信号放大到一定程度，才能采集到有效信号。由于高压设备通常在复杂的环境中工作，机械噪声（频带<50KHz）、液体噪声(通常100KHz~1MHz)和电气噪声混杂，使得前置低噪放大器必须具备较强的抗干扰能力和排除噪声的能力，才能有效放大信号。超声传感器带负载能力差，因此要求前置低噪放大器的输入阻抗要大。有时传感器的输出信号很大，此时前置低噪放大器必须具备抗阻塞现象的恢复能力和抗电冲击的保护能力，且输出动态范围要宽。低噪放大还必须满足检测频带宽度和具有一定的放大倍数。局部放电超声信号检测系统主要以检测到的超信号电压幅值来表征局部放电的强弱。经过前端低噪放大电路将微弱电信号放大，前置放大器具有低输出阻抗，增大输出电流、提高负载能力、减少负载对信号源的影响，增加抗干扰能力，然后通过低通滤波将不必要的非局部放电的超声波信号滤除。
局部放电产生的超声波信号频率约为 20kHz~300kHz。但是在高压环境中存在着各种各样的与局部放电超声波信号无关的噪声，例如机械振动噪声（120Hz~4kHz）、电晕噪声（9~18MHz）、电磁辐射噪声（30MHz~30GHz）等。如不有效地滤除干扰，局部放电超声波信号会被这些背景噪声淹没。因此必须对信号进行滤波，使信号的能量主要集中在局部放电超声波信号的最佳检测频段。
之后经过A/D 转换芯片实现将声发射电压模拟信号转换为数字信号，使得信号可以远程传输。A/D 转换芯片实现将声发射电压模拟信号转换为数字信号，是信号采集系统中的重要组成部分，它的采样率和采样精度决定着被采集信号的完整性和准确性。根据局放产生超声信号的特性，频率范围为 20kHz~300kHz，根据采样定律和系统设计需求，信号采样率范围应该为 1MHz~2MHz。AD 转换芯片应该具有更高的采样率，采样精度为 16 位。AD 转换芯片的数据总线接口有串行模式和并行模式，相比于串行数据输出模式，并行数据输出模式具有更高的采样率。因此选择一款并行数据输出模式的总线接口芯片可以很好的提高信号的采样率。
数字信号需要经过无线收发器对数字信号进行调制，之后将信号加载到高频电磁波上，通过具体的无线通信协议方式将数据传送出去，在接收端收到信号后，将信号经过解调，解码，译码等处理后将信号恢复，从而获得有效的数据。之后再通过云端服务器接收无线模块的数据，匹配对应的协议，接收成功后进行解码并记录、维护数据，并向PC和运动端用户推送相关信息；服务器端对用户账号密码及权限进行维护；服务器对PC和移动端的查询等操作进行响应。
综上所述，本发明实施例提供了一种多频段复合式放电检测系统，其将多频段超声换能器应用于电力系统中的放电检测领域，实现了超声换能器的新领域应用。现有技术中的多频段超声换能器专利大多应用于超声成像领域，超声成像领域内采用的换能器多采用近距离数据采集，有线数据传输方式，本申请通过将多频段的复合式超声探头应用于放电检测这样一个新的领域，并且为其设计独有的多通道信号采集、数据处理电路，并且与当下较为火热的无线传输数据方式相结合，为放电检测打开了一个新的大门。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (8)
1.一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，包括复合式超声探头、信号放大滤波模块、AD转换模块、信号传输模块和在线监控平台，所述复合式超声探头包括多个不同频段的超能换能器，所述多个超声换能器用于接收不同频段高压设备局部放电超声波信号，实现超声波-电信号的转换，所述信号放大滤波电路和AD转换模块用于对各个超声换能器的输出信号分别进行放大滤波和AD转换后发送至所述无线传输模块，所述信号传输模块用于将接收到信号进行处理后发送至所述在线监控平台，所述在线监控平台用于实现数据检测及处理，判断放电类型和大小。
2.根据权利要求1所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述信号放大滤波模块包括多个并联连接的信号放大滤波电路，每个信号放大滤波电路的输入端连接一个超声换能器，所述信号放大滤波电路包括串联连接的低噪声放大器和滤波电路。
3.根据权利要求2所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述复合式超声探头包括壳体（2），多个超声换能器紧密排列在所述壳体（2）内，所述超声换能器的频段范围各自独立不重叠。
4.根据权利要求3所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述壳体内紧密排列有七个超声换能器，所述超声换能器的频段范围分别为：10kHz-50kHz，60kHz-110kHz， 120kHz-170kHz， 180kHz-230kHz， 240kHz-290kHz， 300kHz-340kHz，350kHz-400kHz。
5.根据权利要求3所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述信号放大滤波模块中，各个信号放大滤波电路的工作频带与其所对应的超声换能器的工作频带相一致。
6.根据权利要求5所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述信号放大滤波模块中，低噪声放大器采用可编程增益放大器进行设计，其中增益可编特性用于确保低噪声放大器将阵元采集到的放电信号放大到所需幅值，滤波电路用于将电路内部的热噪声以及系统所处的环境噪声进行滤除。
7.根据权利要求1所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，所述信号传输模块采用无线通信方式将处理后的信号发送至在线监控平台。
8.根据权利要求1所述的一种多频段复合式放电检测系统，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端与在线监控平台采用基于 HTTP协议的 C/S 通信模式结构，移动终端按照 HTTP 协议将历史查询请求封装为 XML文档并将其发送给在线监控平台，在线监控平台对接收到的请求进行解析后查询相应的数据，然后将文件封装成 XML 文档发送至移动终端。
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