CN113820553A - 一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,包括高通滤波器、射频放大器、低通滤波器、带阻滤波器和对数检波放大器;高通滤波器与射频放大器连接,射频放大器与低通滤波器连接,低通滤波器与带阻滤波器连接,带阻滤波器与对数检波放大器连接;高通滤波器用于抑制特高频信号中300MHz以下的频段;射频放大器用于放大经高通滤波器处理后的特高频信号;低通滤波器用于抑制特高频信号中1.5GHz以上的频段;带阻滤波器用于抑制特高频信号中750MHz‑1000MHz的频段;对数检波放大器用于对特高频信号进行检波处理,降低特高频信号的频率。该装置的使用可以有效降低传统特高频检测高压开关柜局部放电的成本。
Description
技术领域
本发明涉及特高频法检测高压开关柜局部放电技术领域,尤其涉及一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置。
背景技术
对高压开关柜局部放电检测的方式有许多种,大体分为两大类,分别为非电检测法和电检测法。非电检测法主要包括光检测法、超声检测法、红外热检测法以及化学检测法。在所有非电检测法中,超声波检测法是最常用、技术最成熟的检测方法,该方法可以有效地探测和定位高压开关柜局部放电位置和严重程度。而其他方法只能定性判断局部放电是否发生,很难定量分析局部放电的放电程度及放电类型,因此在实际应用过程中一般作为电检测法的辅助检测方式,不单独使用。电检测法主要包括:脉冲电流法、暂态对地电压检测法和超高频检测法。脉冲电流法通常用于电气设备出厂时的型式试验以及其他离线测试中,其离线测量灵敏度高,而该方法现场中易受外界干扰噪声的影响,抗干扰能力较差,因此在实际现场中较少使用。暂态地电压法是检测因局部放电而在高压开关柜表面形成的对地电压,由于该方法具有滞后性,所以运用该方法检测也具有一定的局限性。
当前,利用特高频法检测高压开关柜局部放电的研究较多。大多数研究的检测方案均为首先通过特高频天线传感器对局部放电所产生的特高频电磁波信号进行采集,然后经过信号调理单元,处理过的信号通过高速采集卡进行采集,最后将局部放电信号上传到上位机进行显示。现有技术的整体技术方案,如图1所示。
由于高压开关柜局部放电所产生的电磁波频率范围为300MHz-1500MHz,所以在大多数研究中信号调理单元的技术路线为设计一种带通滤波器,其中通频带频率设定为300MHz-1500MHz,以滤除频带外的干扰信号。因为经过滤波器滤波后的信号存在衰减,所以通常会在滤波结束后加信号放大器对信号进行放大,而后进行数据采集。
上述技术方案主要缺点有三个。其一,直接使用带通滤波器难以做到较宽的通频带,并且滤波效果也不是很好。其二,在实际环境中,电磁波频率为300MHz-1500MHz范围内有很强的移动通讯信号进行干扰。换言之,在常规频带范围内带通滤波器滤波后的信号中存在很多的干扰信号,这些干扰信号并非高压开关柜因局部放电而产生的。其三,由于高压开关柜所产生的电磁波信号属于特高频信号,所以进行信号采集时需使用高速采集卡。然而市面上普通的高速采集卡价格昂贵,这使得利用特高频法进行局部放电检测经济性很差,不利于市场化。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置。本发明旨在对利用特高频法进行高压开关柜局部放电检测过程的信号调理单元进行优化升级,该发明针对性的解决了现有技术中所存在的缺点。滤波器滤波环节,除了用高通滤波器和低通滤波器进行组合形成带通滤波器以外,还有针对性的在移动通讯信号频带设计带阻滤波器,这样便可以有效地对外界移动通讯信号进行抑制。此外,还在整个滤波器滤波结束后设计了对数检波放大电路,该电路在保证滤波后的信号不被抑制的前提下,有效地对特高频信号进行降频处理,利用该方式可减少信号采集的难度,提升利用特高频法检测局部放电信号的经济性。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,包括:高通滤波器、射频放大器、低通滤波器、带阻滤波器和对数检波放大器;
所述高通滤波器与射频放大器连接,射频放大器与低通滤波器连接,低通滤波器与带阻滤波器连接,带阻滤波器与对数检波放大器连接;
所述高通滤波器用于抑制特高频信号中300MHz以下的频段;
所述射频放大器用于放大经高通滤波器处理后的特高频信号;
所述低通滤波器用于抑制特高频信号中1.5GHz以上的频段;
所述带阻滤波器用于抑制特高频信号中750MHz-1000MHz的频段;
所述对数检波放大器用于对特高频信号进行检波处理,降低特高频信号的频率。
在上述方案的基础上,所述高通滤波器为7阶切比雪夫Ⅱ型高通滤波器,截止频率为300MHz,包括:电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电容C1、电容C2和电容C3;
所述电感L1的一端和电容C1的一端连接后与电感L4的一端连接,作为输入端,电感L4的另一端接地;
所述电感L1的另一端和电容C1的另一端连接后与电感L5的一端连接,电感L5的另一端接地;
所述电感L2的一端和电容C2的一端连接后与电感L5的一端连接,电感L2的另一端和电容C2的另一端连接后与电感L6的一端连接,电感L6的另一端接地;
所述电感L3的一端与电容C3的一端连接后与电感L6的一端连接,电感L3的另一端与电容C3的另一端连接后与电感L7的一端连接,作为输出端,电感L7的另一端连地;
所述电感L1的电感值为106.1nH,电感L2的电感值为120.5nH,电感L3的电感值为417.8nH,电感L4的电感值为134.5nH,电感L5的电感值为17.61nH,电感L6的电感值为17.49nH,电感L7的电感值为74.94nH,
所述电容C1的电容值为11.81pF,电容C2的电容值为6.688pF,电容C3的电容值为9.739pF。
在上述方案的基础上,所述射频放大器包括:ABA51563芯片、电阻R25、电容C29、电容C28、电容C27、电容C26、电感L21、电容C25和电容C24;
所述ABA51563芯片的引脚1、引脚2和引脚5均接地;
所述ABA51563芯片的引脚3与电容C24的一端连接,C24的另一端作为输入端,C24的另一端与电感L7的一端;
所述ABA51563芯片的引脚6分别与电感L21的一端和电容C25的一端连接,电容C25的另一端作为输出端;
所述ABA51563芯片的引脚4与电感L21的另一端连接后分别与电容C27的一端、电容C26的一端和电阻R25的一端连接,电容C27的另一端接地,电容C26的另一端接地,电阻R25的另一端分别与电容C29的一端和电容C28的一端连接后接+5V电压,电容C29的另一端接地,电容C28的另一端接地;
所述电容C29的电容值为0.1uF,电容C28的电容值为1000pF,电容C27的电容值为1000pF,电容C26的电容值为100pF,电容C25的电容值为100pF,电容C24的电容值为100pF;
所述电感L21的电感值为100nH;所述电阻R25的阻值为5.11Ω。
在上述方案的基础上,所述低通滤波器为13阶切比雪夫Ⅰ型低通滤波器,截止频率为1.5GHz,包括:电感L8、电感L9、电感L10、电感L11、电感L12、电感L13、电感L14、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和电容C9;
所述电感L8的一端作为输入端,电感L8的一端与电容C25的另一端连接,电感L8的另一端分别与电感L9的一端和电容C4的一端连接,电容C4的另一端接地,电感L9的另一端分别与电感L10的一端和电容C5的一端连接,电容C5的另一端接地,电感L10的另一端分别与电感L11的一端和电容C6的一端连接,电容C6的另一端接地,电感L11的另一端分别与电感L12的一端和电容C7的一端连接,电容C7的另一端接地,电感L12的另一端分别与电感L13的一端和电容C8的一端连接,电容C8的另一端接地,电感L13的另一端分别与电感L14的一端和电容C9的一端连接,电容C9的另一端接地,电感L14的另一端作为输出端;
所述电感L8的电容值为11.73nH,电感L9的电容值为14.66nH,电感L10的电容值为14.82nH,电感L11的电容值为14.83nH,电感L12的电容值为14.75nH,电感L13的电容值为14.36nH,电感L14的电容值为9.424nH;
所述电容C4的电容值为2.852pF,电容C5的电容值为2.956pF,电容C6的电容值为2.967pF,电容C7的电容值为2.961pF,电容C8的电容值为2.926pF,电容C9的电容值为2.708pF。
在方案的基础上,所述带通滤波器为5阶巴特沃思带阻滤波器,中心频率为875MHz,阻频带宽为125MHz,包括:电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电感L19、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13和电容C14;
所述电感L15的一端与电容C10的一端连接后作为输入端,电感L15的一端与电容C10的一端连接后与电感L14的另一端,电感L15的另一端与电容C10的另一端连接后分别与电感L18的一端、电感L16的一端和电容C11的一端连接,电感L18的另一端通过电容C13接地,电感L16的另一端与电容C11的另一端连接后分别与电感L19的一端、电感L17的一端和电容C12的一端连接,电感L19的另一端通过电容C14接地,电感L17的另一端与电容C12的另一端连接后作为输出端;
所述电感L15的电感值为2.007nH,电感L16的电感值为1.795nH,电感L17的电感值为401.5pH,电感L18的电感值为37.57nH,电感L19的电感值为71.18nH;
所述电容C10的电容值为16.48pF,电容C11的电容值为18.43pF,电容C12的电容值为82.41pF,电容C13的电容值为880.6fF,电容C14的电容值为464.8fF。
在方案的基础上,所述对数检波放大器包括:AD8317芯片、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37和电阻R31;
所述AD8317芯片的引脚1与电容C33的一端连接,电容C33的另一端作为输入端,电感L17的另一端与电容C12的另一端连接后与电容C33的另一端连接;
所述AD8317芯片的引脚2接地;
所述AD8317芯片的引脚8通过电容C36接地,AD8317芯片的引脚3通过电容C37接地,AD8317芯片的引脚3通过电阻R31接地;
所述AD8317芯片的引脚4和引脚5连接后作为输出端;
所述AD8317芯片的引脚7分别与电容C34的一端和电容C35的一端连接后接+5V电压,电容C34的另一端接地,电容C35的另一端接地;
所述电阻R31的阻值为8.06KΩ;所述电容C33的电容值为47nF,电容C34的电容值为0.1uF,电容C35的电容值为100pF,电容C36的电容值为47nF,电容C37的电容值为8.2pF。
本发明的有益效果:本发明所设计的特高频检测高压开关柜局部放电信号处理装置是利用特高频法检测高压开关柜局部放电信号的核心环节,只有对采集到的特高频信号进行合适调理后,才能够得到有效地电磁波信号。该装置的使用可以有效降低传统特高频检测高压开关柜局部放电的成本,因为该装置能够对特高频信号进行降频处理,所以不再需要昂贵的高速采集卡对信号进行采集,提升该方案的经济性。因此,该方案能便于高压开关柜局部放电检测装置的市场化,进而确保电力系统中非常重要的电力设备--高压开关柜安全稳定运行,从而为整个电力系统的安全稳定运行提供帮助。
附图说明
本发明有如下附图:
图1现有技术的整体技术方案图。
图2高通滤波器原理图。
图3高通滤波器仿真结果图。
图4低通滤波器原理图。
图5低通滤波器仿真结果图。
图6带阻滤波器原理图。
图7带阻滤波器仿真结果图。
图8射频电路放大器原理图。
图9对数检波放大器原理图。
图10特高频检测高压开关柜局部放电信号处理装置实际检验结果图。
图11特高频检测高压开关柜局部放电信号处理装置PCB图。
具体实施方式
以下结合附图2-11对本发明作进一步详细说明。
本发明聚焦于特高频法检测高压开关柜局部放电过程的信号处理单元部分,该部分也是整个检测过程中的核心环节。下面将详细对本发明所设计局部放电的信号处理装置进行介绍。首先通过大量资料显示以及工程实际经验可知,高压开关柜局部放电所产生的电磁波信号频率在300MHz-1500MHz范围内。又因为在现实生活中,300MHz-1500MHz范围内存在大量移动通讯信号,资料显示移动通讯的信号范围约在800MHz-950MHz。所以本发明在实现300MHz-1500MHz滤波后加入带阻滤波器,阻带范围为750MHz-1000MHz。
本发明所述的信号处理装置首先将超高频天线传感器采集到特高频信号传输到所设计的高通滤波器中,高通滤波器原理图如图2所示。该滤波器为7阶切比雪夫Ⅱ型高通滤波器,其中截止频率为300MHz。为证明该高通滤波电路有较好的滤波特性,在AdvancedDesign System 2021软件中搭建电路进行仿真验证,仿真时设置扫描频带带宽为1MHz-2000MHz,步长为10MHz,仿真结果如图3所示。可以清晰的看到,该电路能够有效地将300MHz以下的频段进行抑制,且通频带平顺性较好。考虑到信号经过滤波后会发生衰减,所以信号在经过高通滤波器滤波后会将其进行放大,本发明所选用的是安捷伦公司生产的ABA51563射频放大器,该放大器具有21.5dB良好的增益特性,且操作频率为DC-3.5GHz,能够满足局部放电特高频信号的要求。此外,该放大器在噪声系数、频带响应以及封装结构方面均具有良好的特性。该放大器以及外围结构电路原理图如图8所示。同样地,信号经过射频放大器放大后进入到如图4所设计的13阶切比雪夫Ⅰ型低通滤波器,该滤波器所设计的截止频率为1.5GHz。同样经过仿真后可以得到如图5所示的切比雪夫Ⅰ型低通滤波器仿真结果图,由图可以看到所设计的低通滤波器能够很好地将1.5GHz以上的频段进行抑制。至此,信号经过高通滤波器和低通滤波器串联滤波处理后,只保留了300MHz-1500MHz范围内的信号,范围外的干扰信号已经被有效抑制。然后将信号送入到所设计的5阶巴特沃思带阻滤波器,将该滤波器中心频率设置为875MHz,并且设置阻频带宽为125MHz,这样便可以将750MHz-1000MHz的频率进行抑制。该滤波器的电路原理图如图6所示。同样地,将该电路进行仿真验证,仿真结果如图7所示,由该电路能够有效地将750MHz-1000MHz的电磁波信号进行抑制。至此,该装置已经完成了对高压开关柜局部放电所产生的特高频电磁波信号的滤波处理。在滤波完成后,本发明创新性的设计了对数检波放大器,如图9所示,高频信号通过对数检波放大器处理后,能够有效地实现降频,这样便可以降低信号采集的难度,提高该方案的经济性。对数检波放大器中的对数检波器采用AD公司生产的AD8317对数检波器,该检波器具有较宽的带宽,频带范围为1MHz-10GHz,能够满足该检测方式的频率要求。并且该对数检波器采用级联放大器链上的渐进式压缩技术,其每个阶段都配备有一个检测器单元。通过对外围电路进行合理设计和配置,该对数检波器具有较小的误差,通常小于±3dB,有较快的响应时间,为6ns/10ns(下降时间/上升时间)。在对数检波完成后,通过设计好的运算放大器,便可将信号进行输出。最终输出的信号能够完全达到本发明的设计要求,实现300MHz-1500MHz的电磁波信号滤波处理,并且加入750MHz-1000MHz的阻频带。此外还在滤波结束后对特高频信号进行检波处理,降低了特高频信号的频率,为实现更低频采集信号提供方便。整个电路在设计完成后,制作PCB板,电路的PCB图如图11所示,并按照原理图实际制作了实物试验产品。此外还利用3G矢量网络分析仪对实物试验产品进行实际验证,在3G矢量网络分析仪所提供的软件中设置0-2GHz的扫描频带发出电磁波信号,电磁波信号经过本发明所设计的信号处理装置后再传输回分析仪,传输回的结果会在软件中显示。如图10为特高频检测高压开关柜局部放电信号处理装置实际检验结果图,通过该图可以表明,本发明所设计的装置能够很好地满足设计需求。
本发明的技术关键点是信号处理装置中整套滤波器的设计和对特高频信号进行检波处理,降低信号的频率。
欲保护的点为整套滤波器的设计方案和参数、射频信号放大器的电路配置以及对数检波放大器的电路配置以及整套装置的技术路线。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,包括:高通滤波器、射频放大器、低通滤波器、带阻滤波器和对数检波放大器;
所述高通滤波器与射频放大器连接,射频放大器与低通滤波器连接,低通滤波器与带阻滤波器连接,带阻滤波器与对数检波放大器连接;
所述高通滤波器用于抑制特高频信号中300MHz以下的频段;
所述射频放大器用于放大经高通滤波器处理后的特高频信号;
所述低通滤波器用于抑制特高频信号中1.5GHz以上的频段;
所述带阻滤波器用于抑制特高频信号中750MHz-1000MHz的频段;
所述对数检波放大器用于对特高频信号进行检波处理,降低特高频信号的频率。
2.如权利要求1所述的基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,所述高通滤波器为7阶切比雪夫Ⅱ型高通滤波器,截止频率为300MHz,包括:电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电容C1、电容C2和电容C3;
所述电感L1的一端和电容C1的一端连接后与电感L4的一端连接,作为输入端,电感L4的另一端接地;
所述电感L1的另一端和电容C1的另一端连接后与电感L5的一端连接,电感L5的另一端接地;
所述电感L2的一端和电容C2的一端连接后与电感L5的一端连接,电感L2的另一端和电容C2的另一端连接后与电感L6的一端连接,电感L6的另一端接地;
所述电感L3的一端与电容C3的一端连接后与电感L6的一端连接,电感L3的另一端与电容C3的另一端连接后与电感L7的一端连接,作为输出端,电感L7的另一端连地;
所述电感L1的电感值为106.1nH,电感L2的电感值为120.5nH,电感L3的电感值为417.8nH,电感L4的电感值为134.5nH,电感L5的电感值为17.61nH,电感L6的电感值为17.49nH,电感L7的电感值为74.94nH,
所述电容C1的电容值为11.81pF,电容C2的电容值为6.688pF,电容C3的电容值为9.739pF。
3.如权利要求2所述的基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,所述射频放大器包括:ABA51563芯片、电阻R25、电容C29、电容C28、电容C27、电容C26、电感L21、电容C25和电容C24;
所述ABA51563芯片的引脚1、引脚2和引脚5均接地;
所述ABA51563芯片的引脚3与电容C24的一端连接,C24的另一端作为输入端,C24的另一端与电感L7的一端;
所述ABA51563芯片的引脚6分别与电感L21的一端和电容C25的一端连接,电容C25的另一端作为输出端;
所述ABA51563芯片的引脚4与电感L21的另一端连接后分别与电容C27的一端、电容C26的一端和电阻R25的一端连接,电容C27的另一端接地,电容C26的另一端接地,电阻R25的另一端分别与电容C29的一端和电容C28的一端连接后接+5V电压,电容C29的另一端接地,电容C28的另一端接地;
所述电容C29的电容值为0.1uF,电容C28的电容值为1000pF,电容C27的电容值为1000pF,电容C26的电容值为100pF,电容C25的电容值为100pF,电容C24的电容值为100pF;
所述电感L21的电感值为100nH;所述电阻R25的阻值为5.11Ω。
4.如权利要求3所述的基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,所述低通滤波器为13阶切比雪夫Ⅰ型低通滤波器,截止频率为1.5GHz,包括:电感L8、电感L9、电感L10、电感L11、电感L12、电感L13、电感L14、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和电容C9;
所述电感L8的一端作为输入端,电感L8的一端与电容C25的另一端连接,电感L8的另一端分别与电感L9的一端和电容C4的一端连接,电容C4的另一端接地,电感L9的另一端分别与电感L10的一端和电容C5的一端连接,电容C5的另一端接地,电感L10的另一端分别与电感L11的一端和电容C6的一端连接,电容C6的另一端接地,电感L11的另一端分别与电感L12的一端和电容C7的一端连接,电容C7的另一端接地,电感L12的另一端分别与电感L13的一端和电容C8的一端连接,电容C8的另一端接地,电感L13的另一端分别与电感L14的一端和电容C9的一端连接,电容C9的另一端接地,电感L14的另一端作为输出端;
所述电感L8的电容值为11.73nH,电感L9的电容值为14.66nH,电感L10的电容值为14.82nH,电感L11的电容值为14.83nH,电感L12的电容值为14.75nH,电感L13的电容值为14.36nH,电感L14的电容值为9.424nH;
所述电容C4的电容值为2.852pF,电容C5的电容值为2.956pF,电容C6的电容值为2.967pF,电容C7的电容值为2.961pF,电容C8的电容值为2.926pF,电容C9的电容值为2.708pF。
5.如权利要求4所述的基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,所述带通滤波器为5阶巴特沃思带阻滤波器,中心频率为875MHz,阻频带宽为125MHz,包括:电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电感L19、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13和电容C14;
所述电感L15的一端与电容C10的一端连接后作为输入端,电感L15的一端与电容C10的一端连接后与电感L14的另一端,电感L15的另一端与电容C10的另一端连接后分别与电感L18的一端、电感L16的一端和电容C11的一端连接,电感L18的另一端通过电容C13接地,电感L16的另一端与电容C11的另一端连接后分别与电感L19的一端、电感L17的一端和电容C12的一端连接,电感L19的另一端通过电容C14接地,电感L17的另一端与电容C12的另一端连接后作为输出端;
所述电感L15的电感值为2.007nH,电感L16的电感值为1.795nH,电感L17的电感值为401.5pH,电感L18的电感值为37.57nH,电感L19的电感值为71.18nH;
所述电容C10的电容值为16.48pF,电容C11的电容值为18.43pF,电容C12的电容值为82.41pF,电容C13的电容值为880.6fF,电容C14的电容值为464.8fF。
6.如权利要求5所述的基于特高频检测高压开关柜局部放电的信号处理装置,其特征在于,所述对数检波放大器包括:AD8317芯片、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37和电阻R31;
所述AD8317芯片的引脚1与电容C33的一端连接,电容C33的另一端作为输入端,电感L17的另一端与电容C12的另一端连接后与电容C33的另一端连接;
所述AD8317芯片的引脚2接地;
所述AD8317芯片的引脚8通过电容C36接地,AD8317芯片的引脚3通过电容C37接地,AD8317芯片的引脚3通过电阻R31接地;
所述AD8317芯片的引脚4和引脚5连接后作为输出端;
所述AD8317芯片的引脚7分别与电容C34的一端和电容C35的一端连接后接+5V电压,电容C34的另一端接地,电容C35的另一端接地;
所述电阻R31的阻值为8.06KΩ;所述电容C33的电容值为47nF,电容C34的电容值为0.1uF,电容C35的电容值为100pF,电容C36的电容值为47nF,电容C37的电容值为8.2pF。
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