CN204731366U - 金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统 - Google Patents

Abstract

金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，它主要由一个主机和多个信号采集终端组成，所述的信号采集终端采用吸附式结构并被放置于需要监测的区域，采集声音分贝值、显示声音数值，对数值进行加工处理并传输至主机；所述的主机包括一带有主机信号无线传输装置的数据处理中心，该主机接收信号采集终端的数据信号并进行远程控制和图形化分析处理；所述的信号采集终端由一安装在箱壳体内采集声音模拟信号的拾音器，连接所述拾音器并将其采集的模拟信号进行放大的放大器和滤波器，并经过相连的A/D转换器后连接于信号处理的由副控MCU以及外围电路构成的第一高速处理器；它具有结构简单，使用方便，能实现放电故障的快速、准确定位等特点。

Description

金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，属于金属封闭母线设备的故障定位技术领域。

背景技术

金属封闭母线设备是指用金属外壳将导体连同绝缘封闭起来的组合体，电力设备中常见的是开关柜设备和GIS设备。由于施工现场条件复杂、空气湿度大、悬浮颗粒多等情况，严重影响到现场安装尤其是母线部分的安装水平，同时设备运输过程中的不可预知因素对设备完好状态也有一定影响。交流耐压试验是在金属封闭母线设备安装完毕后最为关键的试验，是检验设备是否具有绝缘结构或安装缺陷的重要手段，耐压试验不合格的设备不允许投产。

长久以来，一直缺乏对金属封闭母线设备放电故障进行快速、准确定位的装置。采取的是安排试验人员在各个位置逐个进行监听，辨别放电声音，通过相互比较判断确定放电位置的方式；一方面，无法避免多次测试给设备和仪器带来的损伤，且仅靠主观进行判断，缺乏相关定量数据的支撑，另一方面监听人员的人身安全也存在着一定的隐患。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构简单，使用方便可靠，能实现放电故障的快速、准确定位，提升工作效率，避免多次试验对设备和仪器的损害，适合现场应用的金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的一种金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，它主要由一个主机和多个信号采集终端组成，所述的信号采集终端采用吸附式结构并被放置于需要监测的区域，采集声音分贝值、显示声音数值，对数值进行加工处理并传输至主机；所述的主机包括一带有主机信号无线传输装置的数据处理中心，该主机接收信号采集终端的数据信号并进行远程控制和图形化分析处理。

本实用新型优选的是：所述的信号采集终端由一安装在箱壳体内采集声音模拟信号的拾音器，连接所述拾音器并将其采集的模拟信号进行放大的放大器和滤波器，并经过相连的A/D转换器后连接于信号处理的由副控MCU以及外围电路构成的第一高速处理器；所述的主机包括人机交互模块，也由主控MCU以及外围电路构成的第二高速处理器，电源电路，数据显示模块以及无线通讯模块。

本实用新型优选的是：所述箱壳体底部的四个角部分别设置有一个可靠吸附于金属封闭母线设备外壁上的真空吸盘；所述箱壳体的上面设置有显示屏，另在箱壳体内还安装有为信号采集终端电池提供稳定电源的电池和充放电管理电路；

所述的拾音器由麦克风构成，该拾音器通过连接一阻抗变换MOS管后连接于第一级声音放大电路，在所述第一级声音放大电路后依次相接有滤波电路和声音加权电路，其后连接着三级放大电路，最后连接于第一高速处理器；

所述的主机通过主通讯电路与主机中附设在第一高速处理器中的副通讯电路无线连接，所述主控MCU采用大容量高速度的ARM芯片，其上相连有由液晶显示电路和液晶屏组成的数据显示模块。

本实用新型进一步优选的是：所述的主通讯电路采用RF905无线通讯模块，并在线路板上形成一无线通讯接口电路；所述的副通讯电路也采用RF905无线通讯模块，采用SPI通讯模式；

所述的滤波电路由一运放U6D及其前面的电容电阻组成，所述的声音加权电路由一能衰减对人耳不敏感低频信号、保留较敏感高频信号的运放U6A构成，其后连接的信号三级放大电路由第一运放U6B、第二运放U7A以及第三运放U7D依次连接而成；

所述第一高速处理器的副控MCU由电源电路、副通讯电路、模数转换电路、LCD驱动电路组成。

所述的电源电路由两极降压稳压电路和一级电压反转电路组成；模数转换电路采用ARM芯片内部的ADC部分实现。

本实用新型采用声音分贝值采集法的原理，填补了目前在金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位领域缺少相关设备的空白，整个系统使用方法简单灵活，设备轻巧便携；具有结构简单，使用方便可靠，能实现放电故障的快速、准确定位，提升工作效率，避免多次试验对设备和仪器的损害，适合现场应用等特点。

附图说明

图1是本实用新型所述系统的组成示意图。

图2是本实用新型所述声音采集终端构成示意图。

图3是本实用新型所述采样电路原理图。

图4是本实用新型所述所述信号采集和一级放大电路图。

图5是本实用新型所述信号滤波及加权电路原理图。

图6是本实用新型所述信号三级放大电路原理图。

图7是本实用新型所述一级放大之后的绝对值电路图。

图8是本实用新型所述副通讯电路图。

图9是本实用新型所述模数转换电路图。

图10是本实用新型所述LCD驱动电路图。

图11是本实用新型所述主机构成框图。

图12是本实用新型主控MCU电路总体原理图。

图13是本实用新型所述主机电源电路图。

图14是本实用新型所述主机液晶显示电路图。

图15是本实用新型所述主控MCU电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作详细的说明：图1所示，本实用新型所述的一种金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，它主要由一个主机1和多个信号采集终端2组成，所述的信号采集终端采用吸附式结构并被放置于需要监测的区域，采集声音分贝值、显示声音数值，对数值进行加工处理并传输至主机；所述的主机包括一带有主机信号无线传输装置的数据处理中心，该主机接收信号采集终端的数据信号并进行远程控制和图形化分析处理。

图2所示，所述的信号采集终端由一安装在箱壳体内采集声音模拟信号的拾音器3，连接所述拾音器并将其采集的模拟信号进行放大的放大器和滤波器4，并经过相连的A/D转换器5后连接于信号处理的由副控MCU以及外围电路构成的第一高速处理器6；

图11所示，所述的主机包括人机交互模块7，也由主控MCU以及外围电路构成的第二高速处理器8，电源电路9，数据显示模块10以及无线通讯模块11，它主要由副通讯电路组成。

本实用新型所述箱壳体底部的四个角部分别设置有一个可靠吸附于金属封闭母线设备外壁上的真空吸盘；所述箱壳体的上面设置有显示屏，另在箱壳体内还安装有为信号采集终端电池提供稳定电源的电池和充放电管理电路12；

所述的拾音器由麦克风构成，该拾音器通过连接一阻抗变换MOS管后连接于第一级声音放大电路，在所述第一级声音放大电路后依次相接有滤波电路和声音加权电路，其后连接着三级放大电路，最后连接于第一高速处理器；

所述的主机通过主通讯电路与主机中附设在第一高速处理器中的副通讯电路无线连接，所述主控MCU采用大容量高速度的ARM芯片，其上相连有由液晶显示电路和液晶屏组成的数据显示模块。

本实用新型所述的主通讯电路采用RF905无线通讯模块，并在线路板上形成一无线通讯接口电路；所述的副通讯电路也采用RF905无线通讯模块，采用SPI通讯模式；

所述的滤波电路由一运放U6D及其前面的电容电阻组成，所述的声音加权电路由一能衰减对人耳不敏感低频信号、保留较敏感高频信号的运放U6A构成，其后连接的信号三级放大电路由第一运放U6B、第二运放U7A以及第三运放U7D依次连接而成；

所述第一高速处理器的副控MCU由电源电路、副通讯电路、模数转换电路、LCD驱动电路组成。

所述的电源电路由两极降压稳压电路和一级电压反转电路组成；模数转换电路采用ARM芯片内部的ADC部分实现。

本实用新型在金属封闭母线设备交流耐压试验时，可以实现以下功能：

（1）交流耐压试验时放电故障的快速、准确定位；

在“峰值保持”模式下，一次耐压试验结束后，将多个终端进行比较，即可查找放电缺陷所在位置。同时可根据柱状图反映的各终端峰值的情况，比较判别，判断数值最大的终端所在位置即为放电缺陷位置。采用该系统仅需操作1次就能准确判断放电位置，实现了金属封闭母线设备交流耐压试验时放电故障的快速、准确定位。

（2）评估设备绝缘状态，避免设备耐压击穿；

一般情况下交流耐压试验过程中从电晕放电到绝缘击穿是一个逐渐发展的过程，该系统在“实时数据”模式下可以实时监测终端所在位置的声音量值，通过声音量值的变化情况可以评估金属封闭母线设备的绝缘状态，从而在设备击穿之前进行相应处理，避免设备击穿对其造成的难以恢复的永久性伤害。

（3）提升交流耐压试验过程中放电故障查找的安全性；系统采用非接触式测量，试验人员在试验前将终端吸附于设备外壁后，即可远距离监测放电声音的大小，相对于传统的采用试验人员近距离监听的故障查找方式更加安全。

    实施例：本实用新型采用“1台主机+N个终端”的工作方式，具有“峰值保持”和“实时数据”两种工作模式，如图1所示。

主机接收终端数据信号并进行远程控制和图形化分析处理，采集终端采用吸附式结构，放置于需要监测的区域，用来采集声音分贝值信号、显示声音数值、对数值进行加工处理并传输至主机。

本实用新型所述的采集终端构成见图2所示，拾音器采集到的声音的模拟信号经信号放大及滤波、AD转换后，经过高速处理器处理，一方面通过无线通讯的方式，将数字信号传输至主机，另一方面在数字显示屏上进行数值的显示；同时包含电池及其充放电管理电路，为终端工作时提供稳定的电源。

声音采集终端的实现主要包括采样电路和MCU电路，见图3所示。

采样部分原理图主要包括以下几个部分：声音信号采集及一级放大电路；信号滤波及加权电路；信号三级放大电路；信号取绝对值电路。

其中信号采集及一级放大电路如图4所示：

MIC1为麦克风，声音信号通过麦克风后转为微小的电平信号，其幅度在mV级别，频率范围较宽，从接近0Hz的直流电压到接近MHz级别的干扰信号都有。Q1为MOS管，将MIC1采集到的进行阻抗变换，使信号具有一定的带动负载的能力，增强抗干扰能力，提高稳定性，方便后续处理。U6C为第一级声音放大电路，将声音信号放大接近3倍，通过VR1可进行放大增益调整，整个电路可通过调整VR1进行分贝值校对。

所述的信号滤波及加权电路如图5所示：图中所示的U6D及其左面的电容电阻组成滤波电路，将声音信号频率以外的信号率除掉，保留20Hz到20KHz的信号进行下一级处理。U6A组成声音加权电路，衰减对人耳不敏感的低频信号，保留较敏感的高频信号，人为模拟人耳对声音信号的感知方法。

所述的信号三级放大电路如图6所示：图中所示的U6B为第一级放大，其增益为1，也就是没有对信号进行放大，只是做了一级电压跟随，降低信号输出阻抗。100db到130db的信号经过这一级之后直接进行取绝对值电路，然后进行AD处理。U7A组成第二级放大电路，处理70db到100db的信号，其增益大小为31.51，信号处理后经过绝对值电路，然后进行AD处理。U7D组成第三级放大电路，其增益大小为32.8，处理30db到70db的信号。

所述的绝对值电路如图7所示：这是第一级放大后的绝对值处理电路，其他两路处理方法与这一路相同。当电平信号为+V时，信号由R6、R10、D2以及U7B组成的反相电路得到-V得到信号，此信号经过R13、R14、R18以及U7C组成的加减法电路得到+V信号；当信号为-V时，信号经过R6、D1以及U7B得到0V信号，此0V信号经过R10、R14后和R13、R18以及U7C组成加减法电路得到+V信号。

本实用新型所述的监测板MCU电路主要由以下几部分组成：电源电路、无线通讯电路、模数转换电路、LCD驱动电路、MCU周边电路。

其中电源电路有主要有两级降压稳压电路和一级电压翻转电路组成，第一降压是U2芯片组成，将外部输入的7.4V直流电压降压为5V。第二级稳压电路由U4组成，将5V电压降压为3.3V。电压翻转电路由U1及其周边原件完成，将+5V电压转换为-5V电压。+5V电压以及-5V电压供运放使用， 3.3V供主芯片及通讯芯片使用。

所述的无线通讯电路如图8所示：无线通讯采用外接通讯模块的方式实现。通讯模块为RF905模块，采用SPI通讯模式，传送速率较高，数据稳定。通讯频率433MHz，传送距离较远。

所述的模数转换电路如图9所示：模数转换电路采用ARM芯片内部ADC部分实现，ARM芯片为意法半导体的STM32F103系列芯片，其ADC精度为12位，采样速率最大1Mbps，速度快，能够满足20kHz声音信号的采样要求。为了提高转换精度，增加外部参考电压芯片，如图中U3所示，其电压为2.5V。

所述的LCD驱动电路如图10所示：由于监测端使用锂电池供电，考虑节电要求以及所要显示的内容有限，故采用笔段式液晶，其驱动芯片采用HT1621，接口电路简单，容易使用。

本实用新型所述副控MCU采用大容量高速ARM芯片，为图中U5，U5芯片周围为各部分电路的接口电路，各部分电路通过CPU的处理协调工作。Y1为U5提供时钟，其振荡频率为8MHz，通过U5内部PLL将主时钟倍频到72MHz。J6提供MUC的调试JTAG接口，方便程序编写与调试。C3到C8为MCU供电电源的退耦电容。

本实用新型的主机构成包含人机交互模块、高速处理器、电源电路、数据显示模块、无线通讯等部分，其构成如图11所示。主机负责整个系统的控制、信号的接收、数据图形化的显示等功能。

其中所述主机主控板电路总体原理图如图12所示：主机主控板主要包括：

电源电路：主控部分采用可充电镍镉电池供电，电池电压12v，2AH，通过电源处理电路得到各部分电路的电压；

液晶显示电路：液晶显示电路用于液晶屏的显示与驱动，液晶屏采用240128点阵液晶，能够显示较多的文字信息以及波形图形；

无线通讯电路：无线通讯部分采用RF905无线通讯模块，能够提供较高的通讯速率，传输稳定，距离较远。本部分电路在线路板上为一接口电路；

按键电路：案件电路用于驱动人机互动部分的按键，采用精简的三按键模式，使用简单。

MCU主控电路：主控电路采用大容量高速度的ARM芯片，能够快速处理各种数据，内存容量大，方便声音波形文件处理。

所述的电源电路如13所示：电源电路有主要有两级降压稳压电路组成，第一部分是U1芯片组成，将外部输入的12V直流电压降压为5V。第二级稳压电路由U2组成，将5V电压降压为3.3V。5V电压供液晶屏及其周边电路使用，3.3V供主芯片及通讯芯片使用。

所述的液晶显示电路如14：液晶显示电路用于驱动240128液晶屏。J3接口为液晶屏提供合适的负压，通过调整J3连接的外部电位器，能够调节液晶屏的对比度。三极管Q1提供液晶屏的背光驱动，主控MCU通过控制Q1的通断进而控制液晶屏的背光是否点亮。U3、U4为电平转换芯片，由于液晶屏使用的是CMOS电平，而MCU为3.3v供电，所以需要将3.3v电平转换为5v电平。

所述的无线通讯采用外接通讯模块的方式实现；通讯模块为RF905模块，采用SPI通讯模式，传送速率较高，数据稳定。通讯频率433MHz，传送距离较远。

所述的按键电路采用比较简明的三个独立按键的方式，方便程序的编写，其中RP1为按键上拉电阻，在按键没有按下时CPU检测到的是高电平，外部按键按下时，CPU检测到的是低电平。三个独立按键安装在仪器面板上，通过J9接口接入电路。

所述的主控MCU电路如图15所示：主控MCU采用大容量高速ARM芯片，为图中U5，U5芯片周围为各部分电路的接口电路，各部分电路通过CPU的处理协调工作。Y1为U5提供时钟，其振荡频率为8MHz，通过U5内部PLL将主时钟倍频到72MHz。J8提供MUC的调试JTAG接口，方便程序编写与调试。C6到C10以及C14为MCU供电电源的退耦电容。

Claims (5)

1.一种金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，它主要由一个主机和多个信号采集终端组成，其特征在于所述的信号采集终端采用吸附式结构并被放置于需要监测的区域，采集声音分贝值、显示声音数值，对数值进行加工处理并传输至主机；所述的主机包括一带有主机信号无线传输装置的数据处理中心，该主机接收信号采集终端的数据信号并进行远程控制和图形化分析处理。

2.根据权利要求1所述的金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，其特征在于所述的信号采集终端由一安装在箱壳体内采集声音模拟信号的拾音器，连接所述拾音器并将其采集的模拟信号进行放大的放大器和滤波器，并经过相连的A/D转换器后连接于信号处理的由副控MCU以及外围电路构成的第一高速处理器；所述的主机包括人机交互模块，也由主控MCU以及外围电路构成的第二高速处理器，电源电路，数据显示模块以及无线通讯模块。

3.根据权利要求2所述的金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，其特征在于所述箱壳体底部的四个角部分别设置有一个可靠吸附于金属封闭母线设备外壁上的真空吸盘；所述箱壳体的上面设置有显示屏，另在箱壳体内还安装有为信号采集终端电池提供稳定电源的电池和充放电管理电路；

所述的拾音器由麦克风构成，该拾音器通过连接一阻抗变换MOS管后连接于第一级声音放大电路，在所述第一级声音放大电路后依次相接有滤波电路和声音加权电路，其后连接着三级放大电路，最后连接于第一高速处理器；

所述的主机通过主通讯电路与主机中附设在第一高速处理器中的副通讯电路无线连接，所述主控MCU采用大容量高速度的ARM芯片，其上相连有由液晶显示电路和液晶屏组成的数据显示模块。

4.根据权利要求3所述的金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，其特征在于所述的主通讯电路采用RF905无线通讯模块，并在线路板上形成一无线通讯接口电路；所述的副通讯电路也采用RF905无线通讯模块，采用SPI通讯模式；

所述的滤波电路由一运放U6D及其前面的电容电阻组成，所述的声音加权电路由一能衰减对人耳不敏感低频信号、保留较敏感高频信号的运放U6A构成，其后连接的信号三级放大电路由第一运放U6B、第二运放U7A以及第三运放U7D依次连接而成；

所述第一高速处理器的副控MCU由电源电路、副通讯电路、模数转换电路、LCD驱动电路组成。

5.根据权利要求4所述的金属封闭母线设备交流耐压放电故障定位系统，其特征在于所述的电源电路由两极降压稳压电路和一级电压反转电路组成；模数转换电路采用ARM芯片内部的ADC部分实现。