CN204925323U - 一种开关柜局部放电检测系统 - Google Patents

Abstract

一种开关柜局部放电检测系统，包括通过同轴电缆连接的手持式检测设备和内置于开关柜内的特高频传感器；内置于开关柜内的特高频传感器包括天线辐射层、电介质层、馈电探针和BNC电缆接头，电介质层的一个表面直接贴附在开关柜内壁上以开关柜的柜壳作为特高频传感器的信号参考地，天线辐射层铺设在电介质层的另一表面上，馈电探针垂直并内置于电介质层内，其内端与天线辐射层连接、另一端与从外向内穿过所述开关柜壁通孔的BNC电缆接头内芯相连接，BNC电缆接头的外壳与开关柜电连接。本实用新型的特高频传感器易于现场安装、具有良好的方向性；本实用新型能够从现场照明信号中提取出工频信号，作为局部放电的相位参考，实现了对发生局部放电的相位进行分析。

Description

一种开关柜局部放电检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种开关柜局部放电检测系统，尤其是涉及一种基于内置于开关柜内超高频天线传感器的开关柜局部放电检测系统。

背景技术

高压电气设备的绝缘内部总是存在一些缺陷，如气泡间隙、杂质、尖刺等，在强电场作用下使得设备绝缘内部的电场分布不均匀，在缺陷部位的电场强度增大，从而容易导致该部位发生未贯穿整个绝缘的放电，即局部放电。局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是却会导致绝缘介质的局部损坏。若其长期存在，则会在一定条件下造成绝缘装置电气强度的破坏，最终造成设备绝缘击穿。因而对于电气设备而言，电气设备发生局部放电现象是导致其绝缘老化或劣化甚至损坏从而引发设备损毁及电力系统事故的重要原因之一，同时局部放电也是设备绝缘完整性退化的标志。因此对电气设备的局部放电进行在线监测是评估设备绝缘状况的重要手段，也是发现设备潜伏性故障，最终实现故障预警，避免故障发生的有效措施之一。

开关柜是向配电网或用户供电的直接设备，且在电力系统中大量应用。由于和供电直接相关，开关柜故障造成停电事故带来的经济损失和社会损失会非常大。对运行中的高压开关柜进行局部放电在线监测，能为开关柜状态检修提供重要参数和依据，提高开关柜试验检修效率，从而避免开关柜突发事故，提高供电质量。

目前比较成熟的检测开关柜设备局部放电的方法主要是暂态对地电压检测法(TEV)、超声波检测法以及特高频(UHF)检测法。其中特高频检测法是近年来发展起来的一项新技术。它采用测量高压设备绝缘隐患在运行电压下辐射的电磁波来判断设备是否发生局部放电，该方法可以非接触测量及在线检测。与其它局部放电检测方法相比，UHF法具有灵敏度较高、抗干扰能力较强、可识别故障类型以及定位故障源等优点。通过对设备局部放电的特高频在线检测能够及时准确地判断电气设备内部绝缘状态，这对防止电力设备事故发生，保障电力系统安全稳定运行具有重大意义。

特高频天线作为接收局部放电所产生的电磁波信号的传感器，是特高频监测系统的核心部分，其性能的好坏也直接决定了特高频信号后期提取和识别的难易程度，性能较好的特高频天线传感器应当具有频带宽、驻波比小、增益大、方向性好的特点。而作为内置天线传感器来说，除此之外，还应当具有合理的尺寸和形状，其安装不能影响设备内部的绝缘。

申请号为CN2012102303160的“一种开关柜内置超高频天线传感器”的中国实用新型专利申请，该天线传感器由辐射天线、电介质层、空气层和接地层组成，该传感器的主要缺点是：结构比较复杂，占用空间大且不便于安装。此外，目前还没有出现过基于内置于开关柜超高频天线传感器的开关柜局部放电检测系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种开关柜局部放电检测系统，其高度集成化，具有体积小、重量轻、操作简单等优点，检测人员不需要专业的培训，减小了人力物力的投入。

解决上述技术问题，本实用新型采用以下的技术方案：

一种开关柜局部放电检测系统，其特征是：包括通过同轴电缆连接的手持式检测设备和内置于开关柜内的特高频传感器两个子系统；

所述的内置于开关柜内的特高频传感器包括天线辐射层、电介质层、馈电探针和BNC电缆接头，所述电介质层的一个表面直接贴附在所述开关柜内壁上以开关柜的柜壳作为特高频传感器的信号参考地，所述的天线辐射层铺设在电介质层的另一表面上，所述的馈电探针垂直并内置于电介质层内，其内端与天线辐射层连接、另一端与从外向内穿过所述开关柜壁通孔的BNC电缆接头内芯相连接，BNC电缆接头外壳与开关柜柜体电连接，所述BNC电缆接头用于连接同轴电缆；

所述的手持式检测设备带有BNC电缆接头，同轴电缆连接特高频传感器的BNC电缆接头与手持式检测设备的BNC电缆接头，从而实现两个子系统的连接；

所述的手持式检测设备包括一DSP芯片，所述的DSP芯片经第一I/O接口与一数据采集模块相连接，所述的数据采集模块与一信号处理模块连接，所述的信号处理模块与BNC电缆接头连接并接收从同轴电缆传来的信号；

所述的DSP芯片经第二I/O接口与一工频信号获取模块相连接。

所述的电介质层为相对介电常数为2.5～6.0的环氧树脂。

所述天线辐射层为厚度为10μm～120μm的铜或铝，天线辐射层的形状为Koch雪花，在天线辐射层上设置有一孔径为0.5mm～1.5mm的馈电点，所述馈电探针的内端与馈电点焊接。

所述天线辐射层的外表面镀有厚度为2μm～10μm的锡层以便焊接馈电探针。

所述的馈电探针为长度为1.5mm～10mm、直径与馈电点的孔径相同的铜质或铝质探针。

所述的电介质层贴附在开关柜内壁的具体方式为：所述电介质层的四个角设置有四个通孔、对应的开关柜位置上分别设置有四个螺孔，然后用螺栓将电介质层固定在开关柜上或者利用粘胶将所述电介质层粘在开关柜内壁上。

所述的工频信号获取模块由光电传感器、A/D采集器依次连接而成，所述的A/D采集器经第二I/O接口与DSP芯片相连接。

所述的DSP芯片经第三I/O接口与一信息显示模块相连接。

所述的信息显示模块为LCD显示屏。

作为本实用新型的一种改进，所述的DSP芯片经第四I/O接口与一数据储存模块相连接。

进一步地，所述的数据储存模块为flash闪存。

再进一步地，所述的DSP芯片经第五I/O接口与一按键控制模块相连接，所述的按键控制模块设有电源按键、初始化按键、设备信息录入按键、单次放点波形按键、工频周期波形按键、输入键盘、holdon按键以及存储按键。

所述的DSP芯片经第六I/O接口与一接口扩展模块相连接，所述的接口扩展模块为USB2.0接口。

本实用新型的开关柜局部放电检测系统的使用步骤如下：

1、对需要停电检修的开关柜设备，装上内置于开关柜内的特高频传感器；

2、手持式检测设备连接特高频传感器，通过同轴电缆经特高频传感器输出端连接到手持式检测设备，以实现信号的获取；

3、设备开机，连接好同轴电缆检查无误后，按下手持式检测设备电源按钮；

4、设备初始化，设备打开电源后按下设备初始化按键，对检测设备的设置做初始化操作，按下按键到初始化结束默认30s完成该操作；

5、设备信息录入，设备初始化完成后，按下设备信息录入按钮，输入开关柜相关信息；

6、信息处理，特高频传感器只将局部放电信号转化为一定电压信号，包含较多复杂的电信号，并且电压信号较弱，一般为几十毫伏；因为局部放电信号的频率在300MH-3GHz之间，所以设置信息处理模块将信号中频率在300MHz-3GHz之外的信号通过滤波电路，并放大10倍；

7、初步判断，由手持式检测设备自动判断此时由内置特高频传感器检测到的的局部放电信号；如果此时的信号幅值较小，为超过检测阈值，认定该台开关柜设备正常，检测结束；相反，如果此时的信号幅值超过检测阈值，则认定该台设备异常，需要进行以下步骤进行详细测量：

8、此时按下“工频”按键：

(1)工频信号获取，通过光电传感器将开关柜附近的照明光信号转换为工频电压信号，并通过A/D采集送到DSP芯片进行工频信号的提取，以为局部放电信号提供电相位参考；

(2)数据采集，DSP芯片给出指令，令数据采集卡工作在低频段采样频率下，默认为100MHz，能够对局放信号进行每秒100000000次采样，一个工频周期可采2000000个点，采样的信号送到DSP；

(3)数据处理，数据处理有由DSP芯片完成，DSP获取到工频信号进过处理后发出指令，显示器显示；DSP对数据采集模块送来的数据计算出此时局部放电最大值以及工频周期内的放电次数，判断出此时局部放电的严重程度，结合工频参考信号分析现在局部放电的放电类型，最后DSP给出指令将这信息显示在LCD上；

(4)信息显示，在该模式下，LCD显示器，显示工频信号波形，局部放电波形，最大幅值，放电类型以及严重程度；

(5)如果需要对某个波形进行仔细查看，可按下holdon按钮，是当前波形静止，按下储存按键可对当前页面信息进行保存；

9、按下“单次”按键：

(1)数据采集，DSP芯片给出指令，令数据采集卡工作在高频段采样频率下，默认为10GHz，能够对局放信号进行每秒10G次采样,一共采集20000个点，采样的信号送到DS；

(2)数据处理，数据处理有由DSP芯片完成，DSP对数据采集模块送来的数据计算出此时单次局部放电最大值，对单次局部放电信号进行频谱分析；

(3)信息显示，在该模式下，LCD显示器，显示单次局部放电波形，最大幅值，以及放电信号对应的频谱图；

(4)如果需要对某个波形进行仔细查看，可按下holdon按钮，是当前波形静止。按下储存按键可对当前页面信息进行保存；

10、数据输出，技术人员可将每次的数据信息建档保存在手持式设备，并可定期通过USB2.0扩展口将历史数据输出。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

本实用新型的特高频传感器仅由天线辐射层、电介质层，而传统的接地层在本实用新型中用开关柜的柜壳替代，从而使得该传感器结构简单，易于现场安装；并且由于主体部分位于开关柜内，由于柜体自身的屏蔽作用，避免了开关柜外面的高频信号的干扰，使得该传感器检测到的高频局部放电信号更加精确；此外，该传感器具有良好的方向性，在工作频带有良好的增益，且与同轴电缆的阻抗匹配良好；

本实用新型的手持式检测设备能够与特高频传感器实现良好的匹配，能够实现对特高频传感器检测到的局部放电信号进行处理分析，除此之外，本实用新型创新性的加入了工频获取模块，能够从现场照明信号中提取出工频信号，作为局部放电的相位参考，实现了对发生局部放电的相位进行分析，利于局部放电类型的识别；

本实用新型的开关柜局部放电系统中，手持式检测设备由于其高度集成化，具有体积小、重量轻等优点，检测人员只需随身携带一台检测设备便能实现对现场开关柜的局部放电进行检测，并且测量方式简单，不需要专业的培训，很大程度的减小了人力物力。

附图说明

图1为本实用新型特高频传感器的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为本实用新型的结构示意图；

图4为本实用新型的特高频传感器检测到200MHz-1GHz频段的驻波比图；

图5为本实用新型使用过程中显示的驻波比图。

图中：1-开关柜，2-电介质层，3-辐射天线层，4-BNC电缆接头，5-馈电探针，6-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图用实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、2、3所示，本实用新型的开关柜局部放电检测系统实施例，包括通过同轴电缆连接的手持式检测设备和内置于开关柜内的特高频传感器两个子系统，特高频传感器包括天线辐射层3、电介质层2、馈电探针5和BNC电缆接头4，电介质层2的一个表面直接贴附在开关柜1内壁上以开关柜的柜壳作为信号参考地，电介质层贴附在开关柜内壁的具体方式为：电介质层的四个角设置有四个通孔、对应的开关柜位置上分别设置有四个螺孔，然后用螺栓6将电介质层固定在开关柜上；其中电介质层为相对介电常数为4.4的环氧树脂，其长为250mm～300mm、宽为长为210mm～290mm、厚度为1.5mm～10mm，用以作为特高频传感器的绝缘层；直接贴附电介质层2的开关柜1内壁位置处开有通孔；天线辐射层3铺设在电介质层2的另一表面上，天线辐射层的形状为Koch雪花，且其为厚度为10μm～120μm的铜，相较于其他形状的天线，在相同尺寸下，该形状天线具有更低的谐振频率，并且该天线具有多个谐振频带，可以从一定程度上扩展传感器的检测频带；在天线辐射层上设置有一孔径为0.6mm的馈电点，用于焊接馈电探针，馈电点具体设置在距离天线辐射层中心的83mm处，天线辐射层3的外表面镀有厚度为2μm～10μm的锡层，以便焊接馈电探针；馈电探针垂直并内置于电介质层内，馈电探针5为长度为5mm、直径与馈电点的孔径相同的铜质探针，馈电探针5内端与天线辐射层3的馈电点连接、另一端与从外向内穿过所述开关柜壁通孔的BNC电缆接头4的中心铜线连接；BNC电缆接头4的外壳与开关柜电连接；

所述的手持式检测设备带有BNC电缆接头，同轴电缆连接特高频传感器的BNC电缆接头与手持式检测设备的BNC电缆接头，从而实现两个子系统的连接；

所述的手持式检测设备包括一DSP芯片，所述的DSP芯片经第一I/O接口与一数据采集模块相连接，所述的数据采集模块与一信号处理模块连接，所述的信号处理模块与BNC电缆接头连接并接收从同轴电缆传来的信号，信号处理模块实现在数据采集之前对传感器检测到的电压信号进行的放大滤波处理，电压信号经过放大滤波处理后在由数据采集模块进行数据的采集，数据采集卡具有较高的采样频率，既能以较低的采样频率(50MH-100MHz)对整个工频的局部放电信号进行采集，也能以较高的采样频率(5GHz-10GHz)对单次放电信号进行采集，并将采集的到信号通过DSP芯片的第一I/O接口送到DSP芯片进行最后的数据处理；

所述的DSP芯片经第二I/O接口与一工频信号获取模块相连接，所述的工频信号获取模块由光电传感器、A/D采集器依次连接而成，所述的A/D采集器经第二I/O接口与DSP芯片相连接，通过光电传感器检测将现场照明灯的光信号转换为工频电压信号，并经过A/D采集器之后送到DSP芯片，并由DSP芯片提取工频信号，作为局部放电的相位参考信号。

所述的DSP芯片经第三I/O接口与一信息显示模块相连接；所述的信息显示模块采用LCD显示屏，能够对检测到的局部放电相关信息进行显示，不同功能键下显示不同信息，如按下“工频”按键，将显示包括放电最大幅值，工频周期放电波形、放电类型以及局部放电严重程度。

所述的DSP芯片经第四I/O接口与一数据储存模块相连接，所述的数据储存模块为1024M的flash闪存，数据储存模块实现对原始信号和处理后的数据进行保存，以便建立对应的数据库。

所述的DSP芯片经第五I/O接口与一按键控制模块相连接，所述的按键控制模块设有电源按键、初始化按键、设备信息录入按键、单次放点波形按键、工频周期波形按键、输入键盘、holdon按键以及存储按键，电源按键实现整个设备电源开断；初始化按键实现每次开机是对各个设置进行初始化；设备信息录入按键实现信号获取前对当前被测开关柜的相关信息进入录入，以便建立一对一的数据库；单次放电波形按键实现对单次局部放电信号波形及其频谱波形进行获取并显示；工频周期波形按键实现对工频周期内局部放电信号波形以及工频参考信号进行获取并显示；holdon按键可使当前显示的波形静止，以便查看；存储按键可实现对当前显示界面数据进行保存。

所述的DSP芯片经第六I/O接口与一接口扩展模块相连接，所述的接口扩展模块为USB2.0接口，接口扩展模块主要实现当检测人员需要对检测数据及结果进一步分析存档时，可由该接口将检测数据的导出。

在本实用新型中，DSP芯片作为整个手持设备的控制芯片，相较于单片机而言，DSP芯片是专做数字信号处理的芯片，运行速度快，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法，快速将数据采集卡采集到的局部放电信号进行实时数据处理，包括对单次放电信号的FFT频谱分析，本实用新型创新性的加入了工频获取模块，能够从现场照明信号中提取出工频信号，作为局部放电的相位参考，实现了对发生局部放电的相位进行分析，利于局部放电类型的识别。此外，也由DSP芯片完成各个子模块的管理协调运行。

本实用新型包含特高频传感器和手持式检测设备，特高频传感器以开关柜柜壳作为特高频天线的信号参考地，贴附在开关柜柜内壁上，能够实时监测开关柜内部局部放电产生的特高频信号，具有安装方便、抗干扰能力强，频带宽，增益大，方向性好等特点；手持式检测设备用于巡检人员测检由传感器检测到的局放信号，该设备能够与传感器实现良好的信号匹配，能够实现局部放电信号的读取存储以及分析处理，并给出局部放电的类型与严重程度。

如图4、5所示，特高频传感器的第一个谐振点在400MHz-800MHz之间，谐振点的频率为690MHz，频率带宽为420MHz-780MHz，有效的避开了开关柜周围低频电磁信号的干扰，并且有较好的频带宽度。在谐振点的驻波比为1.266，具有良好的增益。此外，在1GHz-2.5GHz之间该传感器存在有多个谐振点，由于局部放电信号的频率范围在300MHz-3GHz之间，这些谐振点的存在从一定程度上扩大了对放电信号检测的范围。

Claims (10)

1.一种开关柜局部放电检测系统，其特征是：包括通过同轴电缆连接的手持式检测设备和内置于开关柜内的特高频传感器两个子系统；

所述的内置于开关柜内的特高频传感器包括天线辐射层、电介质层、馈电探针和BNC电缆接头，所述电介质层的一个表面直接贴附在所述开关柜内壁上以开关柜的柜壳作为特高频传感器的信号参考地，所述的天线辐射层铺设在电介质层的另一表面上，所述的馈电探针垂直并内置于电介质层内，其内端与天线辐射层连接、另一端与从外向内穿过所述开关柜壁通孔的BNC电缆接头内芯相连接，BNC电缆接头的外壳与开关柜电连接；所述的手持式检测设备带有BNC电缆接头，同轴电缆连接特高频传感器的BNC电缆接头与手持式检测设备的BNC电缆接头，从而实现两个子系统的连接；

所述的手持式检测设备包括一DSP芯片，所述的DSP芯片经第一I/O接口与一数据采集模块相连接，所述的数据采集模块与一信号处理模块连接，所述的信号处理模块与BNC电缆接头连接并接收从同轴电缆传来的信号；

所述的DSP芯片经第二I/O接口与一工频信号获取模块相连接。

2.根据权利要求1所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的电介质层为相对介电常数为2.5～6.0的环氧树脂。

3.根据权利要求2所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述天线辐射层为厚度为10μm～120μm的铜或铝，天线辐射层的形状为Koch雪花，在天线辐射层上设置有一孔径为0.5mm～1.5mm的馈电点，所述馈电探针的内端与馈电点焊接。

4.根据权利要求3所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述天线辐射层的外表面镀有厚度为2μm～10μm的锡层以便焊接馈电探针。

5.根据权利要求4所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的馈电探针为长度为1.5mm～10mm、直径与馈电点的孔径相同的铜质或铝质探针。

6.根据权利要求5所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的电介质层贴附在开关柜内壁的具体方式为：所述电介质层的四个角设置有四个通孔、对应的开关柜位置上分别设置有四个螺孔，然后用螺栓将电介质层固定在开关柜上或者利用粘胶将所述电介质层粘在开关柜内壁上。

7.根据权利要求1所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的工频信号获取模块由光电传感器、A/D采集器依次连接而成，所述的A/D采集器经第二I/O接口与DSP芯片相连接。

8.根据权利要求7所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的DSP芯片经第三I/O接口与一信息显示模块相连接，所述的信息显示模块为LCD显示屏。

9.根据权利要求8所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的DSP芯片经第四I/O接口与一数据储存模块相连接，所述的数据储存模块为flash闪存。

10.根据权利要求9所述的开关柜局部放电检测系统，其特征是：所述的DSP芯片经第五I/O接口与一按键控制模块相连接，所述的按键控制模块设有电源按键、初始化按键、设备信息录入按键、单次放点波形按键、工频周期波形按键、输入键盘、holdon按键以及存储按键；所述的DSP芯片经第六I/O接口与一接口扩展模块相连接，所述的接口扩展模块为USB2.0接口。