CN205910298U - 一种超高频局部放电信号模拟源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高频局部放电信号模拟源装置，由于主要包括：控制单元、信号合成单元和发射天线，所述控制单元、信号合成单元和发射天线依次连接，所述信号合成单元包括高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、信号调制模块、脉冲重复率调节单元、放大模块和外接脉冲源接口，所述信号调制模块分别与高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、脉冲重复率调节单元、外接脉冲源接口和放大模块连接；从而可以克服现有技术中超高频放电信号存在放电参数不稳定和不易调节的难题，增强了测试的准确性和可靠性。

Description

一种超高频局部放电信号模拟源装置

技术领域

本实用新型涉及电力设备局部放电检测技术领域，具体地，涉及一种超高频局部放电信号模拟源装置。

背景技术

电力变压器、封闭式气体绝缘组合电器（GIS）等大型电气设备的绝缘可靠性会直接影响电力系统的安全稳定运行。从制造到投运过程中，设备内部会不可避免地产生绝缘缺陷，引发故障并可能发展扩大，严重威胁设备安全。检测设备局部放电（partialdischarge，PD）参量是诊断绝缘状况的有效手段之一，根据伴随PD发生的不同物理现象，国内外学者提出了脉冲电流法、超声波法、超高频（UHF）法、化学法等多种PD监测方法。其中，针对PD超高频电磁信号的UHF法是目前PD检测的主流方法。

超高频信号的频率范围为0.3-3GHz，高于电晕等主要现场干扰信号的频带，UHF法具有检测频带宽、抗干扰能力强、灵敏度高等优点。目前超高频信号放电量的标定及分析仍是该领域的重要研究内容，通过对UHF信号在时域、频域及相位特征等方面的分析，可以实现对PD严重程度、放电模式等方面的分析。超高频局部放电信号既是绝缘缺陷的电气特征，又是局部放电传感器及检测单元的监测对象。为验证局部放电传感器及检测单元的性能，尤其是分析传感器的灵敏度及频率特性，并进一步验证检测单元获取2维与3维谱图的准确性，需要稳定且具有多种放电模式的局部放电信号。目前，利用各类典型局放缺陷模型在外加高压作用下会产生局部放电是获取超高频局部放电信号的常见途径，然而局部放电特征参数会受到电源电压波动、电极型式、电极绝缘材料烧蚀、大气参数等因素的影响，难以获取在交流电压作用下周期性稳定输出的局部放电信号。因此，研究具有稳定放电特征参数且参数可调节的局部放电源对评估不同超高频传感器、检测单元性能具有重要的价值。

目前，模拟UHF PD信号的放电信号源可以分为以下2类。1）模拟法。通过研究电力设备的PD并统计归类，根据绝缘缺陷放电形式和特点构建人工PD物理模型。在外施电压下产生局部放电，不同模型产生不同类型的局部放电，其不足是信号的放电量和放电图谱会随放电过程变化，信号源不稳定并具有较大的分散性。2）脉冲法。构建电路产生ns级信号。按脉冲产生原理脉冲源可分为2类：①将能量较长时间地存储在储能系统中，通过高速开关迅速释放到阻性负载，形成前沿和脉宽很窄的脉冲。开关是此类脉冲源的关键，其类型决定脉冲源的指标。②利用高速数字电路的竞争冒险原理，合理组合门电路使经过不同路径的信号具有不同的时延和相位，再用解析器件产生陡脉冲。利用脉冲法产生单脉冲，该脉冲陡度高、稳定性强，但是放电频率和脉冲重复率不能调节，且无交流电压下局部放电相位关系，不能有效反应真实的局部放电特征。

在实现本实用新型的过程中，实用新型人发现现有技术中至少存在因此，现有的局部放电信号源输出信号特征参量不稳定且不易调节，或没有局部放电相位特征，不能很好地用于局部放电传感器、检测单元的校核和评估等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种超高频局部放电信号模拟源装置，以解决超高频放电信号存在放电参数不稳定和不易调节的难题，增强了测试的准确性和可靠性。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超高频局部放电信号模拟源装置，主要包括：控制单元、信号合成单元和发射天线，所述控制单元、信号合成单元和发射天线依次连接，所述信号合成单元包括高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、信号调制模块、脉冲重复率调节单元、放大模块和外接脉冲源接口，所述信号调制模块分别与高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、脉冲重复率调节单元、外接脉冲源接口和放大模块连接。

进一步地，所述控制单元为具有多路模拟输入、两路模拟输出和数字输入输出接口的USB-6211多功能模块。

进一步地，所述发射天线为宽频带全向发射天线，具体为离散化加工的盘锥天线，所述盘锥天线的带宽为0.3-1.5GHz。

进一步地，所述高频包络信号发生模块包括电压互感器、工频选择开关和过零比较器，220V交流电或220V交流电经电压互感器后的二次电压作为输入信号，经工频选择开关和过零比较器后将信号传输至控制单元。

进一步地，所述脉冲重复率调节单元包括ICL8038精密波形发生器，具体为电阻连接在ICL8038的4管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的5管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间，电阻连接在ICL8038的9管脚与电源正极性端之间，ICL8038的11管脚与电源负极性端连接，电容连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间。

进一步地，所述发射天线与信号合成单元的连接方式具体为，信号合成单元的调制模块通过50Ω同轴电缆与双锥天线连接，所述双锥天线相聚20cm与盘锥天线连接，所述盘锥天线通过电缆与示波器连接。

本实用新型各实施例的超高频局部放电信号模拟源装置，由于主要包括：控制单元、信号合成单元和发射天线，所述控制单元、信号合成单元和发射天线依次连接，所述信号合成单元包括高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、信号调制模块、脉冲重复率调节单元、放大模块和外接脉冲源接口，所述信号调制模块分别与高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、脉冲重复率调节单元、外接脉冲源接口和放大模块连接；从而可以克服现有技术中超高频放电信号存在放电参数不稳定和不易调节的难题，增强了测试的准确性和可靠性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置的超高频信号的产生原理图；

图2为本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置实施例中的结构框图；

图3为本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置实施例中的前面板整体框图；

图4为本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置实施例中的脉冲重复率调节单元电路图；

图5为本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置实施例中的天线发射测量单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

具体地，结合图2，一种超高频局部放电信号模拟源装置，主要包括：控制单元、信号合成单元和发射天线，所述控制单元、信号合成单元和发射天线依次连接，所述信号合成单元包括高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、信号调制模块、脉冲重复率调节单元、放大模块和外接脉冲源接口，所述信号调制模块分别与高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、脉冲重复率调节单元、外接脉冲源接口和放大模块连接。

所述控制单元为具有多路模拟输入、两路模拟输出和数字输入输出接口的USB-6211多功能模块。

所述发射天线为宽频带全向发射天线，具体为离散化加工的盘锥天线，所述盘锥天线的带宽为0.3-1.5GHz。

图2中，所述高频包络信号发生模块包括电压互感器、工频选择开关和过零比较器，220V交流电或220V交流电经电压互感器后的二次电压作为输入信号，经工频选择开关和过零比较器后将信号传输至控制单元。

结合图4，所述脉冲重复率调节单元包括ICL8038精密波形发生器，具体为电阻连接在ICL8038的4管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的5管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间，电阻连接在ICL8038的9管脚与电源正极性端之间，ICL8038的11管脚与电源负极性端连接，电容连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间。

结合图5，所述发射天线与信号合成单元的连接方式具体为，信号合成单元的调制模块通过50Ω同轴电缆与双锥天线连接，所述双锥天线相聚20cm与盘锥天线连接，所述盘锥天线通过电缆与示波器连接。

本实用新型提出了一种采用信号合成方式来模拟UHF PD信号的方法，并研制了局部放电模拟信号发生装置。该装置可通过获取多种真实局部放电信号建立谱图库，通过模拟信号发生装置产生可调节相位-放电量（）、（）谱图的超高频局部放电信号。通过真实的UHF PD信号的工频包络信号（谱图）并与各脉冲信号模块、高频信号模块输出的信号进行幅值调制，产生多路合成的局部放电信号。输出局部放电信号可以反映不同PD在工频相位区间内的时频分布特性，信号频率、脉冲重复率和输出功率可调，适用于对局部放电监测装置性能的检测和评估。

电力设备局部放电脉冲电流波形上升时间仅为几ns，甚至＜1ns，脉冲电流会激发出高频电磁波，其等效转移电荷量为数pC至上千pC，能量集中频段为0.3-1.5GHz。工频电压作用下，PD信号呈现出特定的工频分布规律。局部放电时间相关（time resolved partialdischarge, TRPD）与局部放电相位相关（phase resolved partial discharge, PRPD）模式是目前分析局部放电信号最主要的方法，TRPD模式分析信号波形的时域特征，PRPD模式分析相位区间的放电次数、放电幅值的特征，因此要求放电源信号同时具备PD的时域信息和相位信息。一种超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于采用了多路信号合成的方式模拟产生放电信号，用不同的单元模拟PD的不同特征，放电信号同时包含PD UHF信号的时频、相位特性，可有效反应局部放电特征。

局部放电的时域特征体现在信号的波形特征上，通过对局部放电信号波形进行分析，本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置采用2种方案实现对单次放电脉冲的模拟，即衰减振荡高频信号和单脉冲信号。单脉冲信号波形陡度更接近UHF信号，但其波形参数不易调节；衰减振荡高频信号由可调频单频信号与双指数函数包络信号的幅值调制而成，模拟单次放电的放电振荡波形。这2种时域信号各有优劣，由于单脉冲信号的时域波形不易改变，本实用新型一种超高频局部放电信号模拟源装置采用内部产生衰减振荡高频信号模拟局部放电信号的方案，对单脉冲信号预留了输入接口，可由外部输入单脉冲信号模拟局部放电波形，2种模式可切换工作。

局部放电信号的相位特性体现为放电的、谱图，它们分别表示为工频周期内放电幅值和放电次数的包络线，也常称为局部放电的“放电指纹”，是区分不同放电类型的重要特征。本实用新型通过典型电极模型实验获取这些放电类型的指纹图谱，即工频周期幅值包络线，并将作为多种放电类型数据库，放电类型数据库也可修改和补充现场获取真实局部放电数据。通过模拟信号源装置加载不同放电类型的包络线，即可模拟不同放电类型的相位谱图特征，也可用于验证不同局部放电检测装置谱图获取的准确性。

一种超高频局部放电信号模拟源装置主要分为控制单元1、信号合成单元2、宽频带全向发射天线3等三大部分。上位机控制单元由图形化编程软件labVIEW实现放电包络谱图、放电重复率、高频信号频率等控制；信号合成单元主要主要包括下位机控制单元4、高频正弦发生模块5、高频包络信号发生模块6、信号调制与放大模块7，外接脉冲源接口8等，可实现多种信号的幅值调制控制，最后通过天线发射电磁波信号。

所述的虚拟仪器可实现信号控制与信号发生功能。主控模块采用NI USB-6211多功能模块，具有多路模拟输入、两路模拟输出和数字输入输出接口，实现信号控制与传输。

结合图3，LabVIEW采用图形化编辑语言G编写程序，适合于控制系统的开发，软件编程包括前面板和后面板设计。首先根据功能需求编写程序框图，即后面板设计，再设计相应的前面板，便于控制。主要功能包括：①输出模拟电压控制高频正弦发生模块的信号频率及脉冲重复率调节单元的方波频率；②选取不同放电类型的工频包络信号输出。

所述的工频包络信号选取实测的UHF PD信号，经数学处理得到各类PD的典型工频包络线，以数组的形式存放于放电类型数据库中，并由程序调用后由NI USBx6211模拟端口输出。交流电压作用下，局部放电的谱图具有周期重复性，其重复频率与工频频率相同。本实用新型采用220V交流电或变电站电压互感器（TV）二次电压作为工频触发单元输入信号，单元在电压正过零点输出上升沿信号，重复调用放电包络信号，则局部放电模拟信号源可持续输出具有工频相位特征的模拟局部放电信号。

所述的衰减振荡高频信号可实现对单次放电脉冲的模拟，其由可调频单频信号与双指数函数包络信号在信号调制模块内进行幅值调制产生。其中，可调频单频信号由高频正弦发生模块产生，信号频率在0.3-1.5GHz之间平滑调节，可模拟不同等效频率的超高频信号。双指数函数包络信号由高频包络信号模块产生，本模块采用RC一阶电路。直流电源V经过充电电阻对电容C通电，通过高速开关S的通断实现对负载的放电，在两端形成双指数函数包络信号。选取参数合适的电阻、电容，保证电容在开关导通前充分充电。将阻性负载上形成的双指数包络信号与可调频单频信号进行一次调制，得到衰减振荡高频信号，用来模拟单次局部放电的放电振荡波形。

所述的ICL8038精密波形发生器作为脉冲重复率调节单元，其外围电路为上拉电阻，为输出正弦波的调节电阻，与为占空比调节电阻，为保证输出脉冲信号占空比为50%，先调节，再配合外接振荡电容控制输出方波的频率范围。扫描电压由USB-6211模块输出，通过改变的幅值大小可控制输出方波的频率变化，使之在3.5-100kHz内可调。

工频包络信号与衰减振荡高频信号在信号调制模块进行二次幅值调制，从而得到包含工频相位信息及高频振荡波形的模拟放电信号。经滤波、放大后，输出信号功率可达25dB，并由发射天线辐射。局部放电超高频电磁波向外辐射具有全向性，为有效模拟信号源信号发射，并尽可能接近PD电磁波传播过程，本实用新型选用实验室设计的离散化加工的盘锥天线，天线的带宽为0.3-1.5GHz。

至少可以达到以下有益效果：满足了超高频局部放电传感器及检测系统性能，针对超高频检测技术面临的一些技术问题，解决了超高频放电信号存在放电参数不稳定和不易调节的难题，增强了测试的准确性和可靠性。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，包括控制单元、信号合成单元和发射天线，所述控制单元、信号合成单元和发射天线依次连接，所述信号合成单元包括高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、信号调制模块、脉冲重复率调节单元、放大模块和外接脉冲源接口，所述信号调制模块分别与高频正弦发生模块、高频包络信号发生模块、脉冲重复率调节单元、外接脉冲源接口和放大模块连接。

2.根据权利要求1所述的超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，所述控制单元为具有多路模拟输入、两路模拟输出和数字输入输出接口的USB-6211多功能模块。

3.根据权利要求2所述的超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，所述发射天线为宽频带全向发射天线，具体为离散化加工的盘锥天线，所述盘锥天线的带宽为0.3-1.5GHz。

4.根据权利要求3所述的超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，所述高频包络信号发生模块包括电压互感器、工频选择开关和过零比较器，220V交流电或220V交流电经电压互感器后的二次电压作为输入信号，经工频选择开关和过零比较器后将信号传输至控制单元。

5.根据权利要求4所述的超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，所述脉冲重复率调节单元包括ICL8038精密波形发生器，具体为电阻连接在ICL8038的4管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的5管脚与电源正极性端之间，电阻连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间，电阻连接在ICL8038的9管脚与电源正极性端之间，ICL8038的11管脚与电源负极性端连接，电容连接在ICL8038的12管脚与电源负极性端之间。

6.根据权利要求5所述的超高频局部放电信号模拟源装置，其特征在于，所述发射天线与信号合成单元的连接方式具体为，信号合成单元的调制模块通过50Ω同轴电缆与双锥天线连接，所述双锥天线相聚20cm与盘锥天线连接，所述盘锥天线通过电缆与示波器连接。