CN208283506U - 分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电监测领域，具体涉及一种针对于气体绝缘组合电器经局部放电所产生超高频信号的分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统。包括超高频信号传感器，前级自适应滤波放大器，还包括多路开关，比较器，D/A转换器以及FPGA等部件。其中，超高频信号传感器与前级自适应滤波放大器和多路开关之间顺次连接。FPGA在触发电平下向滤波放大器和多路开关分别输送控制信号，传递的信号通过比较器和FPGA给定输出值的D/A转换器实现采集，存储在FPGA中并通过以太网通信送出。克服了现有设备只能针对单一监测点，无法实现多监测点进行整体监测的缺陷。

Description

分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统

技术领域

本实用新型属于气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电监测领域，具体涉及一种针对于气体绝缘组合电器经局部放电所产生超高频信号的分布式智能监测装置。

背景技术

气体绝缘变电站(GIS)是一类利用封闭气体(SF₆)环境实现电气绝缘的变电站，区别于敞开式变电站，其包含的大部分电气设备都被封装在密闭管道中，从外部看不到里面的具体构造和运行情况。作为电网安全稳定运行的重要组成部分，GIS相比敞开式变电站具有占地面积小、开断性能好、运行可靠以及安装使用便捷等优点，受到了广泛的使用。但是实际使用中，GIS内部常有发生局部放电的情况，这些故障主要是由于GIS出厂时留下的毛刺，或者安装过程中产生的金属颗粒物以及其他原因导致的缺陷造成的，由于其采用封闭式安装的特点，这些局部放电往往难以察觉，在电场等因素的干预下将逐渐扩大和延伸，使得故障处的绝缘水平大大降低，成为电网安全稳定运行的隐患，严重时甚至可能造成设备的损毁和电网的崩溃。因此对于GIS内局部放电的监测就显得尤为重要。

超高频(UHF)法是一种监测GIS内部局部放电水平的有效方法，它通过分析绝缘隐患处传播出来的电磁波信号来判断绝缘处是否存在局部放电现象，可以实现非接触测量和在线监测。UHF法测量的电磁波频率范围是300MHz～3GHz，通过此信号的强弱及时间特性可以帮助确定绝缘处的局部放电缺陷类型和严重程度。而超高频法的灵敏度和分析结果的可靠性必须依赖于高精度的传感器测量单元，因此设计出精度高的超高频信号监测单元在超高频法的使用中就显得十分重要。

国内电力系统的很多机构都已经配备了UHF法的监测设备，但在其使用过程中时常有监测装置长期采集不到信号的状况，这时便难以对GIS的局部放电水平给出很好的评估；此外，由于GIS的有较多处绝缘隐患需要实时监测，而现有的很多检测单元不能实现多放电监测点的整体监测，从而造成监测装置的浪费，因此就需要一种分布式高精度的超高频监测单元的出现，来解决现有的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于设计一个分布式的气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测单元，能够对于实际GIS存在多处待监测放电绝缘的问题给出整体监测，且与此同时具备较高的精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统，其特征在于，包括UHF传感器，前级自适应滤波放大器，比较器，D/A转换器以及FPGA，其中，UHF传感器与多路开关以及前级自适应滤波放大器和多路开关之间依次连接；FPGA在触发电平下向滤波放大器和多路开关分别输送控制信号，传递的信号通过比较器和FPGA给定输出值的D/A转换器实现采集，存储在FPGA的存储模块并通过以太网通信送出。

在上述的一种分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统，所述前级自适应滤波放大器包括型号为ERA-3的放大器，所述放大器输出端通过电容C3与半分布参数带通滤波器的输入端连接；电阻Rc与电容C1并联后与电感L串联再通过电容C3与半分布参数带通滤波器的输入端连接；经过多路开关的信号经电容C2后与放大器的输入端连接。。

本实用新型在信号采集前，将气体绝缘设备典型绝缘缺陷类型对应的超高频信号谱图特征预存到设计装置的存储模块中，在利用设计装置进行在线监测的时候，如果选用装置内部输出的50Hz信号进行触发的话，通过初步采集放电信号，生成放电类型的谱图，通过对比生成谱图和预存谱图，确定放电类型，并根据谱图类型对应的放电相位特征调整内部触发信号，使其与电网系统电压的相位一致，解决由于电网频率波动引起的累计误差问题。采集数据时，将工频周期进行相位划分，比较并统计多个工频周期内每个相位区间里的放电信号特征，在此基础上得到缺陷处在工频电压下放电的相位和幅值特征。实现了对多个放电监测点的超高频信号的的整体监测，并且通过创新的采集方法给出精确的放电特征。

FPGA采用工频触发，有三种触发方式：①FPGA内部输出50Hz的方波信号；②通过FPGA采集日光灯发出的光信号；③外部触发信号，例如由电压互感器输出的电力系统电压信号。这三种方式各有优缺点，第一种方式在现场没有日光灯和不方便输入外部触发信号时可以解决触发问题，但是由于电力系统的频率并不是一个稳定的数值，所以长时间使用第一种方式触发会会产生较大的累计相位偏差，导致装置所测的放电脉冲谱图出现整个相位(360°)内都有放电脉冲出现；第二种相对第一种触发方式更准确些，可以在现场不方便输入外部触发信号时使用，但要求现场一定要有日光灯，且装置放在日光灯照射的范围内；第三种方式是最准确的，但是需要从现场取信号，操作比较麻烦。

本实用新型的有益效果：克服了现有设备只能针对单一监测点，无法实现多监测点进行整体监测的缺陷；在信号采集环节，将工频周期进行相位划分，比较并统计多个工频周期内每个相位区间里的放电信号特征，在此基础上得到缺陷处在工频电压下放电的相位和幅值特征；并且，在FPGA采用第一种触发方式，即FPGA内部输出50Hz方波信号作为触发信号时，电力系统频率波动会在一定时间内带来累计误差，但是由于GIS内部的典型绝缘缺陷在放电过程中都有属于自己的固定谱图特征，即属于不同缺陷放电类型的谱图信息是不同的，所以在第一种触发方式在未造成大幅度相位偏差之前，通过谱图特征来识别放电类型，并根据不同缺陷类型对应的谱图特征来校准调整内部触发信号的相位信息，则能解决内部触发脉冲在长时间使用过程中造成相位大幅度偏差的问题，这一环节的实现要求预先将每种缺陷形式的谱图特征存放到存储单元里供实测信号进行匹配。配合分布式的测量方法，本实用新型能够对多个放电监测点的超高频信号实现整体的监测，并且给出精确的放电特征。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的电路原理框图(图中，控制单元是FPGA，前级自适应滤波放大器包括滤波和放大)。

图2为本实用新型设计的滤波放大器的电路原理图。

图3为本实用新型设计的一个实施例的多路开关的电路原理图。

图4为本实用新型一个实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实施例采用以下技术方案：一种超高频信号采集装置，包括UHF传感器，前级自适应滤波放大器；还包括多路开关，比较器，D/A转换器以及FPGA等部件。其中，UHF传感器与前级自适应滤波放大器和多路开关之间顺次连接，FPGA向滤波放大器和多路开关分别输送控制信号，多路开关传递的信号通过比较器和FPGA给定输出值的D/A转换器实现采集，存储在FPGA的存储模块并通过以太网通信送出。

更进一步地，多路开关在FPGA的控制信号下对多路传感器信号进行循环采集；比较器与D/A转换器相互配合对局部放电信号的相位和幅值特征进行记录。

本实用新型涉及的分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统主要包括以下部分：UHF信号传感器、前级自适应放大滤波器、多路开关、比较器、D/A转换器和FPGA等，下面结合附图对前级自适应放大滤波器和多路开关进行详细描述。

如图二所示，本实用新型涉及的前级自适应放大滤波器由滤波器和放大器两部分串联组成，设计的滤波器通带频率为300MHz～1GHz，滤波器分数带宽>1，属于宽带微波滤波器范围。设计的微带滤波器参数如下：通带范围300MHz～1GHz，衰减小于0.1dB；阻带范围为<150MHz或>1350MHz，衰减大于40dB；端口阻抗特性为50Ω；通带驻波比<1.5。。放大器部分使用了单电源供电的ERA-3低噪声高增益耦合集成放大器，电容器C₁与电感L以及电阻R_c起去耦和滤波作用，电容器C₂起对输入信号的隔直作用，后接上述的微带线分布参数滤波器，形成JBF-1000型微带线滤波放大器。整个电路设有过压、静电等保护。

如图三所示，本实用新型涉及的多路开关在GIS设备的8个位置安装相应的传感器，故设计图三所示的超高频三选一多路开关，利用FPGA提供的三位驱动信号，每次选中一条信号源，实现对GIS上多个位置信号的循环采集。

利用本实用新型设计的分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统对GIS内部多处局部放电源进行整体监测包括以下步骤：首先由安装在GIS外部的UHF信号传感器获取局部放电信号，并传递到多路开关，在FPGA的控制信号下多路开关依次循环联通，每次连通时将通路所对应放电源产生的局部放电信号送到前级自适应放大滤波单元，对微弱的超高频放电信号进行自适应放大，并且滤除外界噪声，从而增加信号的信噪比，提升装置的监测灵敏度；之后将信号通过比较器，比较器的参考信号由FPGA输出的数字量经过D/A转换器转化成模拟量给出，使用时将一个工频周期等分为64个相位区间，在FPGA每个工频触发周期内，比较器可以将每个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平比较，FPGA则记录每个相位区间内大于比较电平的脉冲幅值个数，此数据输出后用于分析放电信号的相位特征；此外，FPGA通过给出自动增加且级差不变的比较电平，可以从比较器处获取局部放电脉冲的最大电压幅值，并且结合存储的脉冲个数得到平均放电脉冲电压幅值。至此，分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频检测单元完成信号采集到量化分析的过程。

具体实现步骤如图四所示：

1)放电谱图存储：在离线情况下，将气体绝缘设备典型绝缘缺陷类型在不同放电强度下的谱图特征预存到装置数据存储模块中。

2)脉冲采集：UHF传感器安装在待测电气设备的腔体外，采集其内部发生的局部放电脉冲，并传送到前级自适应放大滤波器，通过放大滤波环节消去噪声，对放电信号实现自适应放大，之后信号输入比较器中。

3)参数设定：工控机设定检测参数，同时给出触发信号开始采集工作。需要设定的参数有比较电平输入、相位区间划分个数、扫描工频周期数、信号放大倍数以及扫描采集单元选择。同时本实用新型专利给出了在FPGA的第一种触发方式下的一种相位校准方法，由于电网频率的波动，第一种触发方式在长时间内会累计相位误差，本实用新型提出在未造成大幅度相位偏差之前，通过谱图特征来识别放电类型，并根据不同缺陷类型对应的谱图特征来校准调整内部触发信号的相位信息的手段，从而能解决内部触发脉冲在长时间使用过程中造成相位大幅度偏差的问题，这一环节的实现要求预先将每种缺陷形式的谱图特征存放到存储单元里供实测信号进行匹配。

3)比较电平输入：FPGA将确定的比较电平通过D/A转换器转换成模拟信号提供给比较器单元。

4)脉冲比较并存储：将工频周期等量划分为64个相位区间，在FPGA中给每个区间分配存储地址，这样，在FPGA的每个工频参考相位触发周期内，比较器将每一个相位区间的局部放电脉冲幅值与比较电平进行大小比较，根据比较的结果，FPGA将幅值大于比较电平的局部放电脉冲的个数记录在每个相位区间对应的存储地址里，参与比较的工频周期数目达到设定值时，将会停止比较，此时将存储单元中的所有统计数值输出，清零。

5)变值比较并存储：变值比较是指比较电平保持级差不变，自动增加，并且在比较器中将重复进行局部放电信号与比较电平的大小比较，直至一个没有大于该比较电平的放电脉冲存在为止，将此时的比较电平作为局部放电脉冲的最大电压幅值，并且依据存储的放电脉冲个数还可以判断出平均放电脉冲电压幅值，为保证最大电压复制的精准度，通过逐渐减小变值比较时采用的极差，重复进行脉冲比较并存储的操作，这样逐次逼近，令所测的比较电平取值尽可能近似于局部放电脉冲的最大电压幅值。

6)将所测的相位特征和幅值特征，通过以太网通信，传送到监控主机，完成检测任务。

本实用新型所包含的FPGA的工频触发方式有三种：①FPGA内部输出50Hz方波信号；②通过FPGA采集日光灯发出的光信号；③外部触发信号，例如由电压互感器输出的电力系统50Hz电压信号。这三种方式各有优缺点，第一种方式在现场没有日光灯和不方便输入外部触发信号时可以解决50Hz触发问题，但是由于电力系统的频率并不是一个稳定的50Hz信号，所以长时间使用第一种方式触发会会产生较大的累计相位偏差，导致装置所测的放电脉冲谱图出现整个相位(360°)内都有放电脉冲出现；第二种相对第一种触发方式更准确些，可以在现场不方便输入外部触发信号时使用，但要求现场一定要有日光灯，且装置放在日光灯照射的范围内；第三种方式是最准确的，但是需要从现场取信号，操作略显繁琐。

本实用新型涉及的分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统对GIS内部多处局部放电源进行整体监测的原理：首先将UHF传感器接受到的多处局部放电信号，传递到多路开关，多路开关每次连通时将所连通路对应放电源产生的局部放电信号送到前级自适应放大滤波单元，对微弱的超高频放电信号进行自适应放大，和滤除噪声的处理；之后将信号通过比较器，比较器的参考信号由FPGA输出的数字量经过D/A转换器转化成模拟量给出，使用时将一个工频周期等分为64个相位区间，在FPGA每个工频触发周期内，比较器可以将每个相位区间内的局部放电脉冲幅值与比较电平比较，FPGA则记录每个相位区间内大于比较电平的脉冲幅值个数，此数据输出后用于分析放电信号的相位特征；此外，FPGA通过给出自动增加且级差不变的比较电平，可以从比较器处获取局部放电脉冲的最大电压幅值，并且结合存储的脉冲个数得到平均放电脉冲电压幅值。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统，其特征在于，包括UHF传感器，前级自适应滤波放大器，比较器，D/A转换器以及FPGA，其中，UHF传感器与多路开关以及前级自适应滤波放大器和多路开关之间依次连接；FPGA在触发电平下向滤波放大器和多路开关分别输送控制信号，传递的信号通过比较器和FPGA给定输出值的D/A转换器实现采集，存储在FPGA的存储模块并通过以太网通信送出。

2.根据权利要求1所述的一种分布式气体绝缘组合电器局部放电超高频智能监测系统，其特征在于，所述前级自适应滤波放大器包括型号为ERA-3的放大器，所述放大器输出端通过电容C3与半分布参数带通滤波器的输入端连接；电阻Rc与电容C1并联后与电感L串联再通过电容C3与半分布参数带通滤波器的输入端连接；经过多路开关的信号经电容C2后与放大器的输入端连接。