CN104583786A - 电磁波识别方法和识别装置 - Google Patents

Abstract

具备：检测部，检测来自检测电磁波的天线的规定电平以上的电磁波信号；测定与记录部，记录并保存所检测的电磁波波形数据；以及解析与评价部，输入所记录并保存的电磁波波形数据，使用以最大振幅值对该电磁波波形数据进行标准化后的标准化数据来评价接收电磁波是否为直达波。解析与评价部通过根据标准化数据的振幅值的直方图求取峰度的值并且该峰度的值是否为规定的阈值以上来评价是否为直达波，或者通过根据标准化数据求取正态概率图并且规定的概率值处的标准化数据的值是规定的阈值以上还是以下来评价是否为直达波。

Description

电磁波识别方法和识别装置

技术领域

本发明涉及接收从放射源放射的电磁波并且识别该电磁波是否为直达波的电磁波识别方法和识别装置。

背景技术

对电力设备要求高的可靠性，寻求早期地检测电异常并评价该状态的技术。现在，在发生了电绝缘异常的情况下，检测来自由于该绝缘异常而发生的放电的放射电磁波，基于该检测波形信息来试验设备的异常有无、状态评价。特别地，将UHF带的电磁波作为对象的UHF法受到注目。

通常，在气体绝缘开闭装置（GIS）、气体绝缘送电线（GIL）等气体绝缘设备中，存在如下担忧：当中心高电压导体-金属接地箱间被暴露于高电场下并且在设备内部发生部分放电时，最终，中心导体-金属箱间的绝缘被破坏而引起绝缘破坏。于是，采用如下诊断手法：检测在作为绝缘破坏的前驱现象的部分放电的阶段在气体绝缘设备内部传播来的电磁波信号，判定是否为部分放电信号，由此，事前地弄清绝缘异常。提出了各种手法来作为该部分放电信号的检测手法，作为其中一种，UHF（Ultra High Frequency：超高频）法对于绝缘诊断的高可靠度化被视为最有用。UHF法是主要对UHF频带（300MHz~3GHz）的高频率电磁波使用在该频带具有灵敏度的天线来进行检测的手法。

放电起因的电磁波发生源的定位通过求取离放电源的位置坐标、天线的距离来进行（参考专利文献1、专利文献2）。专利文献1公开了能够求取来自电磁波发生源的电磁波的到达角的无线电干涉仪***。该无线电干涉仪***在电磁波源处于水平面内时通过2个天线来求取到达角，此外，进而在需要方位角、仰角的情况或者需要求取位置坐标的情况下，使用多组天线对。即，为了求取三维的发生源的坐标、离天线的距离，而配置3个以上天线并基于到达这些天线的时间差来进行（点定位）。

在发生源和检测传感器间存在构造物的情况下，例如，即使在构造物的背面发生了UHF带的电磁波，也能够利用衍射现象来检测UHF带的放射电磁波。但是，衍射波由于受到由构造物造成的衍射、散射的影响，所以形状与原来的波形不同。因此，存在当基于衍射波来评价放电的发生位置、状态时不能正确地评价的问题。因而，区别衍射波和直达波是重要的，期望知晓、明白检测波形是衍射波还是直达波。知晓对衍射波和直达波的哪一个的波形应用诊断技术能够有助于诊断精度的提高、诊断结果的可靠性提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4015384号公报；

专利文献2：日本特开2011-53055号公报。

非专利文献

非专利文献1：埋金　寿壮、芝田　拓樹、大塚　信也：放電/誘電·絶縁材料/高電圧合同研究会、ED-12-025、DEI-12-0367、HV-12-025（2012）。

发明内容

发明要解决的课题

本发明以区别检测电磁波是否为直达波并进行检测为目的。进而，以如下为目的：通过将像这样选别并检测直达波的技术应用于根据检测电磁波来评价设备的异常状态的全部的诊断装置或确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化装置来提高评价的可靠性。

用于解决课题的方案

接收从放射源放射的电磁波并且识别该电磁波是否为直达波的本发明的电磁波识别方法检测规定电平以上的电磁波信号；记录、保存该检测到的电磁波波形数据；并且输入该记录、保存的电磁波波形数据，使用以最大振幅值对该电磁波波形数据进行标准化后的标准化数据来评价接收电磁波是否为直达波。是否为直达波的评价通过根据标准化数据的振幅值的直方图求取峰度的值并且该峰度的值是否为规定的阈值以上来进行，或者通过根据标准化数据求取正态概率图并且规定的概率值处的标准化数据的值是规定的阈值以上还是以下或规定的标准化数据的值处的概率值为规定的概率值以上还是以下来进行。

此外，本发明的电磁波识别装置具备：天线，检测电磁波；检测部，检测来自该天线的规定电平以上的电磁波信号；测定与记录部，记录、保存在所述检测部中检测到的电磁波波形数据；以及解析与评价部，输入在该测定与记录部中记录、保存的电磁波波形数据，使用以最大振幅值对该电磁波波形数据进行标准化后的标准化数据来评价接收电磁波是否为直达波。解析与评价部通过根据标准化数据的振幅值的直方图求取峰度的值并且该峰度的值是否为规定的阈值以上来评价是否为直达波，或者通过根据标准化数据求取正态概率图并且规定的概率值处的标准化数据的值是规定的阈值以上还是以下或规定的标准化数据的值处的概率值为规定的概率值以上还是以下来评价是否为直达波。

解析与评价部基于评价是否为直达波的结果来进行根据检测电磁波评价并诊断设备的异常状态的异常状态诊断或者确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化。此外，将在解析与评价部中评价是否为直达波的结果输出到根据检测电磁波评价并诊断设备的异常状态的异常状态诊断装置或者确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化装置。

解析与评价部识别接收电磁波是直达波还是衍射波。放射源是作为在高电压电力设备中作为绝缘破坏的前驱现象而发生的电绝缘异常处的部分放电发生源、或者是气体中电晕放电、或者是人体、电气电子设备中的静电放电（ESD）。

发明效果

根据本发明，能够区别来自放射源的检测电磁波波形是否为直达波。更具体而言，检测发动了触发的振幅值以上的电磁波，处理该检测到的电磁波波形并进行评价，由此，能够判断（区别）是否为直达波。由此，对根据检测电磁波来评价设备的异常状态的全部的装置，通过选别直达波并进行评价来提高其可靠性。

此外，在应用于确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化装置的情况下，检测到衍射波的情况不能够正确地评价位置定位的可能性高，但是通过使用本发明的区别检测电磁波波形是否为直达波的技术，从而能够通过显示“利用衍射波的定位结果”来理解结果的错误的可能性。即，在电磁波可视化装置中，当可视化结果被显示于什么都没有的空间或者不太会发生的地方时，能够容易地理解该评价是错误的，另一方面，在不知晓为衍射波而进行定位而在会发生的地方错误地评价的情况下，通过将该定位结果显示为“利用衍射波的定位结果”，从而能够提醒结果的错误的可能性。

附图说明

图1是示出本发明的电磁波直达波和衍射波的识别装置的概略结构图。

图2是说明识别直达波和衍射波的方法的图。

图3是例示测定的电磁波波形的图，分别地，（A）示出了在能从接收天线看到的位置（P1）测定的电磁波波形，此外，（B）示出了在从接收天线看不到的位置（P5）测定的电磁波波形。

图4是例示对检测到的电磁波进行标准化的波形的图，分别地，（A）示出了在能从接收天线看到的位置（P1）测定的电磁波的标准化波形，此外，（B）示出了在从接收天线看不到的位置（P5）测定的电磁波的标准化波形。

图5是示出振幅的直方图的图，分别地，（A）是根据在能从接收天线看到的位置（P1）测定并标准化后的电磁波波形（参考图4（A））而作成的图，此外，（B）是根据在从接收天线看不到的位置（P5）测定并标准化后的电磁波波形（参考图4（B））而作成的图。

图6是示出GIS周边设备中的ESD枪的配置的图。

图7是示出将ESD枪配置于图6中的位置P1、P4、P5、P7时的测定电磁波波形的图。

图8是示出图7所示的测定电磁波的标准化波形的图。

图9（A）（B）是按每个测定地点显示了根据对用左右一对天线SLB、SRB分别测定的测定电磁波进行标准化并且直方图化后的振幅值直方图的分布而求取的峰度K的图表。

图10（A）（B）是按每个测定地点显示了根据对用左右一对天线SLB、SRB分别测定的测定电磁波进行标准化并且直方图化后的振幅值直方图的正态概率图的分布的图表。

图11是示出各ESD枪配置中的最大振幅值Vpp的天线距离L依赖性的图。

具体实施方式

以下，基于例示来说明本发明。图1是示出本发明的电磁波直达波和衍射波的识别装置的概略结构图。本发明能够应用于在例如气体绝缘开闭装置（GIS）、气体绝缘送电线（GIL）等气体绝缘设备中检测在作为绝缘破坏的前驱现象的部分放电的阶段在气体绝缘设备内部传播来的电磁波信号并且判定是否为部分放电信号的UHF法等。因此，图1的放射源是指例如在设备内部发生的部分放电从隔离物（spacer）、衬套（bushing）等的电磁波开口部漏泄到设备外部的电磁波成为发生源。但是，如后所述，实验将ESD枪用作放射源并且设置在能从天线看到的位置和设备的背后等看不到的位置等来进行。检测电磁波的天线为具有指向性的在UHF带具有灵敏度的例如喇叭天线。检测部和测定/记录部能够由示波器构成。在检测部中检测来自天线的触发电平以上的电磁波信号，在测定/记录部中记录、保存检测电磁波波形。

解析/评价部和显示部能够由个人计算机构成。将在测定/记录部中检测、记录的电磁波波形数据输入到解析/评价部，对波形数据1）以最大振幅值标准化，2）根据该数据的振幅值的直方图来求取峰度K，通过K的值是否为某一阈值以上来评价是否为直达波。或者3）根据上述1）的标准化数据来求取正态概率图，通过某一概率值处的数据的值是否为某一阈值以上（或者以下）来评价是否为直达波。再有，与此相反，也能够通过某一数据的值处的概率值是否为某一阈值以上（或者以下）来评价是否为直达波。显示部对评价的结果进行显示。

此外，能够将在解析/评价部中评价是否为直达波的结果输出到设备的异常状态诊断装置或电磁波可视化装置等外部装置。还能够对根据检测电磁波来评价并诊断设备的异常状态的任何的外部的诊断装置输出评价是否为直达波的结果。由此，在评价设备的异常状态的诊断装置中，通过选别直达波来进行评价，从而提高其可靠性。或者，能够将评价是否为直达波的结果输出到电磁波可视化装置来正确地评价确定电磁波发生源的发生地方的位置定位。或者，作为在外部的装置中进行设备的异常状态的诊断或电磁波可视化的代替，还能够在个人计算机内部的解析/评价部中进行。

本发明人们在能从接收天线直接看到的位置和看不到的位置配置作为放射源的ESD枪并反复进行电磁波测定实验（关于细节，参考后述的实施例1）的结果是，明白存在以下的不同。

1）当比较衍射波和直达波时，衍射波与直达波相比，信号强度降低。再有，在本说明书中，“直达波”用作意味着在能够直接望到的两个位置之间传播的电磁波的用语。

2）衍射波与直达波相比，波形振幅的持续时间较长。

于是，根据1），只要发生信号的强度平常为一定则能够基于检测信号的强度来区别衍射波和直达波，但是，由于一般放电信号不是一定的，所以在仅检测信号的强度的比较中，不能识别衍射波和直达波。于是，考虑1）和2），在以最大振幅值对信号进行标准化来评价其积分值的情况下，虽然有时也能够识别衍射波和直达波，但是由于传播路径的条件而不能看出显著的差异。

于是，进而，当比较衍射波和直达波的标准化波形时，明白两个波形都是以振幅值零的时间轴为线对称的正负振幅大致为对象的波形，并且相对于衍射波的振幅持续，直达波的振幅不持续而振幅值零附近的值较多。因此，本发明人们发现识别直达波和衍射波的评价指标。

图2是说明识别直达波和衍射波的方法的图。最初，在步骤S1测定电磁波。图3是例示测定的电磁波波形的图，分别地，（A）示出了在能从接收天线看到的位置（P1）测定的电磁波波形，此外，（B）示出了在从接收天线看不到的位置（P5）测定的电磁波波形。用波形测定装置（例如，示波器等波形观测装置）来检测并记录接收天线的输出。波形测定装置使用示波器那样的具有触发功能的测定器来重复地测定并检测超过其触发电平的信号，直到为规定的触发次数，并且记录该检测到的波形。

接下来，在图2所示的步骤S2，从测定电磁波波形读取Vp+max（在正方向上最大的振幅值，即正的值的最大值）和Vp-max（在负方向上最大的振幅值，即负的值的最小值）。在步骤S3，通过运算来求取作为最大振幅值的Vpp=|Vp+|+|Vp-|。接下来，在步骤S4，对某一测定时间（例如100ns期间）中的检测电磁波的振幅值Vpp进行标准化。即，使求取的最大振幅值Vpp=1，对检测电磁波的每一波形使用正方向峰值和负方向峰值来进行标准化。各峰值能够通过求取波形的最大值、最小值的一般的算法来求取。通过使用该算法来比较波形数据的各点，从而求取最大和最小值。各振幅值的个数能够根据标准化的波形数据通过图形软件、统计分析软件的一般的直方图功能来求取。

图4是例示对检测到的电磁波进行标准化后的波形的图，分别地，（A）示出了在能从接收天线看到的位置（P1）测定的电磁波的标准化波形，此外，（B）示出了在从接收天线看不到的位置（P5）测定的电磁波的标准化波形。当不进行标准化时，发生信号的大小由于放电现象、传播距离而不同，因此，通过绝对值的评价难以决定基准。基于该标准化波形的振幅值而在图2的步骤S5进行直方图化。

图5是示出振幅的直方图的图，分别地，（A）是根据在能从接收天线看到的位置（P1）测定并标准化后的电磁波波形（参考图4（A））而作成的图，（B）是根据在从接收天线看不到的位置（P5）测定并标准化后的电磁波波形（参考图4（B））而作成的图。以各波形的最大振幅值Vpp对测定电磁波波形进行标准化，用直方图来表示该标准化波形的各振幅值的发生频度。在各图中，横轴以振幅值零为中心地显示标准化波形数据的振幅值区间（在此，使1区间为0.01节距）。纵轴表示该振幅值区间的次数即数据的个数。

如图5所示，在能从接收天线看到的位置P1的直达波中，标准化振幅值为0附近的个数较多，但是在从接收天线看不到的位置P5的衍射波中，由于振幅持续，所以分布从标准化振幅值为0附近移动到其周围。即，明白直达波与衍射波相比，分布的峰度较高。能够通过在实际的变电所中实施衍射试验（参考后述的实施例1）来找出能够识别直达波和衍射波的利用峰度的评价基准。或者，作为该评价基准，能够代替利用峰度的评价而使用正态概率分布来进行评价。

1）利用峰度来评价

根据标准化振幅值直方图的分布依照统计量的“峰度K”进行区别。能够将许多数据分布在作为标准化振幅值零的直方图的中心即成尖峰的分布作为直达波来评价，将数据大致对称地分布在振幅值零的周围的分布即与直达波相比分布的尖峰小的分布作为衍射波来评价。即，当峰度K大时（例如K>10），能够评价为其检测波形为直达波。在其以下的情况下，能够评价为衍射波。

求取峰度的一般计算式如以下那样。如以下那样，通过变量xi来提供表示波形的各标准化振幅值的N个数据：（x1、x2、…、xN）的各标准化振幅值。S表示标准偏差。

峰度K通过以下数式来表示。

[数式1]

平均值

2）利用正态概率分布来评价

依照标准化振幅值的直方图的正态概率图的分布通过某一概率值处的标准化振幅数据的值的大小来进行区别（参考后述的图10）。即，例如，在概率值0.1%的值比-0.2小的情况下或者概率值99.9%的值比+0.2%大的情况下，能够评价为直达波。在其以外，能够评价为衍射波。正态概率分布能够使用例如图形软件（excel或KaleidaGraph）的正态概率图来求取。正态概率图是为了判定数据是否服从正态分布而使用的图，关于接近正态分布的数据大致分布在直线上。因而，相对于关于接近正态分布的衍射波大致示出直线上的分布，关于直达波由于与正态分布不同，所以能看到从直线的偏离。

实施例1

在屋外变电所的220kV的气体绝缘开闭装置（GIS）设备周边实施了证实本发明的实验。图6是示出GIS周边设备中的ESD枪的配置的图。在实验中，接收天线位置固定而使放射电磁波源（ESD枪）的位置变化。天线配置是一对右下天线SRB和左下天线SLB以及左上的天线SLT的3天线配置。如该图的那样，作为放射源的ESD枪在能从接收天线直接看到的位置（P1~P4）和看不到的位置（P5~P8）8处进行试验。

通过在成为对象的频率带具有灵敏度的天线（例如，在将UHF带作为对象的情况下，使用喇叭天线）、损失少的同轴电缆、以及能够如数字示波器（使用FastFrame（快帧）模式那样的分段存储器）那样检测记录波形的装置、能够如个人计算机那样解析、评价、显示该测定波形数据的解析/评价部、显示部来进行电磁波的测定。Fast Frame是装载于Tektronix公司制的示波器的功能的名称，其是仅对触发发动的瞬间的某一时间以高采样记录仅指定次数并且在触发不发动的期间不记录数据由此进行存储器的节约（以高采样进行长时间的测量）的技术。

在静电放电试验器（试验器本体：Noiseken, ESS-2002EX、ESD枪部：Noiseken，TC-815-R。以下，将该静电放电试验器称为ESD枪。）的ESD枪部尖端的放电电极附近，配置与接地端子连接的φ0.25mm的铝线，在该线与放电电极之间使间隙放电发生，由此，使电磁波发生。该ESD枪使用CR单元（C=330pF，R=2kΩ），充电电压Vc固定地使用正极性10kV。将UHF带作为测定对象，使用频率带750MHz~5GHz的喇叭天线（Schwarzbeck，BBHA9120A），经由同轴电缆连接于数字示波器（Tektronix，DP07254，2.5GHz，40GS/s），使用示波器的FastFrame模式（触发器事件N=40次）来测定放射电磁波。

图7是作为一个例子示出了将ESD枪配置于图6中的位置P1、P4、P5、P7时的测定电磁波波形的图。关于图中的右侧的波形，除了最上段的波形（P1）之外，在纵轴方向上扩大地图示。如图7所示，在作为放射源直接看不到的位置的P5、P7，也能够检测到电磁波波形。当与作为放电源能直接看到的位置的P1、P4相比时，该波形很大地不同。即，明白，电磁波振幅值（V）小而振幅持续时间长。这能考虑为作为衍射波传播来。因而，本结果示出了即使在设备背后发生的放电中，也能够由于衍射地传播而检测到放射电磁波。图8是示出图7所示的测定电磁波的标准化波形的图。在之后的直方图化中，使用图8所示的标准化波形（100ns左右的时间区域）。

图9（A）（B）是按每个测定地点显示了根据对用左右一对天线SLB、SRB分别测定的测定电磁波如上述那样标准化并且直方图化后的振幅值直方图的分布而求取的峰度K的图表。在（A）所示的天线SLB或者（B）所示的天线SRB的无论哪个中，均相对于能从接收天线直接看到的位置（P1~P4）（即，直达波）的测定结果的峰度K超过10而看不到的位置（P5~P8）（即，衍射波）的测定结果的峰度K为10不足。由此，当峰度K大时（例如K>10），能够评价其检测波形为直达波。在其以下的情况下，能够评价为衍射波。

图10（A）（B）是按每个测定地点显示了对用左右一对天线SLB、SRB分别测定的测定电磁波如上述那样进行标准化并且直方图化后的振幅值直方图的正态概率图的分布的图表。正态概率图是为了判定数据是否服从正态分布而使用的图，关于接近正态分布的衍射波大致示出直线上的分布，另一方面，关于直达波由于与正态分布不同，所以能看到从直线的偏离。在图10中，在横轴示出了概率（累积相对次数），在纵轴示出了数据的值（标准化振幅值）。概率（累积相对次数）是指包括于到该数据区间的次数（数据的个数）的合计除以数据的总数。能够依照振幅值直方图的正态概率图的分布通过某一概率值处的标准化振幅数据的值的大小来区别直达波和衍射波。即，在概率值0.1%的值比-0.2小的情况或者概率值99.9%的值比+0.2大的情况下，能够评价为直达波。在其以外，能够评价为衍射波。

图11是示出各ESD枪配置中的最大振幅值Vpp的天线距离L依赖性的图。根据之前的讨论，已知本测定装置中的直达电磁波的振幅值Vpp（V）的天线距离L（m）依赖性被表示为eq（1）：Vpp=1.16Vc/L（Vc为ESD枪的充电电压（kV）（参考非专利文献1）。根据该图，P1~P4的结果与作为直达波的特性很好地一致。另一方面，被认为衍射波的P5~P8的结果降低到直达波Vpp的1/5，是与直达波的特性曲线不同的特性。

以上，在本公开中仅作为例示详细地说明了若干个实施方式，但是，能够在不实质性地脱离本发明的新的教导和有利的效果的情况下对这些实施方式实现许多改变例。

Claims (8)

1.一种电磁波识别方法，接收从放射源放射的电磁波并且识别该电磁波是否为直达波，其中，所述方法包括：

检测规定电平以上的电磁波信号；

记录、保存该检测到的电磁波波形数据；以及

输入所述记录、保存的电磁波波形数据，使用以最大振幅值对该电磁波波形数据进行标准化后的标准化数据来评价接收电磁波是否为直达波，

该是否为直达波的评价通过根据所述标准化数据的振幅值的直方图求取峰度的值并且该峰度的值是否为规定的阈值以上来进行，或者通过根据所述标准化数据求取正态概率图并且规定的概率值处的标准化数据的值是规定的阈值以上还是以下或规定的标准化数据的值处的概率值为规定的概率值以上还是以下来进行。

2.根据权利要求1所述的电磁波识别方法，其中，基于所述评价是否为直达波的结果来进行根据检测电磁波评价并诊断设备的异常状态的异常状态诊断或者确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化。

3.根据权利要求1所述的电磁波识别方法，其中，通过所述评价是否为直达波来识别接收电磁波是直达波还是衍射波。

4.一种电磁波识别装置，接收从放射源放射的电磁波并且识别该电磁波是否为直达波，其中，所述装置具备：

天线，检测电磁波；

检测部，检测来自所述天线的规定电平以上的电磁波信号；

测定与记录部，记录、保存在所述检测部中检测到的电磁波波形数据；以及

解析与评价部，输入在所述测定与记录部中记录、保存的电磁波波形数据，使用以最大振幅值对该电磁波波形数据进行标准化后的标准化数据来评价接收电磁波是否为直达波，

所述解析与评价部通过根据所述标准化数据的振幅值的直方图求取峰度的值并且该峰度的值是否为规定的阈值以上来评价是否为直达波，或者通过根据所述标准化数据求取正态概率图并且规定的概率值处的标准化数据的值是规定的阈值以上还是以下或规定的标准化数据的值处的概率值为规定的概率值以上还是以下来评价是否为直达波。

5.根据权利要求4所述的电磁波识别装置，其中，所述解析与评价部基于评价是否为直达波的结果来进行根据检测电磁波评价并诊断设备的异常状态的异常状态诊断或者确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化。

6.根据权利要求4所述的电磁波识别装置，其中，将在所述解析与评价部中评价是否为直达波的结果输出到根据检测电磁波评价并诊断设备的异常状态的异常状态诊断装置或者确定电磁波发生源的发生地方的电磁波可视化装置。

7.根据权利要求4所述的电磁波识别装置，其中，所述解析与评价部识别接收电磁波是直达波还是衍射波。

8.根据权利要求4所述的电磁波识别装置，其中，所述放射源是作为在高电压电力设备中作为绝缘破坏的前驱现象而发生的电绝缘异常处的部分放电发生源、或者是气体中电晕放电、或者是人体、电气电子设备中的静电放电（ESD）。