CN105606970A - 一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测*** - Google Patents

Abstract

本发明属于电力设备局部放电在线监测领域，特别涉及一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***。本发明电路包括信号采集单元、信号处理单元、以及显控单元，通过在信号采集单元的外部罩设有用于滤除外界干扰信号的空间滤波罩，使信号采集单元免受外界的电磁干扰和噪声的影响，极大地提高了监测的灵敏度；所述空间滤波罩的频率选择表面滤波结构的频率选择范围为300MHz～3GHz，能够有效降低非工作频段的信号干扰；通过调整频率选择表面层的层数以及金属单元的尺寸大小，便于随时调整频率的选择范围，可以广泛应用到电磁波的各个频段中。

Description

一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***

技术领域

本发明属于电力设备局部放电在线监测领域，特别涉及一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***。

背景技术

电力设备的安全稳定运行对于电力***的安全性和可靠性尤为关键，绝缘故障是电力设备运行中的主要故障，绝大多数的电力设备绝缘故障是由局部放电引起，长期的局部放电使电力设备发生绝缘劣化，发展至一定程度后会在短时间内引起设备的绝缘击穿或闪络，从而导致设备短路，引发电网停电的恶性事故，造成巨大直接和间接损失，因此，对局部放电在线监测，及时掌握电力设备运行绝缘状态，对保证电力设备的安全运行具有重要的现实意义。

电力设备使用现场情况复杂，存在大量干扰信号，如背景噪声、电晕脉冲、其他设备内部的放电、无线电波、载波通讯、***内开关动作等，外部干扰严重，放电电磁信号不易于接收，而且由于数据量大，难以对数据进行实时处理。传统的局部放电在线监测装置的抗干扰性能差，而且监测的灵敏度和安全性都无法得到保障，因此，亟需提供一种新型的抗干扰性能强的超高频局部放电在线监测***。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，本发明可以对局部放电过程中所产生的放电信号进行频率选择，降低了非工作频段的信号干扰。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，包括信号采集单元、信号处理单元、以及显控单元，其特征在于：所述信号采集单元的外部罩设有用于滤除外界干扰信号的空间滤波罩，所述信号采集单元用于采集局部放电过程中所产生的放电信号，所述信号采集单元的信号输出端通过传输电缆与所述信号处理单元的信号输入端相连，所述信号处理单元的信号输出端通过数据线与所述显控单元的信号输入端相连。

优选的，所述信号处理单元包括信号放大滤波电路、包络检波电路、以及数据处理电路，其中，

信号放大滤波电路，用于接收来自信号采集单元并经由空间滤波罩滤波后的放电信号，信号放大滤波电路对所述放电信号进行放大滤波处理，所述信号放大滤波电路的信号输出端连接包络检波电路的信号输入端；

包络检波电路，用于对来自信号放大滤波电路的放电信号进行频率变换，所述包络检波电路的信号输出端连接数据处理电路的信号输入端；

数据处理电路，用于对来自包络检波电路的放电信号进行模数转换，将所述放电信号转换成为数字信号，并对所述数字信号进行数据处理分析，所述数据处理电路的信号输出端连接显控单元的信号输入端。

优选的，所述显控单元包括监控单元和显示单元，所述监控单元用于对来自数据处理电路的数字信号进行数据分析，并实现信号的在线监测；显示单元用于对来自数据处理电路的数字信号进行显示。

优选的，所述信号放大滤波电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述第一运算放大器的正极信号输入端连接第五电阻、第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接第七电阻的一端以及偏置电源的正极，所述偏置电源的负极接地，所述第七电阻的另一端连接第八电阻、第七电容的一端以及第二运算放大器的负极信号输入端，所述第八电阻、第七电容的另一端连接第二运算放大器的信号输出端以及包络检波电路的信号输入端，所述第一运算放大器的负极信号输入端连接第一电阻、第二电阻、以及第一电容的一端，所述第一电阻的另一端连接信号采集单元的信号输出端，所述第二电阻、第一电容的另一端连接第一运算放大器的信号输出端以及第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接第三电阻、第四电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二运算放大器的正极信号输入端；

所述第一运算放大器的负极电源端连接第一电源的负极和第二电容的一端，所述第二运算放大器的正极电源端连接第二电源的正极和第三电容的一端，所述第一电源的正极、第二电容的另一端、第二电源的负极、第三电容的另一端均接地；所述第一运算放大器的正极电源端连接第三电源的正极和第五电容的一端，所述第二运算放大器的负极电源端连接第四电源的负极和第六电容的一端，所述第三电源的负极、第五电容的另一端、第四电源的正极、第六电容的另一端均接地。

优选的，所述空间滤波罩采用频率选择表面滤波结构，所述频率选择表面滤波结构用于对局部放电过程中所产生的放电信号进行频率选择，所述频率选择表面滤波结构包括至少一层频率选择表面层、以及夹设于频率选择表面层中间的介质层。

进一步的，所述频率选择表面层由多个金属单元组成，相邻的金属单元之间采用基材进行填充。

进一步的，所述金属单元的形状为Y环形、十字环形、矩形、六边形、圆形的一种，金属单元的形状或为经过Y环形、十字环形、矩形、六边形、圆形组合或变形后的形状。

进一步的，所述介质层的材质为纤维材料或泡沫材料。

进一步的，所述频率选择表面滤波结构的频率选择范围为300MHz～3GHz。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明电路包括信号采集单元、信号处理单元、以及显控单元，通过在信号采集单元的外部罩设有用于滤除外界干扰信号的空间滤波罩，使信号采集单元免受外界的电磁干扰和噪声的影响，极大地提高了监测的灵敏度；所述空间滤波罩的频率选择表面滤波结构的频率选择范围为300MHz～3GHz，能够有效降低非工作频段的信号干扰；通过调整频率选择表面层的层数以及金属单元的尺寸大小，便于随时调整频率的选择范围，可以广泛应用到电磁波的各个频段中。

2)、所述信号放大滤波电路采用两级放大电路的设计，且电路中设有滤波装置，确保将放电信号放大的同时将噪声信号降到最低；所述信号放大滤波电路中的第一运算放大器、第二运算放大器之间还通过极性倒置连接，将漂移电压造成的误差降到最低，使输出的放电信号更加容易识别。

3)、所述信号放大滤波电路的信号输出端连接包络检波电路的信号输入端，有效地解决了数据处理电路在进行模数转换过程中难以采集高频信号的问题。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的信号放大滤波电路的原理图；

图3为本发明的空间滤波罩、信号采集单元之间的结构示意图；

图4为本发明的频率选择表面滤波结构的示意图；

图5为本发明的频率选择表面层的结构示意图。

图中的附图标记含义如下：

10—信号采集单元20—信号处理单元

21—信号放大滤波电路22—包络检波电路

23—数据处理电路30—显控单元

31—监控单元32—显示单元

40—空间滤波罩40a—频率选择表面滤波结构

41—频率选择表面层41a—金属单元

42—介质层

AMP1、AMP2—第一运算放大器、第二运算放大器

C1～C7—第一电容～第七电容

R1～R8—第一电阻～第八电阻

VCC1～VCC4—第一电源～第四电源

Vf—偏置电源

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***包括信号采集单元10、信号处理单元20、以及显控单元30，所述信号采集单元10的外部罩设有用于滤除外界干扰信号的空间滤波罩40，所述信号采集单元10用于采集局部放电过程中所产生的放电信号，所述信号采集单元10的信号输出端通过传输电缆与所述信号处理单元20的信号输入端相连，所述信号处理单元20的信号输出端通过数据线与所述显控单元30的信号输入端相连。

如图1所示，所述信号处理单元20包括信号放大滤波电路21、包络检波电路22、以及数据处理电路23，所述信号放大滤波电路21的信号输入端连接信号采集单元10的信号输出端，信号放大滤波电路21的信号输出端连接包络检波电路22的信号输入端，所述包络检波电路22的信号输出端连接数据处理电路23的信号输入端，所述数据处理电路23的信号输出端连接显控单元30的信号输入端。

如图1所示，所述显控单元30包括监控单元31和显示单元32，所述监控单元31和显示单元32的信号输入端均连接数据处理电路23的信号输出端。

如图2所示，所述信号放大滤波电路21包括第一运算放大器AMP1和第二运算放大器AMP2；所述第一运算放大器AMP1的正极信号输入端连接第五电阻R5、第六电阻R6的一端，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第六电阻R6的另一端连接第七电阻R7的一端以及偏置电源Vf的正极，所述偏置电源Vf的负极接地，所述第七电阻R7的另一端连接第八电阻R8、第七电容C7的一端以及第二运算放大器AMP2的负极信号输入端，所述第八电阻R8、第七电容C7的另一端连接第二运算放大器AMP2的信号输出端以及包络检波电路22的信号输入端，所述第一运算放大器AMP1的负极信号输入端连接第一电阻R1、第二电阻R2、以及第一电容C1的一端，所述第一电阻R1的另一端连接信号采集单元10的信号输出端，所述第二电阻R2、第一电容C1的另一端连接第一运算放大器AMP1的信号输出端以及第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端连接第三电阻R3、第四电阻R4的一端，所述第三电阻R3的另一端接地，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器AMP2的正极信号输入端；所述第一运算放大器AMP1的负极电源端连接第一电源VCC1的负极和第二电容C2的一端，所述第二运算放大器AMP2的正极电源端连接第二电源VCC2的正极和第三电容C3的一端，所述第一电源VCC1的正极、第二电容C2的另一端、第二电源VCC2的负极、第三电容C3的另一端均接地；所述第一运算放大器AMP1的正极电源端连接第三电源VCC3的正极和第五电容C5的一端，所述第二运算放大器AMP2的负极电源端连接第四电源VCC4的负极和第六电容C6的一端，所述第三电源VCC3的负极、第五电容C5的另一端、第四电源VCC4的正极、第六电容C6的另一端均接地。

如图3～5所示，所述空间滤波罩40固接于电力设备上，所述空间滤波罩40采用频率选择表面滤波结构40a，选取频率选择表面滤波结构40a为两层频率选择表面层41，上层的频率选择表面层41选取金属单元41a的形状为规则的六边形，优选六边形的外侧边长为3mm，六边形的内侧边长为2mm，即所述六边形外侧边与内侧边之间的宽度为0.5mm，且选取相邻两个金属单元41a之间的间距为为0.2mm；下层的频率选择表面层41选取金属单元41a的形状也为规则的六边形，优选六边形的外侧边长为3.2mm，六边形的内侧边长为2.2mm，即所述六边形外侧边与内侧边之间的宽度为0.5mm，且选取相邻两个金属单元41a之间的间距为为0.5mm。通过此优选方案，可以使空间滤波罩40最大程度的滤除外界干扰信号、以及背景噪声的干扰，还可有效降低非工作频段的信号干扰；通过调整频率选择表面层的层数以及金属单元的尺寸大小，便于随时调整频率的选择范围，可以广泛应用到电磁波的各个频段中。

所述信号放大滤波电路21用于接收来自信号采集单元10并经由空间滤波罩40滤波后的放电信号，并对所述放电信号进行放大和滤波，本实施例中选取增益电阻和反馈电容分别为R1＝1Ω，R2＝100Ω，C1＝0.5305pF，实现对来自信号采集单元10并经由空间滤波罩40滤波后的放电信号进行低通滤波，设置阻抗及电容分别为R3＝1kΩ，C4＝0.5305pF，与第一运算放大器AMP1的低通滤波共同实现对300MHz～3GHz的放电信号进行带通滤波。

由叠加定理对放电信号增益部分进行分析：

由 $\left\{\begin{array}{c}{V}_a=V_f=0\\ \frac{V_{o1}-V_a}{R2}=\frac{V_a-V_{in}}{R1}\end{array}\right.$ 可知 $V_{o1}=V_{in}\frac{R2}{R1},$ 由此可推出V_b＝V_o1

由 $\left\{\begin{array}{c}(V_o-V_f)\frac{R7}{R7+R8}=V_b\\ V_b=V_{in}\frac{R2}{R1}\end{array}\right.$ 可推出 $V_o=(1+\frac{R8}{R7})V_{in}\frac{R2}{R1}$

再对偏置电压放大增益部分进行分析：

由 $\left\{\begin{array}{c}{V}_a=\frac{R5}{R5+R6}{V}_f\\ V_{o1}=V_a=V_b\end{array}\right.$ 可推出 $V_o=\frac{R7+R8}{R7}{V}_f(\frac{R5}{R5+R6}+\frac{R7}{R7+R8}-1)$

由 $(V_o-V_f)\frac{R7}{R7+R8}+V_f=V_b$ 可推出 $V_o=\frac{R5R7-R6R8}{R7(R5+R6)}{V}_f$

综上所述，放电信号总体输出电压函数为：

$V_o=(1+\frac{R8}{R7})V_{in}\frac{R2}{R1}+\frac{R5R7-R6R8}{R7(R5+R6)}{V}_f$

即当R5R7-R6R8＝0时，偏置电压的增益可以消除，选取R5＝R8＝1MΩ，R6＝R7＝100Ω，得信号放大滤波电路21的增益为10⁶倍。

Claims (9)

1.一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，包括信号采集单元(10)、信号处理单元(20)、以及显控单元(30)，其特征在于：所述信号采集单元(10)的外部罩设有用于滤除外界干扰信号的空间滤波罩(40)，所述信号采集单元(10)用于采集局部放电过程中所产生的放电信号，所述信号采集单元(10)的信号输出端通过传输电缆与所述信号处理单元(20)的信号输入端相连，所述信号处理单元(20)的信号输出端通过数据线与所述显控单元(30)的信号输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述信号处理单元(20)包括信号放大滤波电路(21)、包络检波电路(22)、以及数据处理电路(23)，其中，

信号放大滤波电路(21)，用于接收来自信号采集单元(10)并经由空间滤波罩(40)滤波后的放电信号，信号放大滤波电路(21)对所述放电信号进行放大滤波处理，所述信号放大滤波电路(21)的信号输出端连接包络检波电路(22)的信号输入端；

包络检波电路(22)，用于对来自信号放大滤波电路(21)的放电信号进行频率变换，所述包络检波电路(22)的信号输出端连接数据处理电路(23)的信号输入端；

数据处理电路(23)，用于对来自包络检波电路(22)的放电信号进行模数转换，将所述放电信号转换成为数字信号，并对所述数字信号进行数据处理分析，所述数据处理电路(23)的信号输出端连接显控单元(30)的信号输入端。

3.如权利要求2所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述显控单元(30)包括监控单元(31)和显示单元(32)，所述监控单元(31)用于对来自数据处理电路(23)的数字信号进行数据分析，并实现信号的在线监测；显示单元(32)用于对来自数据处理电路(23)的数字信号进行显示。

4.如权利要求2所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述信号放大滤波电路(21)包括第一运算放大器(AMP1)和第二运算放大器(AMP2)；所述第一运算放大器(AMP1)的正极信号输入端连接第五电阻(R5)、第六电阻(R6)的一端，所述第五电阻(R5)的另一端接地，所述第六电阻(R6)的另一端连接第七电阻(R7)的一端以及偏置电源(Vf)的正极，所述偏置电源(Vf)的负极接地，所述第七电阻(R7)的另一端连接第八电阻(R8)、第七电容(C7)的一端以及第二运算放大器(AMP2)的负极信号输入端，所述第八电阻(R8)、第七电容(C7)的另一端连接第二运算放大器(AMP2)的信号输出端以及包络检波电路(22)的信号输入端，所述第一运算放大器(AMP1)的负极信号输入端连接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、以及第一电容(C1)的一端，所述第一电阻(R1)的另一端连接信号采集单元(10)的信号输出端，所述第二电阻(R2)、第一电容(C1)的另一端连接第一运算放大器(AMP1)的信号输出端以及第四电容(C4)的一端，所述第四电容(C4)的另一端连接第三电阻(R3)、第四电阻(R4)的一端，所述第三电阻(R3)的另一端接地，第四电阻(R4)的另一端连接第二运算放大器(AMP2)的正极信号输入端；

所述第一运算放大器(AMP1)的负极电源端连接第一电源(VCC1)的负极和第二电容(C2)的一端，所述第二运算放大器(AMP2)的正极电源端连接第二电源(VCC2)的正极和第三电容(C3)的一端，所述第一电源(VCC1)的正极、第二电容(C2)的另一端、第二电源(VCC2)的负极、第三电容(C3)的另一端均接地；所述第一运算放大器(AMP1)的正极电源端连接第三电源(VCC3)的正极和第五电容(C5)的一端，所述第二运算放大器(AMP2)的负极电源端连接第四电源(VCC4)的负极和第六电容(C6)的一端，所述第三电源(VCC3)的负极、第五电容(C5)的另一端、第四电源(VCC4)的正极、第六电容(C6)的另一端均接地。

5.如权利要求1或4所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述空间滤波罩(40)采用频率选择表面滤波结构(40a)，所述频率选择表面滤波结构(40a)用于对局部放电过程中所产生的放电信号进行频率选择，所述频率选择表面滤波结构(40a)包括至少一层频率选择表面层(41)、以及夹设于频率选择表面层中间的介质层(42)。

6.如权利要求5所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述频率选择表面层(41)由多个金属单元(41a)组成，相邻的金属单元(41a)之间采用基材进行填充。

7.如权利要求6所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述金属单元(41a)的形状为Y环形、十字环形、矩形、六边形、圆形的一种，金属单元(41a)的形状或为经过Y环形、十字环形、矩形、六边形、圆形组合或变形后的形状。

8.如权利要求5所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述介质层(42)的材质为纤维材料或泡沫材料。

9.如权利要求5所述的一种基于空间滤波法的超高频局部放电在线监测***，其特征在于：所述频率选择表面滤波结构(40a)的频率选择范围为300MHz～3GHz。