CN111638431A - 一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，用于对开关柜局部放电进行精确检测，解决干扰信号对检测信号的干扰问题。它包括设置在设备主体上的：信号采集单元，它包括若干接触式传感器；信号处理单元，它包括与接触式传感器一一对应且电气连接的采样信号电路板，每个信号采样电路板均包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路；核心控制单元，它包括控制部分和信号分析识别部分，控制部分为DSP芯片；信号分析识别部分由内置计算机运行小波变换分析算法，对采集信号进行故障类型识别；人机交互界面，它包括液晶屏和按键。

Description

一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备

技术领域

本发明涉及电气设备局部放电检测技术领域，具体地说是一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备。

背景技术

局部放电是威胁电网稳定运行的一个重要隐患，高压电气设备是否正常运行关系到整个电力***的安全性、可靠性。开关柜是被广泛用于城市电网的重要开关设备，由于开关柜的绝缘缺陷而导致的局部放电时有发生，若不能及时发现并处理问题，将可能会导致大范围停电等重大事故。近年来，GIS局放检测技术有了很大的进步，局放检测设备向着更精确和更高端的方向发展。现有局放检测设备通常依靠无线局部网络技术，在检测仪器与服务器之间进行信息传输。然而，在特高压变电站内，电磁干扰信号繁多且干扰信号幅值较大，影响设备之间的信号质量，降低了信噪比，对局放检测设备的准确性和可靠性带来影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，用于对开关柜局部放电进行精确检测，解决干扰信号对检测信号的干扰问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，它包括设置在设备主体上的：

信号采集单元，它包括若干接触式传感器；

信号处理单元，它包括与接触式传感器一一对应且电气连接的采样信号电路板，每个信号采样电路板均包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路，接触式传感器采集到的信号经放大电路后进行放大，然后经滤波电路过滤提高信号的信噪比，最后经过A/D转换电路进行数模转换；

核心控制单元，它包括控制部分和信号分析识别部分，其中控制部分为DSP芯片，其作用包括调整接触式传感器输入信号的放大倍数、调整滤波器接入电感、电容数量调整滤波带宽、A/D转换电路采样频率、实现检测数据自动备份；信号分析识别部分由内置计算机运行小波变换分析算法，对采集信号进行故障类型识别；

人机交互界面，它包括液晶屏和按键，液晶屏上显示的内容包括：局部放电信号波形、局部放电故障类型、设备剩余电量、时间和位置信息；通过按键对检测端参数进行设置，查看历史测量数据。

进一步地，DSP芯片经I/O接口与内存卡连接，内存卡选用大容量快速闪存卡。

进一步地，在接触式传感器与设备主体之间设有伸展臂，伸展臂向外伸展时接触式传感器远离设备主体。

进一步地，伸展臂包括固定在设备主体上的外壳、滑动设置在外壳内的第一伸缩臂、滑动设置在第一伸缩臂内的第二伸缩臂、滑动设置在第二伸缩臂内的第三伸缩臂以及设置在外壳、第一伸缩臂、第二伸缩臂内的驱动机构，在驱动机构的作用下第一伸缩臂相对外壳、第二伸缩臂相对第一伸缩臂、第三伸缩臂相对第二伸缩臂移动，接触式传感器设置在第三伸缩臂上。

进一步地，在第三伸缩臂上固定有固定板，在固定板上方设有活动板，在固定板与活动板之间设有弹簧，接触式传感器固定在活动板上。

进一步地，驱动机构包括一对上下设置的链轮、设置在两链轮之间的链条，在链条上固定有固定块，该固定块用于与第一、第二或第三伸缩臂固定连接。

进一步地，外壳为长方体形的中空结构，外壳顶部敞口，且在外壳敞口的右端设有一对前后设置的挡板，挡板与外壳铰接连接，在挡板与外壳之间设有扭簧，在扭簧的作用下两挡板处于同一水平面内将敞口右端封闭。

进一步地，在外壳、第一伸缩臂和第二伸缩臂的内壁上均设有滑槽，在第一伸缩臂、第二伸缩臂和第三伸缩臂的外壁上均设有滑块，滑块与对应的滑槽滑动连接，进而实现外壳与第一伸缩臂、第二伸缩臂与第一伸缩臂、第三伸缩臂与第二伸缩臂之间的滑动连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，采用超声波传感器(接触式传感器)采集局部放电信号，绝缘材料发生局部放电的时刻会向外释放能量，而此时的局放位置会向外发出声波。一般局部放电的放电持续时间很短，发出声波频率可达数兆赫兹，所以在选择声音传感器的时候应该考虑选择合适的频带。DSP芯片作为整个检测装置的控制芯片，能够实现数字信号处理功能，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，具有快速的中断处理和硬件I/O支持，支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠。该芯片可大规模集成。稳定性好、精度高，具有高速性能和可嵌入性，有利于局部放电故障的识别。该设备集检测、分析、识别功能于一体，不存在通过无线网络进行数据传输的过程，降低了外界电磁信号对信号传输过程的影响，提高了局部放电检测识别设备检测结果的准确性和可靠性；该设备高度集成化，在保持原有尺寸的基础上，增加了对局放信号的分析识别功能，实现了对局部放电故障信号的“一站式”识别，有效提升了变电站运维人员的工作效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的工作流程示意图；

图3为伸展臂的正面示意图；

图4为伸展臂的俯视示意图；

图5为伸展臂的内部结构示意图；

图6为外壳的三维透视图；

图7为第一伸缩臂的三维图之一；

图8为第一伸缩臂的三维图之二；

图9为第三伸缩臂的三维图；

图10为第三伸缩臂与接触式传感器的连接示意图；

图11为导轨的俯视图；

图12为驱动机构的示意图；

图13为图12中的A处局部放大图；

图中：1外壳，11滑槽，12第一长条孔，13第二长条孔，14挡板，2第一伸缩臂，21滑块，22第三长条孔，23线槽，3链轮，31链条，32第一电机，33第二电机，34第三电机，35固定块，36耳板，4第二伸缩臂，5第三伸缩臂，51固定板，52弹簧，53活动板，54接触式传感器，6导轨，61缺口，62圆锥孔。

具体实施方式

特高压变电站内通信设施比较完善，在现场都会存在不同种类的通信干扰信号。部分特高压变电站附近存在通信基站、信号塔等设施，上述设施在运行工作过程中不可避免的会产生固定频率的通讯信号。因此，在变电站局部放电检测的过程中，很难做到完全屏蔽外界电磁干扰信号，这些干扰信号对局部放电检测设备与服务器之间的信号收发产生干扰，影响了检测设备的准确性和可靠性。

如图1、2所示，本发明主要包括信号采集单元、信号处理单元、核心控制单元和人机交互界面。信号采集单元，包括接触式传感器、电气连接件，电气连接件位于接触式传感器与本发明主体之间，用于实现接触式传感器与本发明主体的电气连接。此外，在接触式传感器与本发明主体之间还设有伸展臂，伸展臂的设置可以将接触式传感器向外推出并使其与开关柜接触。当需要进行信号采集时，根据具体采样标准要求，通过伸展臂的外伸使得合适数量的接触式传感器贴于开关柜表面。伸展臂的可伸缩长度范围为0到50cm，接触式传感器在同一设备的不同位置同时采集局部放电信号。信号处理单元、核心控制单元和人机交互界面位于本发明的主体上，本发明的主体为立体塑料件，本发明主体的实质为壳体，用于实现对信号处理单元、核心控制单元和人机交互界面的承载。

如图3至图13所示，伸展臂包括外壳1、第一伸缩臂2、第二伸缩臂3、第三伸缩臂4、驱动机构和安装机构，下面结合附图对伸展臂进行详细描述。

如图3至图6所示，外壳1为伸展臂的基础，外壳为长方体形的塑料件，外壳为中空结构，且外壳的顶部敞口，外壳的底部与本发明的主体固定连接。在外壳的前后内壁上均设有滑槽11，在外壳的前侧壁上还设有左右设置的第一长条孔12和第二长条孔13，在外壳顶部敞口的右侧设有一对前后设置的挡板14，其中前侧的挡板与敞口前侧壁铰接连接，后侧的挡板与敞口后侧壁铰接连接。在挡板与外壳之间设有扭簧，在扭簧的作用下两挡板处于同一平面内，且两挡板的自由端接触，此时两挡板将敞口的右端挡住。挡板既可以向上摆动，也可以向下摆动。第一、第二长条孔均贯穿外壳的前侧壁，其中第二长条孔还贯穿了外壳前侧壁的顶部。

如图4至图8所示，第一伸缩臂2为长方体形的中空塑料件，第一伸缩臂的顶部敞口、右侧壁敞口，第一伸缩臂设置在外壳的内腔中，在第一伸缩臂的前后侧壁上固定有滑块21，滑块设置在滑槽内并与滑槽滑动连接。在第一伸缩臂的前侧壁上设有第三长条孔22，第三长条孔与第二长条孔对应且连通。在第一伸缩臂的前后内壁上也分别设有滑槽11，在第一伸缩臂的左侧壁上设有线槽23。

如图4所示，第二伸缩臂4设置在第一伸缩臂的内腔中，且第二伸缩臂与第一伸缩臂的结构形状完全相同，第二伸缩臂与第一伸缩臂的区别在于第二伸缩臂的尺寸小于第一伸缩臂。在第二伸缩臂上也设有滑槽、滑块和线槽。第二伸缩臂上的滑块滑动设置在第一伸缩臂上的滑槽内。

如图9所示，第三伸缩臂5为矩形的板状结构，且第三伸缩臂为塑料件。在第三伸缩臂的前后侧壁上设有滑块21，该滑块滑动设置在第二伸缩臂上的滑槽内。在第三伸缩臂的左侧壁上也设有线槽23，第三伸缩臂活动设置在第二伸缩臂的内腔中。

为驱动第一伸缩臂相对外壳、第二伸缩臂相对第一伸缩臂以及第三伸缩臂相对第二伸缩臂的上下运动，在第一伸缩臂与外壳、第二伸缩臂与第一伸缩臂以及第三伸缩臂与第二伸缩臂之间设有驱动机构，在驱动机构的作用下驱动第一伸缩臂、第二伸缩臂和第三伸缩臂的上下移动。如图12所示，驱动机构包括一对上下设置的链轮3、设置在两链轮之间的链条31，如图13所示，在链条上固定有固定块35，当链条运动时，便可以带动固定块的上下移动。驱动机构设置有三个，且三个驱动机构与第一至第三伸缩臂之间一一对应。驱动第一伸缩臂上下移动的驱动机构设置在外壳内腔中且位于第一伸缩臂的左侧，驱动第二伸缩臂上下移动的驱动机构设置在第一伸缩臂内腔中且位于第二伸缩臂的左侧，驱动第三伸缩臂上下移动的驱动机构设置在第二伸缩臂内腔中且位于第三伸缩臂的左侧。在第一至第三伸缩臂的线槽内均固定有一对耳板36，固定块置于对应的两耳板之间。具体为：最左侧驱动机构上的固定块置于第一伸缩臂上的两耳板之间并与之固定连接，中间位置驱动机构上的固定块置于第二伸缩臂上的两耳板之间并与之固定连接，最右侧驱动机构上的固定块置于第三伸缩臂上的两耳板之间并与之固定连接。这样驱动机构动作时，便可以带动第一、第二或第三伸缩臂的上下移动。左侧驱动机构下方的链轮由固定在外壳上的第一电机32驱动转动，中间驱动机构下方的链轮由位于外壳外部的第二电机33驱动转动，右侧驱动机构下方的链轮由位于外壳外部的第三电机34驱动转动，第一长条孔的设置可以避让第二电机的输出轴，第二长条孔的设置可以避让第三电机的输出轴。链轮正反转，实现第一至第三伸缩臂的上下移动。

如图4、图10、图11所示，在第三伸缩臂上固定有固定板51，在固定板的上方设有活动板53，在活动板与固定板之间设有弹簧52，在弹簧的作用下活动板与固定板之间具有固定的间距。接触式传感器便安装在活动板上，第三伸缩臂伸出外壳时，接触式传感器随第三伸缩臂一同移出外壳。在外壳右侧内壁上设有导轨6，在导轨上设有圆孔，在圆孔上部设有导向孔62，导向孔为锥形孔，导向孔的设置便于活动板进入导轨内。在导轨的左侧壁上设有缺口61，缺口的设置对固定板和第三伸缩臂之间的连接部分起到避让的作用。固定板与第三伸缩臂之间通过突起固定连接，缺口的设置便可以避让突起。

下面对伸展臂的工作原理进行描述：

当需要使用接触式传感器时，驱动第一、第二和第三电机动作，此时在第一电机的作用下，第一伸缩臂伸出外壳；在第二电机的作用下，第二伸缩臂从第一伸缩臂内伸出；在第三电机的作用下，第三伸缩臂从第二伸缩臂内伸出。此时，在弹簧的作用下接触式传感器与开关柜柜体接触。使用完后，通过第一、第二和第三电机驱动第一至第三伸缩臂缩回外壳内即可。第一伸缩臂进出外壳的过程中，可以挤压挡板，进而打开外壳顶部的敞口。在伸展臂的作用下，接触式传感器伸展长度为0-50cm。

信号处理单元，包括若干信号采样电路板，每个信号采样电路板均包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路，放大电路、滤波电路和A/D转换电路为现有技术，在此不再赘述。放大电路的作用是对接触式传感器采集的信号进行放大后送出；滤波电路的作用是对放大后的信号进行过滤，提高信号的信噪比；A/D转换电路对过滤后的信号进行数模转换。这样，采样信号在信号采样电路板的作用下，依次实现信号方法、信号的过滤和数模转换。信号采样电路板的数量与接触式传感器的数量相同，且信号采样电路板与接触式传感器之间是一一对应的关系，每个接触式传感器获取的信号经对应的信号采样电路板进行处理，接触式传感器与对应的信号采样电路板电气连接。

核心控制单元，包括控制部分和信号分析识别部分，其中控制部分用于控制整个设备的运行，控制部分为DSP芯片，其作用包括控制继电器调整接触传感器输入信号放大倍数、调整滤波器接入电感、电容数量调整滤波带宽、A/D转换电路采样频率、实现检测数据自动备份。信号分析识别部分由内置计算机运行小波变换分析算法程序，对采集信号进行故障类型识别。信号处理单元与接触式传感器相连并对采集信号进行放大、滤波处理，处理后的信号由A/D转换电路进行数据采样，放大倍数和采样频率由核心控制单元内的DSP芯片控制，采样得到的数据经I/O接口与DSP芯片连接。检测数据自动备份，由DSP芯片将采样数据经I/O接口存储在内存卡上，内存卡选用大容量快速闪存卡。内存卡可拆卸更换，便于对历史数据回收、分析。内置计算机与DSP芯片I/O接口连接，接收采样数据，采样数据由内置计算机运行小波变换分析算法程序进行局部放电故障类型识别，将识别结果经DSP芯片I/O接口传输到DSP芯片。小波变换分析算法是一种有效的时-频分析方法、时间-尺度分析和多分辨分析的成熟性技术，被广泛应用于各研究领域。根据得到的频谱图与计算机数据库典型故障频谱匹配得出故障类型。小波变换分析算法通过对信号进行加窗处理将原来的非平稳信号分为若干平稳段，然后分别确定频谱，是一种最简单、直观的时-频分析方法，可通过伸缩与平移等运算功能对信号进行多尺度的细节分析，并且特别适用于时频分析随时间变化具有复杂的频率信号，其尺度参数可以根据信号频率的变化而改变窗口的大小，可以观察到信号的全貌和细节信息，经常用于处理非平稳信号的应用中。小波变换基本原理可表示为：

信号f(t)在小波基函数上可被表示为式(1)：

其中a为尺度因子，b为平移因子，ψ_ab(t)表示基本小波函数。则小波变换的频域表示式(2)：

其中

分别为小波函数ψ_an(t)，f(t)的傅里叶变换形式，

当满足被容许条件式(3)：

小波变换的逆变换可以表示为式(4)：

其中

是小波函数的对偶形式。

小波变换分析算法是一种有效的时-频分析方法、时间-尺度分析和多分辨分析的成熟性技术，被广泛应用于各研究领域。小波基和分解层数决定着小波变换分析的效果。经过式(2)将输入信号进行小波变换，根据得到的频谱图与典型故障频谱匹配得出故障类型，并将故障类型信息通过自组网发送给无线巡检仪，在其屏幕显示故障类型，并进行报警。

人机交互界面，包括液晶屏和按键，液晶屏上显示的内容包括：局部放电信号波形、局部放电故障类型、设备剩余电量、时间和位置信息。通过按键对检测端参数进行设置，查看历史测量数据。人机交互界面与DSP芯片I/O接口连接，在进行故障检测识别时接收采样数据和内置计算机故障识别信息，将检测到的局放信号波形、局放故障类型显示在液晶屏上。按键控制设备的开关机、获取采样数据的开始和结束、液晶屏屏幕亮度调整以及查看、调用历史测量数据。

该设备采用超声波传感器(接触式传感器)采集局部放电信号，绝缘材料发生局部放电的时刻会向外释放能量，而此时的局放位置会向外发出声波。一般局部放电的放电持续时间很短，发出声波频率可达数兆赫兹，所以在选择声音传感器的时候应该考虑选择合适的频带。DSP芯片作为整个检测装置的控制芯片，能够实现数字信号处理功能，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，具有快速的中断处理和硬件I/O支持，支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠。该芯片可大规模集成。稳定性好、精度高，具有高速性能和可嵌入性，有利于局部放电故障的识别。

该设备集检测、分析、识别功能于一体，不存在通过无线网络进行数据传输的过程，降低了外界电磁信号对信号传输过程的影响，提高了局部放电检测识别设备检测结果的准确性和可靠性；该设备高度集成化，在保持原有尺寸的基础上，增加了对局放信号的分析识别功能，实现了对局部放电故障信号的“一站式”识别，有效提升了变电站运维人员的工作效率。

本发明的工作原理是:通过接触式传感器检测超声波信号，然后通过信号处理单元的信号采样电路板对超声波信号进行信号放大、过滤操作，对经过过滤后的信号进行数模转换；此后，核心控制单元的信号分析识别部分对经数模转换后的信号进行判断是否存在局部放电故障，如果是则判断局部放电故障类型，然后在液晶屏上显示故障信息，如果不是则直接在显示屏上显示故障信息，而检测数据则备份保存。

Claims (8)

1.一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，它包括设置在设备主体上的：

信号采集单元，它包括若干接触式传感器；

信号处理单元，它包括与接触式传感器一一对应且电气连接的采样信号电路板，每个信号采样电路板均包括放大电路、滤波电路和A/D转换电路，接触式传感器采集到的信号经放大电路后进行放大，然后经滤波电路过滤提高信号的信噪比，最后经过A/D转换电路进行数模转换；

核心控制单元，它包括控制部分和信号分析识别部分，其中控制部分为DSP芯片，其作用包括调整接触式传感器输入信号的放大倍数、调整滤波器接入电感、电容数量调整滤波带宽、A/D转换电路采样频率、实现检测数据自动备份；信号分析识别部分由内置计算机运行小波变换分析算法，对采集信号进行故障类型识别；

人机交互界面，它包括液晶屏和按键，液晶屏上显示的内容包括：局部放电信号波形、局部放电故障类型、设备剩余电量、时间和位置信息；通过按键对检测端参数进行设置，查看历史测量数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，DSP芯片经I/O接口与内存卡连接，内存卡选用大容量快速闪存卡。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，在接触式传感器与设备主体之间设有伸展臂，伸展臂向外伸展时接触式传感器远离设备主体。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，伸展臂包括固定在设备主体上的外壳、滑动设置在外壳内的第一伸缩臂、滑动设置在第一伸缩臂内的第二伸缩臂、滑动设置在第二伸缩臂内的第三伸缩臂以及设置在外壳、第一伸缩臂、第二伸缩臂内的驱动机构，在驱动机构的作用下第一伸缩臂相对外壳、第二伸缩臂相对第一伸缩臂、第三伸缩臂相对第二伸缩臂移动，接触式传感器设置在第三伸缩臂上。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，在第三伸缩臂上固定有固定板，在固定板上方设有活动板，在固定板与活动板之间设有弹簧，接触式传感器固定在活动板上。

6.根据权利要求3所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，驱动机构包括一对上下设置的链轮、设置在两链轮之间的链条，在链条上固定有固定块，该固定块用于与第一、第二或第三伸缩臂固定连接。

7.根据权利要求3所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，外壳为长方体形的中空结构，外壳顶部敞口，且在外壳敞口的右端设有一对前后设置的挡板，挡板与外壳铰接连接，在挡板与外壳之间设有扭簧，在扭簧的作用下两挡板处于同一水平面内将敞口右端封闭。

8.根据权利要求3所述的一种基于超声波检测法的开关柜局部放电检测识别设备，其特征是，在外壳、第一伸缩臂和第二伸缩臂的内壁上均设有滑槽，在第一伸缩臂、第二伸缩臂和第三伸缩臂的外壁上均设有滑块，滑块与对应的滑槽滑动连接，进而实现外壳与第一伸缩臂、第二伸缩臂与第一伸缩臂、第三伸缩臂与第二伸缩臂之间的滑动连接。

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