CN218647094U - 宽频放电传感器及多源局部放电检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供宽频放电传感器及多源局部放电检测装置，属于电力检测技术领域。包括：从上而下依次设置的针电极、绝缘层板、圆形的板电极和电路板：绝缘层板中心开设过孔，下表面、过孔的边缘具有环形凸起；针电极穿设在过孔内、与过孔内表面之间固定连接，针电极的头部感应电场信号，针电极的末端与电路板的正输入端相连接；板电极中心开设通孔，板电极与绝缘层板的下表面之间固定连接；板电极感应电场信号，板电极与电路板之间通过板电极连接件固定连接，板电极连接件与电路板的负输入端以及接地端之间电性连接；针电极与板电极连接件同轴设置、与板电极连接件内壁之间距离为d；电路板由电池供电，电路板的输出端通过同轴传输线连接到主机。

Description

宽频放电传感器及多源局部放电检测装置

技术领域

本实用新型涉及电力检测技术领域，尤其涉及一种宽频放电传感器及多源局部放电检测装置。

背景技术

高压开关柜由于内部结构复杂，在使用过程中可能会由于绝缘老化等原因造成局部放电现象，需要对局放源进行定位，以便分析判断其内部故障的严重程度。现有技术提供传感器采集电磁波进行定位的方法，

局部放电超声阵列检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法，其基本原理是利用阵列传感器检测电气设备内部局部放电超声信号，采用阵列信号处理技术实现波达方向估计和空间定位。但是现有的超声阵列传感器都是平面阵列传感器，只适用于表面为平面的电气设备，而当电气设备的表面不是平面时，阵列传感器的部分阵元不能与电气设备的表面良好贴合，因此，这种阵列传感器受到了机体外壳平整度限制。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种宽频放电传感器及多源局部放电检测装置，不受机体外壳平整度限制，直接靠近开关柜机体外壳或者固定在外壳表面即可进行局放信号采集。

本实用新型实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种宽频放电传感器，其特征在于，包括上而下依次设置的针电极、绝缘层板、圆形的板电极和电路板：

所述绝缘层板中心开设与所述针电极尺寸匹配的过孔，位于所述绝缘层板的下表面、所述过孔的边缘具有环形凸起；所述针电极穿设在所述过孔内、与所述过孔内表面之间固定连接，所述针电极的头部用于感应电场信号，所述针电极的末端与所述电路板的正输入端相连接；所述板电极中心开设通孔，所述板电极的上表面与所述绝缘层板的下表面之间固定连接、所述绝缘层板的所述环形凸起从所述通孔内穿出；所述板电极用于感应电场信号，所述板电极与所述电路板之间通过空心的板电极连接件固定连接，所述板电极连接件与所述电路板的负输入端以及接地端之间电性连接；所述针电极与所述板电极连接件同轴设置、与所述板电极连接件内壁之间距离为d，所述针电极作为内导体、所述板电极和所述板电极连接件共同作为外导体、所述绝缘层板作为绝缘介质，三者结合形成同轴馈电形式；所述电路板由电池供电，所述电路板具有所述正输入端、所述负输入端、所述接地端和输出端，所述电路板的输出端通过同轴传输线连接到主机，所述电路板的输出信号U_out为经调理放大后针电极感应信号U_N与板电极感应信号U_P之间的信号差所得结果。

较优地，所述宽频放电传感器对局部放电信号采集频带范围为1-200MHz，所述宽频放电传感器的输出信号U_out与开关柜内局放信号U_sig的对应关系为：

上式是基于所述多源局部放电检测装置的等效电路得到的，C₁是所述等效电路中局放源与所述针电极之间的等效电容，C₂是所述针电极与所述板电极之间的等效电容，R是多源局部放电检测装置的等效电阻，s是拉普拉斯变化中引入的参数，其中s＝jω。

较优地，所述绝缘层板上的所述环形凸起的高度不低于所述板电极厚度。

较优地，所述针电极与所述绝缘层板之间的位置关系为相互垂直。

较优地，所述电路板的侧边与所述板电极下表面之间固定连接，所述针电极与所述电路板之间通过实心的、具有转角的针电极连接件相连接，所述板电极连接件保持与所述针电极连接件之间同轴设置、内壁与所述针电极连接件之间的距离为d。

较优地，所述针电极材质为铜，所述板电极为下表面附着铜材质。

本实用新型还提供一种多源局部放电检测装置，包括：两个宽频放电传感器和主机，其中，两个所述宽频放电传感器分别作为主端传感器1和从端传感器2，所述主机由微处理器3、高频数据采集单元4、滤波放大单元5以及供电单元6组成；

所述高频数据采集单元4，用于通过所述采集卡采集两个所述宽频放电传感器的输出信号；

所述滤波放大单元5，对两个所述宽频放电传感器的输出信号进行滤波降噪；

所述微处理器3，与所述高频数据采集单元4和所述滤波放大单元5相连接，用于触发所述高频数据采集单元4进行信号采集；接收经所述滤波放大单元5处理后的信号并发送至计算机终端；

所述供电单元，用于为所述微处理器3、所述高频数据采集单元4和所述滤波放大单元5供电。

较优地，所述采集卡为采样率1.25GS/s、采样位数8位的四通道数据采集卡。

由上述技术方案可知，本实用新型实施例提供的宽频放电传感器及多源局部放电检测装置，宽频放电传感器由从上而下依次设置的针电极、绝缘层板、圆形的板电极和电路板组成：绝缘层板中心开设与针电极尺寸匹配的过孔，位于绝缘层板的下表面、过孔的边缘具有环形凸起；针电极穿设在过孔内、与过孔内表面之间固定连接，针电极的头部用于感应电场信号，针电极的末端与电路板的正输入端相连接；板电极中心开设通孔，板电极的上表面与绝缘层板的下表面之间固定连接、绝缘层板的环形凸起从通孔内穿出；板电极用于感应电场信号，板电极与电路板之间通过空心的板电极连接件固定连接，板电极连接件与电路板的负输入端以及接地端之间电性连接；针电极与板电极连接件同轴设置、与板电极连接件内壁之间距离为d，针电极作为内导体、板电极和板电极连接件共同作为外导体、绝缘层板作为绝缘介质，三者结合形成同轴馈电形式；电路板由电池供电，电路板的输出端通过同轴传输线连接到主机，电路板的输出信号U_out为经调理放大后针电极感应信号U_N与板电极感应信号U_P之间的信号差所得结果。本实用新型可不受机体外壳平整度限制，直接靠近开关柜机体外壳或者固定在外壳表面即可进行局放信号采集，具有频带宽、精度高的特点。

附图说明

图1为本实用新型的宽频放电传感器结构图。

图2为本实用新型的宽频放电传感器中电路板接线原理图。

图3为本实用新型的多源局部放电检测装置结构图。

图4为高压开关柜中多源局部放电检测装置的等效原理图；

图5为本实用新型的多源局部放电检测装置的工作场景图。

图6为本实用新型的宽频放电传感器与TEV以及HFCT的带宽对比图。

图中：主端传感器1、从端传感器2、微处理器3、高频数据采集单元4、滤波放大单元5、供电单元6、针电极11、绝缘层板12、板电极13、电路板14、板电极连接件15。

具体实施方式

以下结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。

本实用新型提供一种宽频放电传感器，是由针电极和金属板电极构成的高精度、大带宽局放传感器组件，每个传感器是基于电小天线原理，通过采集控件电场中的电势差，完成局放信号的采集功能。如图1-2所示，宽频放电传感器包括上而下依次设置的针电极41、绝缘层板42、圆形的板电极43和电路板44：

绝缘层板中心开设与针电极41尺寸匹配的过孔，位于绝缘层板42的下表面、过孔的边缘具有环形凸起；针电极41穿设在过孔内、与过孔内表面之间固定连接，针电极与绝缘层板之间的位置关系为相互垂直，针电极41的头部用于感应电场信号，针电极41的末端与电路板44的正输入端in+相连接；板电极43中心开设通孔，板电极43的上表面与绝缘层板42的下表面之间固定连接、绝缘层板42的环形凸起从通孔内穿出，绝缘层板上的环形凸起的高度不低于板电极厚度；板电极43用于感应电场信号，板电极43与电路板44之间通过空心的板电极连接件454固定连接，板电极连接件45与电路板44的负输入端in-以及接地端GND之间电性连接；针电极41与板电极连接件43同轴设置、与板电极连接件内壁之间距离为d，针电极41作为内导体、板电极43和板电极连接件45共同作为外导体、绝缘层板42作为绝缘介质，针电极与板电极共同构成天线的两极，通过绝缘层板42进行隔离，针电极与同轴内芯相连，连接至调理电路的正输入端，板电极通过同轴外屏蔽层与调理电路的负输入端相连，三者结合形成同轴馈电形式；电路板44由锂电池供电，电路板44具有正输入端、负输入端、接地端和输出端out，电路板44的输出端通过同轴传输线连接到主机，电路板44的输出信号U_out为经调理放大后针电极感应信号U_N与板电极感应信号U_P之间的信号差所得结果。

针电极41可以直接连接到电路板44，此时电路板44与板电极43之间平行设置，板电极连接件45可以为一种圆筒形结构，针电极41位于圆筒型结构中心、并且与圆筒形结构内壁保持距离为d；

另一种形式，如图2所示，电路板44的侧边与板电极43下表面之间固定连接，针电极41与电路板44之间通过实心的、具有转角的针电极连接件46相连接，相应地，板电极连接件45需具有转角结构、保持与针电极连接件46之间同轴设置，其内壁与针电极连接件46之间保持距离为d。电路板44与板电极43下表面紧密连接方式能够避免信号在同轴传输传递过程中存在的折反射，有效提高传感器的信噪比。

宽频放电传感器的电路板部位可用绝缘壳体覆盖，电路板置于绝缘壳体内、并与绝缘外壳之间固定住，针电极、板电极和绝缘层板则置于绝缘壳体外，绝缘壳体可以手持，绝缘壳体上可含有卡槽、固定吊环等结构，用于支持宽频放电传感器的挂装或固定等功能。

由上述可知，宽频放电传感器是基于电小天线原理的宽频带无线针板传感器，内部含有调理放大滤波电路，实现对局部放电信号的测量。由于针板传感器的尺寸远远小于局放脉冲的波长，其工作原理相当于静电场中的电容器，针电极与局放源、板电极与地之间也都存在电容值，因此宽频放电传感器通过电容分压器原理，感应到开关柜内部发生局放时引发的电压跳变，进行信号的传感。

进一步地，如图3所示，本实用新型的多源局部放电检测装置由宽频放电传感器和主机组成，其中，宽频放电传感器图1中，两个宽频放电传感器分别作为主端传感器1和从端传感器2，主机由微处理器3、高频数据采集单元4、滤波放大单元5以及供电单元6组成，其中：

高频数据采集单元4是一个采样率高达1.25GS/s，采样位数为8位的四通道数据采集卡，可以同时连接多个传感器进行同步化的触发与数据采集；

滤波放大单元5为单路滤波放大电路，接收宽频放电传感器的信号并对其进行滤波降噪，如图4所示，单路滤波放大电路由ADA4817芯片以及桥式滤波电路组成，由电阻电容构成的高通滤波器，可以调整传感器的带宽，使其在1-200MHz之间的波动不超过6dB，放大电路是由ADA4817-1构成的同相比例放大电路，其信号增益为G＝10，介于本实用新型中的宽频放电传感器在静电场中的工作原理相当于一个电容器，对于容性传感器而言，传感器的电容通常很小，而在实际使用中，存在杂散电容的影响。这就使得周围环境的变化引起杂散电容的变化，从而影响传感器的灵敏度，干扰其带宽。所以对于容性传感器，通常采用电桥法作为调理滤波电路。图4所示的为宽频放电传感器的馈电输出接一个阻-容电桥，并通过运算放大器隔离。这种情况下，传感器可以工作在平衡状态，在1-200MHz的频带范围内保持平稳，并实现10倍增益。

微处理器3与高频数据采集单元4和滤波放大单元5相连接，用于触发高频数据采集单元4进行信号采集；接收经滤波放大单元5处理后的信号并发送至计算机终端，由计算机终端做进一步的信号分析。微处理器3是以FPGA为核心的中央控制处理器，负责控制整个***的触发，采集、通信等功能。当用户通过计算机向微处理器下达指令后，处理器在很短的时间内触发采集卡的各个通道，实现信号的同步化采集，并将采集到的信号通过调理电路进行滤波放大处理。然后提取数据中的脉冲信号，并以采集卡的触发事件为时间零点，一一记录每一个通道采集到的每一个脉冲信号的到达时间。微处理器3可用于控制供电单元6的输出，保障输出电流足够的同时削减电压纹波；提供USB Hub接口，可以实现计算机与控制单元的通信，又可以完成与采集卡的数据传输；提供触发信号，通过同轴传输线向数据采集卡发送信号，实现采集卡的触发。

供电单元6由锂电池及稳压电路组成，其作用是对整个仪表进行供电。稳压电路先由LTM8045进行降压，在通过LDO实现稳压输出。在保证了输出功率的同时，大幅降低了电源输出电压的纹波水平，从而降低***噪声，提高检测的灵敏度。具体可以为21V锂电池组。

如图4所示，是多源局部放电检测装置工作时的等效电路图，由于宽频放电传感器的尺寸远远小于局放信号的电磁波波长，所以可将周围环境看作是静电场。其中C1是局放源与针电极之间的等效电容，C2是传感器针板电极之间的等效电容，R为高压开关柜中多源局部放电检测装置的等效电阻，s是拉普拉斯变化中引入的参数，其中s＝jω。宽频放电传感器的输出信号U_out与开关柜内局放信号U的传递函数如公式1所示：

图5为多源局部放电检测装置工作状态图，其中，主端传感器的测点置于开关柜组的首端或者末端，从端传感器的测点可置于另一端或者中间位置，置于中间位置能够获取更强的局放信号，衰减程度较低。

如图6所示，图中展示了本实用新型高压开关柜中多源局部放电检测装置与传统的HFCT和TEV传感器的幅频/相频特性曲线。图中可以看出，采用本实用新型的宽频放电传感器与HFCT相比可以明显增加检测带宽，并且非接触的传感方式在实际使用中也较为方便。宽频放电传感器与TEV传感器同属于容性传感器，工作原理大致相当，但是灵敏度却得到了较大的提升。

本实用新型中，高频数据采集单元4可以同时连接多个传感器进行同步化的触发与数据采集，同时连接多个从端传感器进行信号采集，有利于提高局部放电的定位精度。

本实用新型提供的高压开关柜中多源局部放电检测装置实现了开关柜在正常运行情况下对其内部发生过的局部放电进行检测和初步定位，其中采用的宽频放电传感器具有宽频带、高灵敏度的特点，可以在1-200HMz的范围内对局放信号进行同步化采集，与传统的UHF或TEV相比，该传感器可以在非接触的情况下实现局部放电的高精度、大带宽检测。本实用新型提供的高压开关柜中多源局部放电检测装置操作简单、使用方便，可靠性高，易于携带，对于开关柜内部局放的日常巡检提供了便利。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种宽频放电传感器，其特征在于，包括从上而下依次设置的针电极、绝缘层板、圆形的板电极和电路板：

所述绝缘层板中心开设与所述针电极尺寸匹配的过孔，位于所述绝缘层板的下表面、所述过孔的边缘具有环形凸起；所述针电极穿设在所述过孔内、与所述过孔内表面之间固定连接，所述针电极的头部用于感应电场信号，所述针电极的末端与所述电路板的正输入端相连接；所述板电极中心开设通孔，所述板电极的上表面与所述绝缘层板的下表面之间固定连接、所述绝缘层板的所述环形凸起从所述通孔内穿出；所述板电极用于感应电场信号，所述板电极与所述电路板之间通过空心的板电极连接件固定连接，所述板电极连接件与所述电路板的负输入端以及接地端之间电性连接；所述针电极与所述板电极连接件同轴设置、与所述板电极连接件内壁之间距离为d，所述针电极作为内导体、所述板电极和所述板电极连接件共同作为外导体、所述绝缘层板作为绝缘介质，三者结合形成同轴馈电形式；所述电路板由电池供电，所述电路板具有所述正输入端、所述负输入端、所述接地端和输出端，所述电路板的输出端通过同轴传输线连接到主机，所述电路板的输出信号U_out为经调理放大后针电极感应信号U_N与板电极感应信号U_P之间的信号差所得结果。

2.如权利要求1所述的宽频放电传感器，其特征在于，所述宽频放电传感器对局部放电信号采集频带范围为1-200MHz，所述宽频放电传感器的输出信号U_out与开关柜内局放信号U_sig的对应关系为：

上式是基于多源局部放电检测装置的等效电路得到的，C₁是所述等效电路中局放源与所述针电极之间的等效电容，C₂是所述针电极与所述板电极之间的等效电容，R是所述多源局部放电检测装置的等效电阻，s是拉普拉斯变化中引入的参数，其中s＝jω。

3.如权利要求2所述的宽频放电传感器，其特征在于，所述绝缘层板上的所述环形凸起的高度不低于所述板电极厚度。

4.如权利要求3所述的宽频放电传感器，其特征在于，所述针电极与所述绝缘层板之间的位置关系为相互垂直。

5.如权利要求4所述的宽频放电传感器，其特征在于，所述电路板的侧边与所述板电极下表面之间固定连接，所述针电极与所述电路板之间通过实心的、具有转角的针电极连接件相连接，所述板电极连接件保持与所述针电极连接件之间同轴设置、内壁与所述针电极连接件之间的距离为d。

6.如权利要求5所述的宽频放电传感器，其特征在于，所述针电极材质为铜，所述板电极为下表面附着铜材质。

7.如权利要求6所述的宽频放电传感器，其特征在于，还包括绝缘壳体，所述电路板置于所述绝缘壳体内、并与所述绝缘壳体之间相互固定，所述针电极、所述板电极、所述绝缘层板置于所述绝缘壳体外；所述绝缘壳体上具有卡槽和固定吊环。

8.一种多源局部放电检测装置，其特征在于，包括：两个宽频放电传感器和主机，其中，两个所述宽频放电传感器分别作为主端传感器和从端传感器，所述主机由微处理器、高频数据采集单元、滤波放大单元以及供电单元组成；

所述高频数据采集单元，用于通过所述采集卡采集两个所述宽频放电传感器的输出信号；

所述滤波放大单元，对两个所述宽频放电传感器的输出信号进行滤波降噪；

所述微处理器，与所述高频数据采集单元和所述滤波放大单元相连接，用于触发所述高频数据采集单元进行信号采集；接收经所述滤波放大单元处理后的信号并发送至计算机终端；

所述供电单元，用于为所述微处理器、所述高频数据采集单元和所述滤波放大单元供电。

9.如权利要求8所述的多源局部放电检测装置，其特征在于，所述采集卡为采样率1.25GS/s、采样位数8位的四通道数据采集卡。

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