JP4450749B2 - Partial discharge position locator - Google Patents
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Description
この発明は、配電・送変電設備等から発生する部分放電源の位置を標定する部分放電位置標定装置に関するものである。 The present invention relates to a partial discharge position locating device for locating a partial discharge power source generated from a power distribution / transmission / transformation facility or the like.
電力機器の機能維持、故障の未然防止の観点から変電所設備機器の部分放電を非接触で検出する方法として、例えば、部分放電源から放射される電磁波を複数の検出用アンテナで受信し、電磁波空間位相差法を用いて部分放電信号の検出を行う方法が提案されている。その方法に示された位置標定実験装置の例では、77kVガス絶縁開閉装置(GIS)を囲み50m4方に配置した4本の検出用アンテナにより放電信号を受信し、そのうちの例えば2つの検出用アンテナで受信したときの到達時間T1及びT2の時間差(ΔT=T2−T1)を求め、双曲線法を用いて放電点の位置標定を行っている。位相差(時間差)を求める方法は、検出用アンテナにより受信された2つの信号をデジタルオシロスコープに取り込み、パソコンを用いて、時間平均、標準化した後、フーリエ変換により周波数領域に変換する。その後、相互関数を求め、適応フィルタを通したのち、逆フーリエ変換により時間領域に変換し、アンテナ間の到達時間差を求めている。2対ごとのアンテナの時間差を求めることより部分放電の位置を算出することができる(非特許文献1参照)。 As a method for detecting the partial discharge of substation equipment in a non-contact manner from the viewpoint of maintaining the function of power equipment and preventing breakdowns, for example, receiving electromagnetic waves radiated from partial discharge sources with multiple detection antennas, A method of detecting a partial discharge signal using a spatial phase difference method has been proposed. In the example of the positioning experiment apparatus shown in the method, a discharge signal is received by four detection antennas arranged in a direction of 50 m 4 surrounding a 77 kV gas insulated switchgear (GIS), for example, two detection antennas among them. The time difference (ΔT = T2−T1) between the arrival times T1 and T2 when received at 1 is obtained, and the location of the discharge point is determined using the hyperbola method. As a method for obtaining a phase difference (time difference), two signals received by a detection antenna are taken into a digital oscilloscope, time averaged and standardized using a personal computer, and then converted into a frequency domain by Fourier transformation. Thereafter, a mutual function is obtained, passed through an adaptive filter, and then converted into the time domain by inverse Fourier transform to obtain an arrival time difference between the antennas. The position of partial discharge can be calculated by obtaining the time difference between two pairs of antennas (see Non-Patent Document 1).
上記に示すような従来の部分放電の位置標定装置は、変電所設備機器のように部分放電が比較的狭い範囲で特定されており、検出用アンテナを広い間隔で設置できるような場所での測定では有効であるが、上記技術では、アンテナ信号を直接デジタルで取り込んでいるため、位置を精度よく標定するには高速のデジタルオシロスコープ、たとえば数ギガサンプリング/チャンネルが必要であり、このような装置は高価で、かつ形状,重量も大きいという問題点を有していた。
例えば、不特定場所の配電柱上の電力設備から発生する部分放電を検出するような場合の部分放電位置標定装置では、携帯性が要求されるため、アンテナの間隔を狭くし、かつ高精度にする必要がある。従ってこのような測定対象には、精度,携帯性,経済性の面から、上記のような従来技術をそのまま適用するのは困難であった。
The conventional partial discharge position locator as shown above is measured in a place where the partial discharge is specified in a relatively narrow range, such as substation equipment, and the detection antennas can be installed at wide intervals. Although effective, the above technique directly captures the antenna signal digitally, so a high-speed digital oscilloscope, such as several gigasamples / channel, is required to accurately locate the position. It was expensive and had the problem of large shape and weight.
For example, in the partial discharge position locating device in the case of detecting partial discharge generated from power equipment on a distribution pole in an unspecified location, portability is required, so the interval between antennas is narrowed and the accuracy is high. There is a need to. Therefore, it has been difficult to apply the above-described conventional technology as it is to such a measurement object in terms of accuracy, portability, and economy.
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、高精度で部分放電を検出でき、かつ、小型軽量で安価な部分放電位置標定装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain a partial discharge position locating device that can detect a partial discharge with high accuracy, and is small, light, and inexpensive.
この発明に係わる部分放電位置標定装置は、配電・送変電設備から発生する部分放電による電磁波を少なくとも第1と第2の2つの受信アンテナで受信し、部分放電源と両受信アンテナ間との距離に応じた受信信号の位相差を求めて部分放電の位置を標定する部分放電位置標定装置において、第1の受信アンテナで受信した受信信号及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から、それぞれ特定の周波数成分の信号を抽出するバンドパスフィルタと、位相角0とπ/2の2つの中間周波数を生成する局部発振器と、バンドパスフィルタにより抽出した両信号に中間周波数をミキシングして直交検波を行ったのち、低周波成分の信号を取り出す手段と、取り出した低周波成分の信号をA/D変換するA/D変換器と、A/D変換後の低周波成分の信号の除算処理を行って両受信信号の位相差を算出する演算手段とを有するものである。
The partial discharge position locating device according to the present invention receives electromagnetic waves caused by partial discharge generated from distribution / transmission / transformation equipment by at least the first and second receiving antennas, and the distance between the partial discharge power source and the two receiving antennas. In the partial discharge position locating device that determines the position of the partial discharge by obtaining the phase difference of the received signal in accordance with the received signal, it is specified from the received signal received by the first receiving antenna and the received signal received by the second receiving antenna, respectively. The bandpass filter that extracts the signal of the frequency component, the local oscillator that generates two intermediate frequencies with
また、第1の受信アンテナで受信した受信信号及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から、それぞれ特定の周波数成分の信号を抽出するバンドパスフィルタと、第2の受信アンテナ側からの抽出信号を位相を遅延させて第1の受信アンテナ側からの抽出信号と乗算したのち低周波成分の信号を取り出す手段と、第1の受信アンテナ側からの抽出信号を位相を遅延させて第2の受信アンテナ側からの抽出信号と乗算したのち低周波成分の信号を取り出す手段と、取り出した両低周波成分の信号をA/D変換するA/D変換器と、A/D変換後の両低周波成分の信号の和と差を利用し除算処理を行って両受信信号の位相差を算出する演算手段とを有するものである。
In addition, a band-pass filter that extracts a signal of a specific frequency component from a reception signal received by the first reception antenna and a reception signal received by the second reception antenna, respectively , and an extraction signal from the second reception antenna side means to eject the signal of the low frequency component After multiplying the extracted signal from the first reception antenna side by delaying the phase of the, first by the extraction signal from the first reception antenna side delays the
この発明の部分放電位置標定装置によれば、第1の受信アンテナで受信した受信信号及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から特定の周波数成分を抽出し、中間周波数をミキシングして直交検波を行ったのち、低周波成分を取り出しA/D変換して両受信信号の比から位相差を算出するようにしたので、部分放電電磁波信号の位相差を広い角度の範囲に亘り高精度で捉えることができる。また、高周波回路の演算にアナログ回路を用いることにより小型,軽量で安価な部分放電位置標定装置を得ることができる。 According to the partial discharge position locating apparatus of the present invention, a specific frequency component is extracted from the received signal received by the first receiving antenna and the received signal received by the second receiving antenna, and the intermediate frequency is mixed to perform quadrature detection. Since the low-frequency component is extracted and A / D converted to calculate the phase difference from the ratio of the two received signals, the phase difference of the partial discharge electromagnetic wave signal is captured with high accuracy over a wide angle range. be able to. Further, by using an analog circuit for the calculation of the high frequency circuit, a small, light and inexpensive partial discharge position locating device can be obtained.
また、第1の受信アンテナで受信した受信信号及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から特定の周波数成分を抽出し、一方のアンテナ出力の原波形と他方のアンテナ出力の遅延させた波形とを互いに乗算したのち、低周波成分の信号を取り出してA/D変換し、両低周波成分の信号の和と差の比から両受信信号の位相差を算出するようにしたので、回路を対称に設計できるため温度ドリフトなどの誤差要素を除去して高精度で部分放電電磁波信号の位相差を検出できる。また、高周波回路の演算にアナログ回路を用いることにより小型,軽量で安価な部分放電位置標定装置を得ることができる。 In addition, a specific frequency component is extracted from the received signal received by the first receiving antenna and the received signal received by the second receiving antenna, and the original waveform of one antenna output and the delayed waveform of the other antenna output, After multiplying each other, the low frequency component signal is taken out and A / D converted, and the phase difference between both received signals is calculated from the ratio of the sum and difference of both low frequency component signals. Therefore, the phase difference of the partial discharge electromagnetic wave signal can be detected with high accuracy by removing error elements such as temperature drift. Further, by using an analog circuit for the calculation of the high frequency circuit, a small, light and inexpensive partial discharge position locating device can be obtained.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による部分放電位置標定装置の信号処理ブロック図である。以下、図に従ってブロック図の構成と信号処理手順を説明する。
例えば、配電・送変電設備等の電気設備機器の絶縁劣化等により部分放電が発生すると、部分放電源から電磁波が放射される。このような空気中での部分放電による電磁波信号は、例えば、ns(ナノ秒)オーダで急峻に立ち上がる単発パルス信号が断続して発生し、20MHz〜数百MHzの周波数範囲に亘ってスペクトルが連続分布するような波形である。
1 is a signal processing block diagram of a partial discharge position locating apparatus according to
For example, when partial discharge occurs due to insulation deterioration of electrical equipment such as power distribution / transmission / transformation equipment, electromagnetic waves are radiated from the partial discharge source. Such an electromagnetic wave signal due to partial discharge in the air is generated, for example, by intermittent single pulse signals that rise sharply in the order of ns (nanoseconds), and the spectrum is continuous over a frequency range of 20 MHz to several hundred MHz. The waveform is distributed.
上記のような部分放電源からの電磁波信号を、所定の距離(例えば、数十cm以下)だけ離隔して設けた複数の受信アンテナ、本実施の形態では第1の受信アンテナ1Aと第2の受信アンテナ1Bの2本の受信アンテナで受信する。受信したそれぞれの受信信号をバンドパスフィルタ(以下BPFと略す)2A及び2Bを通過させて所定の周波数(例えば400MHz)成分の電磁波信号を抽出する。
A plurality of receiving antennas provided with the electromagnetic wave signals from the partial discharge sources as described above separated by a predetermined distance (for example, several tens of centimeters or less), in the present embodiment, the first receiving
また、局部発振器3により、位相角0とπ/2の2つの中間周波数(例えば、340MHzの矩形波。但し、矩形波に限定せず、正弦波等でもよい)の信号を発振させておく。第1の受信アンテナ1AからBPF2Aを通過した信号S1(t)と、局部発振器3からの位相角π/2の矩形波とを高周波掛算器4Aにより乗算し、ローパスフィルタ(以下LPFと略す)5Aを通過させてその低周波成分を抽出する。一方、第2の受信アンテナ1BからBPF2Bを通過した信号S2(t)と、局部発振器3からの位相角0の矩形波とを高周波掛算器4Bにより乗算し、LPF5Bを通過させてその低周波成分を抽出する。更に、BPF2Aからの信号S1(t)と、局部発振器3からの位相角0の矩形波とを高周波掛算器4Cにより乗算し、LPF5Cを通過させてその低周波成分を抽出する。
Further, the
次に、LPF5Aからの出力信号とLPF5Bからの出力信号を低周波掛算器6Aで乗算し、LPF7Aで低周波成分を抽出してサンプルホールド8Aによりサンプリングしたのち、A/D変換器9によってアナログ信号をデジタル信号に変換し、マイクロプロセッサ10へ入力する。同様に、LPF5Bからの出力信号とLPF5Cからの出力信号を低周波掛算器6Bで乗算し、LPF7Bで低周波成分を抽出してサンプルホールド8Bによりサンプリングしたのち、A/D変換器9によってアナログ信号をデジタル信号に変換し、マイクロプロセッサ10へ入力する。マイクロプロセッサ10では、2つの信号データを後述の理論式により演算して部分放電電磁波信号の到達位相差を求める。
Next, the output signal from the
上記のように、本実施の形態の回路では、第1の受信アンテナ1Aで受信した受信信号及び第2の受信アンテナ1Bで受信した受信信号から、それぞれバンドパスフィルタ2A,2Bを通し特定の周波数成分の信号を抽出し、抽出した両信号に、π/2だけ位相をずらせた2つの中間周波数をミキシングして、振幅とアンテナへの到達位相差情報が保持されたまま、BPF通過後の周波数と中間周波数の差に応じた周波数の信号を取り出し、直交検波を行ったのち、その低周波成分の信号を抽出してA/D変換し、デジタル演算を行って位相差を求めるものである。高周波回路部の演算にはアナログ回路を用いてアナログ処理を行っている。
As described above, in the circuit according to the present embodiment, a specific frequency is obtained from the received signal received by the first receiving
上記の装置において、受信アンテナは1A,1Bには、例えば、ロッドアンテナを使用する。局部発振器3には、例えば、小型軽量でノイズ特性に優れた電圧制御発振器(VCO)を使用する。また、BPF2A,2Bには、例えば、400MHzの表面弾性波フィルタ(SAW)を使用する。SAWは帯域幅が狭く要素間の値のばらつきが少ないので、単発パルス信号である部分放電信号から個体差(ばらつき)のない安定した20サイクル程度の出力波形が得られることを確認している。
In the above apparatus, for example, rod antennas are used for the
次に、数式を用いて、図1のブロック図の動作を説明する。
部分放電による単発パルス信号が第1の受信アンテナ1A及び第2の受信アンテナ1Bで受信されたときの、BPF2A及び2Bを通過後の出力をそれぞれS1(t)及びS2(t)とすると、次のように表すことができる。
S1(t)=E1(t)×sin(ωt)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
S2(t)=E2(t)×sin(ω(t−Δt))・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
ここでE1(t),E2(t)はエンベロープ関数、ωはBPFの通過角周波数、Δtは電磁波信号の到達時間差である。
Next, the operation of the block diagram of FIG. 1 will be described using mathematical expressions.
When the single pulse signals due to partial discharge are received by the first receiving
S 1 (t) = E 1 (t) × sin (ωt) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ (1)
S 2 (t) = E 2 (t) × sin (ω (t−Δt)) 2)
Here, E 1 (t) and E 2 (t) are envelope functions, ω is the passing angular frequency of the BPF, and Δt is the arrival time difference of the electromagnetic wave signal.
また、局部発振器3から出力する位相がπ/2異なった2つの矩形波の、それぞれの基本波(ω0)成分をV1(t)及びV2(t)とすると次のように表すことができる。
V1(t)=V0×sin(ω0t+φ)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
V2(t)=V0×sin(ω0t+φ+π/2)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
ここで、φは局部発振器3の位相角である。
In addition, when the fundamental wave (ω 0 ) components of two rectangular waves having a phase difference of π / 2 output from the
V 1 (t) = V 0 × sin (ω 0 t + φ) (3) )
V 2 (t) = V 0 × sin (ω 0 t + φ + π / 2) (4)
Here, φ is the phase angle of the
S1(t)とV1(t)とを乗算して得られる出力をVout11(t)、S1(t)とV2(t)とを乗算して得られる出力をVout12(t)、また、S2(t)とV1(t)とを乗算して得られる信号をVout21(t)とおくと、
Vout11(t)=S1(t)×V1(t)
=V0×E1(t)×cos((ω−ω0)t−φ)/2
−V0×E1(t)×cos((ω+ω0)t+φ)/2・・・・・・・・・・・(5)
Vout12(t)=S1(t)×V2(t)
=V0×E1(t)×cos((ω−ω0)t−φ−π/2)/2
−V0×E1(t)×cos((ω+ω0)t+φ+π/2)/2
=V0×E1(t)×sin((ω−ω0)t−φ)/2
−V0×E1(t)×sin((ω+ω0)t+φ)/2・・・・・・・・・・(6)
Vout21(t)=S2(t)×V1(t)
=V0×E2(t)×cos((ω−ω0)t−ωΔt−φ)/2
−V0×E1(t)×cos((ω+ω0)t−ωΔt+φ)/2・・・(7)
となる。すなわち、アンテナの受信信号のLPF通過後の周波数と局部発振器3の周波数の和の周波数の信号成分と、差の信号成分が加算されて出力される。
The output obtained by multiplying S 1 (t) and V 1 (t) is Vout 11 (t), and the output obtained by multiplying S 1 (t) and V 2 (t) is Vout 12 (t ), And a signal obtained by multiplying S 2 (t) and V 1 (t) by Vout 21 (t),
Vout 11 (t) = S 1 (t) × V 1 (t)
= V 0 × E 1 (t) × cos ((ω−ω 0 ) t−φ) / 2
−V 0 × E 1 (t) × cos ((ω + ω 0 ) t + φ) / 2 (5)
Vout 12 (t) = S 1 (t) × V 2 (t)
= V 0 × E 1 (t) × cos ((ω−ω 0 ) t−φ−π / 2) / 2
−V 0 × E 1 (t) × cos ((ω + ω 0 ) t + φ + π / 2) / 2
= V 0 × E 1 (t) × sin ((ω−ω 0 ) t−φ) / 2
−V 0 × E 1 (t) × sin ((ω + ω 0 ) t + φ) / 2 (6)
Vout 21 (t) = S 2 (t) × V 1 (t)
= V 0 × E 2 (t) × cos ((ω−ω 0 ) t−ωΔt−φ) / 2
−V 0 × E 1 (t) × cos ((ω + ω 0 ) t−ωΔt + φ) / 2 (7)
It becomes. That is, the signal component of the sum of the frequency after the LPF of the reception signal of the antenna and the frequency of the
次に、LPF5A〜5Cによりこれらの信号から低周波成分を取り出し、その出力をV11(t),V12(t)及びV21(t)とおくと、
V11(t)=V0×E1(t)×cos((ω−ω0)t−φ)/2・・・・・・・・・・・・・・(8)
V12(t)=V0×E1(t)×sin((ω−ω0)t−φ)/2・・・・・・・・・・・・・・(9)
V21(t)=V0×E2(t)×cos((ω−ω0)t−ωΔt−φ)/2・・・・・(10)
となる。上記のように振幅と位相(電磁波信号の到達時間差)情報が保存されている。
Next, low-frequency components are extracted from these signals by the
V 11 (t) = V 0 × E 1 (t) × cos ((ω-ω 0) t-φ) / 2 ·············· (8)
V 12 (t) = V 0 × E 1 (t) × sin ((ω−ω 0 ) t−φ) / 2 (9)
V 21 (t) = V 0 × E 2 (t) × cos ((ω−ω 0 ) t−ωΔt−φ) / 2 (10)
It becomes. As described above, amplitude and phase (difference in arrival time of electromagnetic wave signal) information is stored.
次に、V11(t)とV21(t)、及びV21(t)とV12(t)をそれぞれ低周波掛算器6B,6Aにより乗算して得られた直交検波出力を、V11・21(t)及びV12・21(t)とすると、
V11・21(t)=V11(t)×V21(t)
=(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×cos(2(ω−ω0)t−ωΔt−2φ)
+(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×cos(ωΔt)・・・・・・・(11)
V12・21(t)=V12(t)×V21(t)
=(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×sin(2(ω−ω0)t−ωΔt−2φ)
+(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×sin(ωΔt)・・・・・・・(12)
となる。
Next, the quadrature detection output obtained by multiplying V 11 (t) and V 21 (t) and V 21 (t) and V 12 (t) by the
V 11 ・ 21 (t) = V 11 (t) × V 21 (t)
= (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × cos (2 (ω−ω 0 ) t−ωΔt−2φ)
+ (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × cos (ωΔt) (11)
V 12 ・ 21 (t) = V 12 (t) × V 21 (t)
= (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × sin (2 (ω−ω 0 ) t−ωΔt−2φ)
+ (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × sin (ωΔt) (12)
It becomes.
上記の式11及び式12からLPF7A,7Bにより低周波成分を取り出すことにより直流分のみを取りだすことができる。LPF7Aからの出力をVout1(t)、LPF7Bからの出力をVout2(t)とすると、
Vout1(t)=(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×cos(ωΔt)・・・・・・(13)
Vout2(t)=(1/8)×V0 2×E1(t)×E2(t)×sin(ωΔt)・・・・・・(14)
Only the DC component can be extracted by extracting the low frequency component from the above equations 11 and 12 by the
Vout 1 (t) = (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × cos (ωΔt) (13)
Vout 2 (t) = (1/8) × V 0 2 × E 1 (t) × E 2 (t) × sin (ωΔt) (14)
上記の式13及び式14より、次の式15が得られる。
tan(ωΔt)=Vout2(t)/Vout1(t)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(15)
これより、到達位相差θ(=ωΔt)は、
θ=tan−1(Vout2(t)/Vout1(t))・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(16)
として求めることができる。
From the
tan (ωΔt) = Vout 2 (t) / Vout 1 (t) (15)
From this, the arrival phase difference θ (= ωΔt) is
θ = tan −1 (Vout 2 (t) / Vout 1 (t)) (16)
Can be obtained as
以上の理論式が意味するところは、部分放電の電磁波の到達時間差はBPF2A,2B通過後の包絡線波形E1(t)及びE2(t)の波形に依存せず求められるということである。例えば、BPF2A,2Bの周波数を400MHz,局部発振器3の周波数を340MHzとすると、上記式8〜10部分のV12(t),V11(t)及びV21(t)の周波数は、その差分である60MHzに低周波化され、さらに直交検波及びLPFにより直流化される。
次に、この信号はサンプルホールド8A,8Bを通過後A/D変換器9でデジタル信号に変換され、マイクロプロセッサ10内で式16の演算を行って到達時間差を求める。
The above theoretical formula means that the arrival time difference of electromagnetic waves of partial discharge can be obtained without depending on the waveforms of the envelope waveforms E 1 (t) and E 2 (t) after passing through the
Next, this signal passes through the sample-and-
最終的には、この時間差Δtから、部分放電源とアンテナの角度Θを次式により算出することができる。
Θ=sin−1(c×Δt/D)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(17)
ここで、Dは受信アンテナ間距離、cは光速である。
角度が分かれば、複数箇所で測定するか、受信アンテナの数を増やして測定する等の方法で、部分放電発生源の位置を特定し標定することができる。
位置が標定できれば、例えば、パソコン等の画面上に測定地域の配電・送変電設備等の配置図(地図)を表示させ、上記で算出した電磁波発生源の位置をスーパーインポーズすることも可能である。
Finally, from this time difference Δt, the angle Θ between the partial discharge source and the antenna can be calculated by the following equation.
Θ = sin −1 (c × Δt / D) (17) )
Here, D is the distance between the receiving antennas, and c is the speed of light.
If the angle is known, the position of the partial discharge generation source can be specified and determined by measuring at a plurality of locations or by increasing the number of receiving antennas.
If the location can be determined, for example, it is possible to display the layout (map) of the distribution / transmission / transformation equipment in the measurement area on the screen of a personal computer etc. and superimpose the location of the electromagnetic wave source calculated above. is there.
上述の理論式の妥当性を検証するためにシミュレーションを行った。図2はそのシミュレーション波形である。(a)はBPF2B(400MHz)通過後の波形であり,振幅一定の定常波を模擬している。ただし,BPF通過後における実際の部分放電磁波形とは異なる。(b)は(a)の波形と局部発振器3(矩形波340MHz)とを高周波掛算器4Bで乗算した後の波形で、740MHzと60MHzの周波数成分が含まれている。また、(c)はLPF5B通過後の波形であり,60MHzの周波数成分が含まれている。他の部分の波形についてもシミュレーションを行い前述の理論式の妥当性を確認した。
A simulation was performed to verify the validity of the above theoretical formula. FIG. 2 shows the simulation waveform. (A) is a waveform after passing through BPF2B (400 MHz), and simulates a stationary wave having a constant amplitude. However, it differs from the actual partial discharge waveform after passing through the BPF. (B) is a waveform obtained by multiplying the waveform of (a) and the local oscillator 3 (rectangular wave 340 MHz) by the
以上のように、本実施の形態の発明によれば、第1の受信アンテナで受信した受信信号及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から特定の周波数成分を抽出し、中間周波数をミキシングして直交検波を行ったのち、低周波成分を取り出しA/D変換して両受信信号の比から位相差を算出するようにしたので、部分放電電磁波信号の位相差を広い角度の範囲に亘り高精度で捉えることができる。また、高周波回路の演算にアナログ回路を用いることにより小型,軽量で安価な部分放電位置標定装置を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the specific frequency component is extracted from the received signal received by the first receiving antenna and the received signal received by the second receiving antenna, and the intermediate frequency is mixed. After performing quadrature detection, the low-frequency component is extracted and A / D converted to calculate the phase difference from the ratio of both received signals. Therefore, the phase difference of the partial discharge electromagnetic wave signal is increased over a wide angle range. Can be captured with accuracy. Further, by using an analog circuit for the calculation of the high frequency circuit, a small, light and inexpensive partial discharge position locating device can be obtained.
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2による部分放電位置標定装置の信号処理ブロック図である。図に従って説明すると、先ず、実施の形態1と同様に、部分放電源からの信号を、所定の距離を空けて設けられた複数の受信アンテナ、本実施の形態では第1の受信アンテナ1Aと第2の受信アンテナ1Bの2本のアンテナで受信し、それぞれバンドパスフィルタ(BPF)2A,2Bにより所定の周波数(例えば400MHz)の信号を抽出する。
第1の受信アンテナ1Aで受信しBPF2Aを通過した信号S1(t)は、デバイダ11Aで線路反射の影響をなくして3つに分割し、位相器12A、高周波掛算器13A及びログアンプ14へ出力する。一方、第2のアンテナ1Bで受信してBPF2Bを通過した信号S2(t)は、デバイダ11Bで2つに分割し、位相器12Bと高周波掛算器13Bへ出力する。
FIG. 3 is a signal processing block diagram of a partial discharge position locating apparatus according to
The signal S 1 (t) received by the
次に、S1(t)を位相器12Aで所定時間(例えば、π/4)だけ遅延させて得た信号Vfs1(t)とS2(t)とを高周波掛算器13Bで乗算し、その結果をローパスフィルタ(LPF)15Bで処理し、高周波成分を除去する。同様に、S2(t)を位相器12Bで所定時間だけ遅延させて得た信号Vfs2(t)とS1(t)とを高周波掛算器13Aで乗算し、その結果をLPF15Aで処理し、高周波成分を除去する。次に、それぞれサンプルホールド16A,16Bでサンプリングした後、A/D変換器17A,17Bによってデジタル信号に変換し、マイクロプロセッサ18に入力する。マイクロプロセッサ18では、2つの信号データを後述の理論式により演算して到達位相差を求める。なお、BPF2A,2Bには、実施の形態1と同様に、例えば、400MHzの表面弾性波フィルタ(SAW)を使用する。高周波回路部の演算にはアナログ回路を用いてアナログ処理を行っている。
Next, the signal Vfs 1 (t) obtained by delaying S 1 (t) by a predetermined time (for example, π / 4) by the
次に、数式を用いて、このブロック図の動作を説明する。
部分放電発生源からの単発パルス信号が第1の受信アンテナ1A及び第2の受信アンテナ1Bで受信されたときのBPF2A,2Bの出力をそれぞれS1(t)及びS2(t)とすると、実施の形態1と同様に、以下のように表すことができる。
Next, the operation of this block diagram will be described using mathematical expressions.
When the single pulse signals from the partial discharge source are received by the
S1(t)=E1(t)×sin(ωt)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
S2(t)=E2(t)×sin(ω(t−Δt))・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
ここでE1(t),E2(t)はエンベロープ関数、ωはBPFの通過角周波数、Δtは電磁波信号の到達時間差である。
S 1 (t) = E 1 (t) × sin (ωt) (・ ・ ・ ・ ・) 1)
S 2 (t) = E 2 (t) × sin (ω (t−Δt)) (2)
Here, E 1 (t) and E 2 (t) are envelope functions, ω is the passing angular frequency of the BPF, and Δt is the arrival time difference of the electromagnetic wave signal.
BPF2A,2Bの出力S1(t)及びS2(t)を、デバイダ11A,11Bにより分割して位相器12A,12Bにより遅延させて得られる出力信号をそれぞれVfs1(t),Vfs2(t)とし、位相器12A及び12Bの遅延時間をそれぞれTd1及びTd2とすると、
Vfs1(t)=E1(t)×sin(ω(t−Td1))・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(18)
Vfs2(t)=E2(t)×sin(ω(t−Δt−Td2))・・・・・・・・・・・・・・・・・・(19)
となる。
Output signals obtained by dividing the outputs S 1 (t) and S 2 (t) of the
Vfs 1 (t) = E 1 (t) × sin (ω (t−Td 1 )) (18)
Vfs 2 (t) = E 2 (t) × sin (ω (t−Δt−Td 2 )) (19)
It becomes.
次に、S1(t)とVfs2(t)、S2(t)とVfs1(t)を高周波掛算器13A,13Bにより乗算して得られる出力をそれぞれVdc12(t)及びVdc21(t)とおくと、
Vdc12(t)=S1(t)×Vfs2(t)
=E1(t)×E2(t)×sin(ωt)×sinω(t−Δt−Td2)
=(−1/2)×E1(t)×E2(t)×{cosω(2t−Δt−Td2)
−cosω(Δt+Td2)}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(20)
Vdc21(t)=S2(t)×Vfs1(t)
=E1(t)×E2(t)×sinω(t−Δt)×sinω(t−Td1)
=(−1/2)×E1(t)×E2(t)×{cosω(2t−Δt−Td1)
−cosω(Δt+Td1)}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(21)
Next, outputs obtained by multiplying S 1 (t) and Vfs 2 (t), S 2 (t) and Vfs 1 (t) by the
Vdc 12 (t) = S 1 (t) × Vfs 2 (t)
= E 1 (t) × E 2 (t) × sin (ωt) × sin ω (t−Δt−Td 2 )
= (− 1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × {cosω (2t−Δt−Td 2 )
-Cosω (Δt + Td 2 )} ... (20)
Vdc 21 (t) = S 2 (t) × Vfs 1 (t)
= E 1 (t) × E 2 (t) × sin ω (t−Δt) × sin ω (t−Td 1 )
= (− 1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × {cosω (2t−Δt−Td 1 )
−cosω (Δt + Td 1 )} (21)
次に、LPF15A及び15Bを用いて、これらの信号の高周波成分を除去して低周波成分を取り出し、それぞれVfo12(t),Vfo21(t)とすると、
Vfo12(t)=(1/2)×E1(t)×E2(t)×cosω(Δt+Td2)・・・・・・・(22)
Vfo21(t)=(1/2)×E1(t)×E2(t)×cosω(Δt+Td1)・・・・・・・(23)
ここでTd1=Td2=Tdとしてこれらの和及び差をとると
Vfo12(t)+Vfo21(t)=(1/2)×E1(t)×E2(t)×{cosω(Δt+Td)
+cosω(Δt+Td)}
=E1(t)×E2(t)×cos(ωΔt)×cos(ωTd)・・・・(24)
Vfo12(t)−Vfo21(t)=(1/2)×E1(t)×E2(t)×{cosω(Δt+Td)
−cosω(Δt+Td)}
=E1(t)×E2(t)×sin(ωΔt)×sin(ωTd)・・・・(25)
となる。
Next, using the
Vfo 12 (t) = (1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × cosω (Δt + Td 2 ) (22)
Vfo 21 (t) = (1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × cosω (Δt + Td 1 ) (23)
Here, when Td 1 = Td 2 = Td and these sums and differences are taken, Vfo 12 (t) + Vfo 21 (t) = (1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × {cosω ( Δt + Td)
+ Cosω (Δt + Td)}
= E 1 (t) × E 2 (t) × cos (ωΔt) × cos (ωTd) (24)
Vfo 12 (t) −Vfo 21 (t) = (1/2) × E 1 (t) × E 2 (t) × {cosω (Δt + Td)
−cosω (Δt + Td)}
= E 1 (t) × E 2 (t) × sin (ωΔt) × sin (ωTd) (25)
It becomes.
上記の式24を式25で割り算して商を求めると、次のようになる。
{Vfo12(t)−Vfo21(t)}/{Vfo12(t)+Vfo21(t)}
=(1/2)×tan(ωΔt)×tan(ωTd)・・・・・・(26)
式26をKとおき、tan(ωΔt)を求めると、
tan(ωΔt)=K/{tan(ωTd)}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(27)
となる。
ここで、例えば、ωTd=π/4になるようにTdを選べば、
tan(ωΔt)=K・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(28)
となり到達位相差Θ(=ωΔt)は、
Θ=tan−1K・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(29)
から求めることができる。
位相差が分かれば部分放電発生源の位置を標定できるので、実施の形態1と同様に、例えば、パソコン等の画面上に測定地域の配電・送変電設備等の配置図を表示させ、上記で算出した電磁波発生源の位置をスーパーインポーズすることも可能である。
Dividing the above equation 24 by equation 25 to find the quotient gives the following.
{Vfo 12 (t) −Vfo 21 (t)} / {Vfo 12 (t) + Vfo 21 (t)}
= (1/2) × tan (ωΔt) × tan (ωTd) (26)
When Equation 26 is K and tan (ωΔt) is calculated,
tan (ωΔt) = K / {tan (ωTd)} ... (27)
It becomes.
Here, for example, if Td is selected so that ωTd = π / 4,
tan (ωΔt) = K ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ (28)
And the arrival phase difference Θ (= ωΔt) is
Θ = tan −1 K ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・... (29)
Can be obtained from
If the phase difference is known, the position of the partial discharge source can be determined. Therefore, as in the first embodiment, for example, the layout diagram of the distribution / transmission / transformation equipment in the measurement area is displayed on the screen of a personal computer, etc. It is also possible to superimpose the calculated position of the electromagnetic wave generation source.
図3のブロック図のログアンプ14、コンパレータ19は部分放電源からの電磁波強度の時間変化に対応するためのものである。BPF2Aを通過後の波形S1(t)の強度が時間変化する場合、この信号をログアンプ14を通過させた後、コンパレータ19によりトリガ基準信号と比較し、トリガ基準信号以上の信号入力時のみサンプルホールド16A,16B及びA/D変換器17A,17Bにトリガ信号を出すことにより、データの取り込みを開始する。Vfo12及びVfo21の波形をサンプルホールド16A,16Bで直流化した後、A/D変換器17A,17Bで取り込み、マイクロプロセッサ18で式26及び式29を計算し部分放電電磁波の到達時間差を求める。
The
なお、上記のような、トリガタイミング発生回路は、実施の形態1で説明した図1の回路にも、同様に適用することができる。 The trigger timing generation circuit as described above can be similarly applied to the circuit of FIG. 1 described in the first embodiment.
以上のように、本実施の形態の発明によれば、第1及び第2の受信アンテナで受信した受信信号から特定の周波数成分を抽出し、一方のアンテナ出力の原波形と他方のアンテナ出力の遅延させた波形とを互いに乗算したのち、低周波成分の信号を取り出してA/D変換し、両低周波成分の信号の和と差から両受信信号の位相差を算出するようにしたので、回路を対象に設計できるため温度ドリフトなどの誤差要素を除去でき、部分放電電磁波信号の位相差を高精度で検出できる。また、高周波回路の演算にアナログ回路を用いることにより小型、軽量で安価な部分放電位置標定装置を得ることができる。 As described above, according to the invention of this embodiment, a specific frequency component is extracted from the received signals received by the first and second receiving antennas, and the original waveform of one antenna output and the other antenna output are extracted. After multiplying the delayed waveform with each other, the low frequency component signal was taken out and A / D converted, and the phase difference between both received signals was calculated from the sum and difference of both low frequency component signals. Since the circuit can be designed, error elements such as temperature drift can be removed, and the phase difference of the partial discharge electromagnetic wave signal can be detected with high accuracy. Further, by using an analog circuit for the calculation of the high frequency circuit, a small, light and inexpensive partial discharge position locating device can be obtained.
また、実施の形態1,2のいずれにおいても、バンドパスフィルタを表面弾性波フィルタにより構成した場合は、単発パルス信号である部分放電信号から個体差(ばらつき)のない安定した出力波形を取り出すことができる。
また、受信アンテナの受信信号が所定の強度に達したときに、A/D変換のためのトリガ信号を出力するようにしたので、受信信号のノイズや装置を構成するデバイスのばらつき要素を排除し、信号の取り出し精度を向上させることができる。
更にまた、算出した位相差から求められた部分放電源の位置を、例えば、パソコン等に取り込み、配電・送変電設備の配置(地図)を表示させた表示画面上にスーパーインポーズした場合は、発生源を視覚的に容易に認識することができる。
In any of the first and second embodiments, when the band-pass filter is constituted by a surface acoustic wave filter, a stable output waveform without individual difference (variation) is extracted from a partial discharge signal that is a single pulse signal. Can do.
In addition, since the trigger signal for A / D conversion is output when the received signal of the receiving antenna reaches a predetermined intensity, the noise of the received signal and the variation elements of the devices constituting the apparatus are eliminated. The accuracy of signal extraction can be improved.
Furthermore, when the position of the partial discharge power source obtained from the calculated phase difference is taken into a personal computer, for example, and superimposed on the display screen displaying the distribution (transmission / transformation equipment arrangement) (map), The source can be easily recognized visually.
なお、受信アンテナは2本の場合について説明したが、更に本数を増やし、例えば3本の受信アンテナで同時に測定すれば、受信アンテナを回転させたり、移動させる等の動作が不要になり、測定精度の向上と測定時間の短縮を図ることができる。 In addition, although the case where the number of receiving antennas is two has been described, if the number of antennas is further increased and, for example, measurement is simultaneously performed with three receiving antennas, an operation such as rotating or moving the receiving antenna becomes unnecessary, and measurement accuracy is improved. Can be improved and measurement time can be shortened.
電気設備における絶縁物劣化で生じる部分放電や、環境中での不要な電磁波源を離れた場所から簡単に検出できる部分放電源の位置標定に広く適用できる。 It can be widely applied to the location of a partial discharge that can be easily detected from a remote location, such as a partial discharge caused by an insulator deterioration in an electrical facility, or an unnecessary electromagnetic wave source in the environment.
1A 第1の受信アンテナ
1B 第2の受信アンテナ
2A,2B バンドパスフィルタ
3 局部発振器
4A,4B,4C,13A,13B 高周波掛算器
5A,5B,5C,7A,7B,15A,15B ローパスフィルタ
6A,6B 低周波掛算器
9,17A,17B A/D変換器
10,18 マイクロプロセッサ
12A,12B 位相器
19 コンパレータ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記第1の受信アンテナで受信した受信信号及び上記第2の受信アンテナで受信した受信信号から、それぞれ特定の周波数成分の信号を抽出するバンドパスフィルタと、
位相角0とπ/2の2つの中間周波数を生成する局部発振器と、
上記バンドパスフィルタにより抽出した両信号に上記中間周波数をミキシングして直交検波を行ったのち、低周波成分の信号を取り出す手段と、
取り出した上記低周波成分の信号をA/D変換するA/D変換器と、
A/D変換後の上記低周波成分の信号の除算処理を行って上記両受信信号の位相差を算出する演算手段とを有することを特徴とする部分放電位置標定装置。 The electromagnetic waves generated by the partial discharge generated from the power distribution / transmission / transformation equipment are received by at least the first and second receiving antennas, and the phase difference of the received signal is determined according to the distance between the partial discharge source and the two receiving antennas. In the partial discharge position locating device for locating the partial discharge position,
A band-pass filter that extracts a signal of a specific frequency component from the reception signal received by the first reception antenna and the reception signal received by the second reception antenna ;
A local oscillator that generates two intermediate frequencies of phase angle 0 and π / 2;
After performing quadrature detection by mixing the intermediate frequency to both signal extracted by the band-pass filter, and it means to eject the signal of the low-frequency component,
An A / D converter for A / D converting the extracted low-frequency component signal;
A partial discharge position locating apparatus comprising: an arithmetic means for performing a division process on the low frequency component signal after A / D conversion and calculating a phase difference between the two received signals.
上記第1の受信アンテナで受信した受信信号及び上記第2の受信アンテナで受信した受信信号から、それぞれ特定の周波数成分の信号を抽出するバンドパスフィルタと、
上記第2の受信アンテナ側からの抽出信号を位相を遅延させて上記第1の受信アンテナ側からの抽出信号と乗算したのち低周波成分の信号を取り出す手段と、
上記第1の受信アンテナ側からの抽出信号を位相を遅延させて上記第2の受信アンテナ側からの抽出信号と乗算したのち低周波成分の信号を取り出す手段と、
取り出した上記両低周波成分の信号をA/D変換するA/D変換器と、
A/D変換後の上記両低周波成分の信号の和と差を利用し除算処理を行って上記両受信信号の位相差を算出する演算手段とを有することを特徴とする部分放電位置標定装置。 The electromagnetic waves generated by the partial discharge generated from the power distribution / transmission / transformation equipment are received by at least the first and second receiving antennas, and the phase difference of the received signal is determined according to the distance between the partial discharge source and the two receiving antennas. In the partial discharge position locating device for locating the partial discharge position,
A band-pass filter that extracts a signal of a specific frequency component from the reception signal received by the first reception antenna and the reception signal received by the second reception antenna ;
Means to eject the signal of the low frequency component After multiplying the extracted signal from the extracted signal by delaying the phase of the first reception antenna side from the second receiving antenna side,
Means to eject the signal of the low frequency component After multiplying the extracted signal from the extracted signal by delaying the phase the second receiving antenna side from the first receiving antenna side,
An A / D converter for A / D converting the extracted signals of both low frequency components;
A partial discharge position locating device comprising: an arithmetic means for calculating a phase difference between the two received signals by performing a division process using the sum and difference of the signals of the two low frequency components after A / D conversion. .
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