《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》是國網上海市電力公司、紅相股份有限公司於2013年11月1日申請的專利，該專利的申請號為2013105308940，公布號為CN103529371A，授權公布日為2014年1月22日，發明人是盧慧清、吳篤貴、江福官、周彥、朱旻捷、顧愛斌、王勤、蔣華勤。
《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》公開一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其包括感測單元和監控主機；感測單元是由暫態地電壓感測單元和超音波感測單元組成；監控主機是由信號調理單元、信號處理單元、顯示單元、超音波信號監聽單元和供電單元組成；暫態地電壓感測單元和超音波感測單元，分別與信號調理單元的多個輸入端相連線，信號調理單元的多個輸出端分別與信號處理單元、超音波信號監聽單元相連線；信號處理單元的輸出端與顯示單元相連線；供電單元分別與信號調理單元、信號處理單元、顯示單元、超音波信號監聽單元相連線，提供工作電源；感測單元獲取感測信號，監控主機接收該感測單元的檢測信號。
2018年12月20日，《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置
- 公告號：CN103529371A
- 授權日：2014年1月22日
- 申請號：2013105308940
- 申請日：2013年11月1日
- 申請人：國網上海市電力公司、紅相股份有限公司
- 地址：上海市黃浦區南京東路181號
- Int.Cl.：G01R31/12(2006.01)I
- 發明人：盧慧清、吳篤貴、江福官、周彥、朱旻捷、顧愛斌、王勤、蔣華勤
- 代理機構：上海信好專利代理事務所（普通合夥）
- 代理人：周榮芳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2013年11月1日，配電設備絕緣和載流故障約占故障發生總數的30%-50%，為配電設備的主要故障。絕緣和載流故障的發生都伴有局部放電現象產出，通過檢測配電設備的局部放電狀態判斷和分析配電設備絕緣狀況是套用最普遍、最廣泛、最有效的方法。
截至2013年11月1日，配電設備局部放電巡檢工作已逐步開展，但存在一些不足，主要包括：
（1）檢測產品多通過配電設備櫃體外部檢測獲取數據。由於配電設備工作環境複雜，局部放電所產生的信號極易淹沒在噪聲中，檢測結果參考價值下降。
（2）隨著配電設備櫃體密封性越來越好，櫃外獲取數據越來越難（尤其超音波信號），且櫃外環境噪聲大，檢測數據可靠性下降。
（3）巡檢工作受配電設備安裝位置影響較大，如開關櫃，現場很多開關櫃都是採用靠牆安裝，開關櫃背面與牆壁之間的間隔較小，巡檢人員無法到其背面進行檢測，導致檢測不全面。
（4）受配電設備結構設計的影響，部分配電設備設計高度較高，對配電設備上部局部放電檢測造成很大的作業難度。
截至2013年11月1日，隨著電網規模迅速發展，配電設備數量急劇增加，巡檢工作量劇增，而巡檢人員基本無增長，導致巡檢人員勞動強度明顯增大。
發明內容
專利目的
《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》的目的在於提供一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其可以在帶電狀態下採用聲電聯合監測技術直接從配電設備內部獲取局部放電信號，對配電設備的局部放電狀態進行線上監測，該裝置可以擴展通訊功能組建局部放電線上監測系統。
技術方案
一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，包括感測單元和監控主機；上述的感測單元是由暫態地電壓感測單元和超音波感測單元組成；上述的監控主機是由信號調理單元、信號處理單元、顯示單元、超音波信號監聽單元和供電單元組成；
上述的暫態地電壓感測單元和上述的超音波感測單元，分別與上述的信號調理單元的多個輸入端相連線，上述的信號調理單元的多個輸出端分別與上述的信號處理單元、上述的超音波信號監聽單元相連線；上述的信號處理單元的輸出端與上述的顯示單元相連線；上述的供電單元分別與上述的信號調理單元、信號處理單元、顯示單元、超音波信號監聽單元相連線，提供工作電源；上述的感測單元獲取感測信號，上述的監控主機接收該感測單元的檢測信號。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的暫態地電壓感測單元包括：電容耦合式感測器、信號傳輸電纜和阻抗匹配連線器；上述的電容耦合式感測器通過上述的信號傳輸電纜與上述的阻抗匹配連線器連線。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的超音波感測單元包括：超音波感測器、信號傳輸電纜和阻抗匹配連線器；上述的超音波感測器通過上述的信號傳輸電纜與上述的阻抗匹配連線器連線。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的信號調理單元包括：暫態地電壓信號調理單元和超音波信號調理單元；上述的暫態地電壓信號調理單元的輸入端、上述的超音波信號調理單元的輸入端分別與上述的暫態地電壓感測單元的輸出端、上述的超音波感測單元的輸出端相連線，上述的暫態地電壓信號調理單元的輸出端、上述的超音波信號調理單元的一個輸出端與上述的信號處理單元的多個輸入端相連線，上述的超音波信號調理單元的另一個輸出端與上述的超音波信號監聽單元相連線。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的暫態地電壓信號調理單元包括：前級保護緩衝電路、帶通濾波器、對數放大器、檢波整形電路、自適應濾波器和調理信號輸出電路依次串聯連線組成。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的超音波信號調理單元包括：匹配耦合電路、線性放大電路、帶通濾波器、對數放大器、檢波整形電路、匹配電路和調理信號輸出電路依次串聯連線組成。
上述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，上述的超音波信號監聽單元包括：匹配耦合電路、線性放大器及第一帶通濾波器依次串聯連線，振盪器、衰減器及第二帶通濾波器依次串聯連線，上述的第一帶通濾波器的輸出端、上述的第二帶通濾波器的輸出端分別與模擬混頻器的輸入端相連線，上述的模擬混頻器、第三帶通濾波器、音頻驅動電路、音頻輸出電路依次串聯連線。
改善效果
《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》感測單元和監測主機等所有組件均內嵌安裝於配電設備內部，暫態地電壓感測單元和超音波感測單元用於獲取局部放電產生的暫態地電壓信號和超音波信號，兩路信號經高頻信號傳輸線傳輸至監測主機，監測主機完成信號處理並將監測結果以數值方式直觀顯示。通過超音波信號監聽單元，藉助耳機等揚聲設備實現超音波信號監聽。監測過程自動、實時、連續完成，無需人工干預，有效實現快速巡檢，減少巡檢人員投入，降低巡檢勞動強度。
附圖說明
圖1為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的功能結構原理圖。
圖2為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的暫態地電壓感測單元功能原理圖。
圖3為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的電容耦合式感測器結構示意圖。
圖4為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波感測單元功能原理圖。
圖5為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波感測器結構示意圖。
圖6為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的暫態地電壓調理單元功能原理圖。
圖7為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波信號調理單元功能原理圖。
圖8為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波監聽單元功能原理圖。
圖9為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的顯示單元功能原理圖。
圖10為《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的供電單元功能原理圖。
技術領域
《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》涉及配電設備絕緣、載流故障線上監測領域，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置。
權利要求
1.一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特徵在於，包括感測單元（1）和監控主機（2）；所述的感測單元（1）是由暫態地電壓感測單元（11）和超音波感測單元（12）組成；所述的監控主機（2）是由信號調理單元（21）、信號處理單元（22）、顯示單元（23）、超音波信號監聽單元（24）和供電單元（25）組成；所述的暫態地電壓感測單元（11）和所述的超音波感測單元（12），分別與所述的信號調理單元（21）的多個輸入端相連線，所述的信號調理單元（21）的多個輸出端分別與所述的信號處理單元（22）、所述的超音波信號監聽單元（24）相連線；所述的信號處理單元（22）的輸出端與所述的顯示單元（23）相連線；所述的供電單元（25）分別與所述的信號調理單元（21）、信號處理單元（22）、顯示單元（23）、超音波信號監聽單元（24）相連線，提供工作電源；所述的感測單元（1）獲取感測信號，所述的監控主機（2）接收該感測單元（1）的檢測信號；所述的信號調理單元（21）包括：暫態地電壓信號調理單元（211）和超音波信號調理單元（212）；所述的暫態地電壓信號調理單元（211）的輸入端、所述的超音波信號調理單元（212）的輸入端分別與所述的暫態地電壓感測單元（11）的輸出端、所述的超音波感測單元（12）的輸出端相連線，所述的暫態地電壓信號調理單元（211）的輸出端、所述的超音波信號調理單元（212）的一個輸出端與所述的信號處理單元（22）的多個輸入端相連線，所述的超音波信號調理單元（212）的另一個輸出端與所述的超音波信號監聽單元（24）相連線；所述的暫態地電壓信號調理單元（211）包括：前級保護緩衝電路（2111）、帶通濾波器（2112）、對數放大器（2113）、檢波整形電路（2114）、自適應濾波器（2115）和調理信號輸出電路（2116）依次串聯連線組成。
2.如權利要求1所述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特徵在於，所述的暫態地電壓感測單元（11）包括：電容耦合式感測器（111）、信號傳輸電纜（112）和阻抗匹配連線器（113）；所述的電容耦合式感測器（111）通過所述的信號傳輸電纜（112）與所述的阻抗匹配連線器（113）連線。
3.如權利要求1所述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特徵在於，所述的超音波感測單元（12）包括：超音波感測器（121）、信號傳輸電纜（122）和阻抗匹配連線器（123）；所述的超音波感測器（121）通過所述的信號傳輸電纜（122）與所述的阻抗匹配連線器（123）連線。
4.如權利要求1所述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特徵在於，所述的超音波信號調理單元（212）包括：匹配耦合電路（2121）、線性放大電路（2122）、帶通濾波器（2123）、對數放大器（2124）、檢波整形電路（2125）、匹配電路（2126）和調理信號輸出電路（2127）依次串聯連線組成。
5.如權利要求1所述的侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特徵在於，所述的超音波信號監聽單元（24）包括：匹配耦合電路（2411）、線性放大器（2412）及第一帶通濾波器（2413）依次串聯連線，振盪器（2414）、衰減器（2415）及第二帶通濾波器（2416）依次串聯連線，所述的第一帶通濾波器（2413）的輸出端、所述的第二帶通濾波器（2416）的輸出端分別與模擬混頻器（2417）的輸入端相連線，所述的模擬混頻器（2417）、第三帶通濾波器（2418）、音頻驅動電路（2419）、音頻輸出電路（2420）依次串聯連線。
實施方式
如圖1所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置，其特點是，包括感測單元1和監控主機2；上述的感測單元1是由暫態地電壓感測單元11和超音波感測單元12組成；上述的監控主機2是由信號調理單元21、信號處理單元22、顯示單元23、超音波信號監聽單元24和供電單元25組成。
上述的暫態地電壓感測單元11和上述的超音波感測單元12，分別與上述的信號調理單元21的多個輸入端相連線，上述的信號調理單元21的多個輸出端分別與上述的信號處理單元22、上述的超音波信號監聽單元24相連線；上述的信號處理單元22的輸出端與上述的顯示單元23相連線；上述的供電單元25分別與上述的信號調理單元21、信號處理單元22、顯示單元23、超音波信號監聽單元24相連線，提供工作電源；上述的感測單元1獲取感測信號，上述的監控主機2接收該感測單元1的檢測信號。
上述信號處理單元22所包括的CPU，具體參數要求包括：16位及16位以上的微處理器，具有32K位元組以上的快閃記憶體程式存儲空間、具有豐富的I/O接口；例如PIC系列、STM系列微處理器。該信號處理單元22所包括的A/D模組可以為CPU集成模組，也可以選用獨立A/D模組，要求A/D模組的位數是10位及10位以上，且採樣率要大於500千赫茲。
如圖2所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置暫態地電壓感測單元11包括：電容耦合式感測器111、信號傳輸電纜112和阻抗匹配連線器113；上述的電容耦合式感測器111獲取暫態地電壓感測信號，並通過上述的信號傳輸電纜112與上述的阻抗匹配連線器113連線。該阻抗匹配連線器113通過該信號傳輸電纜112接收該電容耦合式感測器111的檢測信號。
該實施例中，選用型號為RG174的高頻同軸電纜用作上述信號傳輸電纜112；選用型號為SMA或SMB或BNC的50Ω阻抗匹配連線器用作上述阻抗匹配連線器123。
如圖3所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的暫態地電壓感測單元，當高壓開關櫃發生局部放電時，帶電體31的放電電量先聚集在與放電點相近的接地金屬部分，形成電流脈衝，向各個方向傳播，因放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去，同時產生一個暫態對地電壓（即“暫態地電壓”），暫態對地電壓一般在幾十毫伏～幾伏之間且只能維持幾納秒（ns）。通過設定在被測設備的接地金屬外殼32上的電容藕合式感測器111，即可檢測到放電脈衝信號，得到該脈衝信號的幅度和頻度等參數。電容藕合式感測器111類似於RF耦合電容器，感測器絕緣層1111具有絕緣與保護的雙重功效，被測設備的接地金屬外殼32上暫態對地電壓的變化會在感測器主體1112的金屬極板上感應出高頻電流，通過感測器引出接口1113與其處理設備相連線，對感測器主體1112輸出的高頻電流進行處理，即可以間接獲得局部放電的強度和頻度。
如圖4所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波感測單元12包括：超音波感測器121、信號傳輸電纜122和阻抗匹配連線器123；上述的超音波感測器121獲取超音波信號，並通過上述的信號傳輸電纜122與上述的阻抗匹配連線器123連線。該阻抗匹配連線器123通過上述的信號傳輸電纜122接收該超音波感測器121的檢測信號。
如圖5所示，上述的超音波感測單元12為無源感測單元，上述超音波感測器121，利用壓電效應的原理，採用一種雙晶振子結構的壓電陶瓷材料，在壓電陶瓷的特定方向上施加壓力，壓電陶瓷就發生應變，產生一面為正極另一面為負極的電壓。壓電陶瓷通過特殊的工藝和切割，有一固定的諧振頻率和頻寬，不同的壓電陶瓷會對不同的特定頻率最為敏感，且有一定的頻寬，所以能製作出不同峰值頻率和頻寬的感測器，以適應不同的檢測要求。
該實施例中，由於配電設備放電產生的超音波信號集中在20千赫茲-50千赫茲，選用中心頻率為40千赫茲的超音波感測器，即選用NU40C10R-1型超音波感測器；選用型號為RG174的高頻同軸電纜用作上述信號傳輸電纜122；選用型號為SMA或SMB的50Ω的阻抗匹配連線器用作上述阻抗匹配連線器123。
如圖1所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的信號調理單元21包括：暫態地電壓信號調理單元211和超音波信號調理單元212；上述的暫態地電壓信號調理單元211的輸入端、上述的超音波信號調理單元212的輸入端分別與上述的暫態地電壓感測單元11的輸出端、上述的超音波感測單元12的輸出端相連線，上述的暫態地電壓信號調理單元211的輸出端、上述的超音波信號調理單元212的一個輸出端與上述的信號處理單元22的多個輸入端相連線，上述的超音波信號調理單元212的另一個輸出端與上述的超音波信號監聽單元24相連線。
如圖6所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的暫態地電壓信號調理單元211包括：前級保護緩衝電路2111、帶通濾波器2112、對數放大器2113、檢波整形電路2114、自適應濾波器2115和調理信號輸出電路2116依次串聯連線組成。上述前級保護緩衝電路2111獲取上述暫態地電壓感測單元11的檢測信號，該檢測信號通過帶通濾波器2112進行濾波，濾波後的信號經上述的對數放大器2113放大，傳輸到檢波整形電路2114，上述的自適應濾波器2115獲取該檢波整形電路2114的輸出端信號後進行濾波，濾波後的信號傳輸到調理信號輸出電路2116。
該實施例中，對數放大器2113的具體參數要求包括：輸入動態範圍大於70分貝，快速恢復時間小於4nS，頻寬大於200MHz。自適應濾波器2115是以運算放大器為核心搭建的模組電路，該運算放大器需滿足具體參數要求包括：頻寬大於200MHz，低噪聲，輸入阻抗大於10MΩ。
如圖7所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波信號調理單元212包括：匹配耦合電路2121、線性放大電路2122、帶通濾波器2123、對數放大器2124、檢波整形電路2125、匹配電路2126和調理信號輸出電路2127依次串聯連線組成。獲取上述超音波感測單元12處理信號的匹配耦合電路2121與上述的線性放大電路2122相連線，經放大的信號通過的帶通濾波器2123進行濾波，濾波後的信號傳輸到上述的對數放大器2124，放大後的信號傳輸到上述檢波整形電路2125，上述的匹配電路2126獲取該檢波整形電路2125的輸出端信號進行處理，經處理的信號傳輸到調理信號輸出電路2127。
該實施例中，上述對數放大器2124的具體參數要求包括：輸入動態範圍大於80分貝，快速恢復時間小於4nS。上述線性放大電路2122的具體參數要求包括電壓偏置小於40微伏，溫度漂移小於0.5微伏/攝氏度，共模抑制比大於120分貝。
如圖8所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的超音波信號監聽單元24包括：匹配耦合電路2411、線性放大器2412及第一帶通濾波器2413依次串聯連線，振盪器2414、衰減器2415及第二帶通濾波器2416依次串聯連線，上述的第一帶通濾波器2413的輸出端、上述的第二帶通濾波器2416的輸出端分別與模擬混頻器2417的輸入端相連線，上述的模擬混頻器2417、第三帶通濾波器2418、音頻驅動電路2419、音頻輸出電路2420依次串聯連線。上述的匹配耦合電路2411獲取上述的超音波信號調理單元212的檢測信號，該檢測信號經上述線性放大器2412進行線性放大，放大後的信號傳輸到第一帶通濾波器2413進行濾波，經濾波後的信號傳輸到上述模擬混頻器2417；上述的振盪器2414的輸出端與上述的衰減器2415的輸入端相連線，第二帶通濾波器2416獲取該衰減器2415的輸出端信號並進行濾波，濾波後的信號傳輸到上述模擬混頻器2417；第三帶通濾波器2418對模擬混頻器2417的輸出端信號進行濾波，濾波後的信號傳輸到上述的，經該音頻驅動電路2419處理的輸出端信號，傳輸到上述的音頻輸出電路2420。
上述的超音波信號監聽單元24是利用超外差原理，將超音波信號與本徵信號混頻，將高頻信號降低到人耳可以聽到、能夠識別的低頻信號。例如，將40千赫茲的超音波信號降低到1千赫茲，即要求上述振盪器2414產生39千赫茲的信號。
該實施例中，上述線性放大器2412的具體參數要求包括：電壓偏置小於40微伏分貝，溫度漂移小於0.5微伏/攝氏度，共模抑制比大於120分貝。上述模擬混頻器2417要滿足輸入動態範圍大、雙電壓供電的要求。
如圖9所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的顯示單元23包括：編碼器231和數碼管顯示單元232；上述的編碼器231獲取上述信號處理單元22的輸出信號，該編碼器231與上述的數碼管顯示單元232相連線。
該實施例中CPU按照該編碼器231的編碼規則來編碼，點亮該數碼管顯示單元232的數碼管。該顯示單元23用於將信號處理單元22處理得到的局部放電特徵數據以數值方式直觀顯示出來，這些局部放電特徵數據包括超音波的最大幅值、暫態地電壓的幅值、暫態地電壓在1s內的脈衝個數等。
如圖10所示，一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置的供電單元包括：開關電源模組251和低通濾波器252；上述的開關電源模組251獲取供電電源端輸入的220伏AC/110伏DC，經該開關電源模組251處理後的輸出端信號傳輸到上述的低通濾波器252進行處理，輸出工作電源±5伏。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種侵入式配電設備局部放電線上監測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
