電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置及方法

專利名稱：電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置及方法
技術領域：
本發明屬于電氣設備局部放電實驗技術領域，具體涉及電氣設備局部放電 超高頻定位檢測的實驗裝置及方法。
背景技術：
各種電氣設備的穩定運行是電力系統穩定的重要條件之一。運行經驗表明， 電氣設備運行安全的威脅主要來自于絕緣系統，在電氣設備的各個部位產生的 絕緣缺陷都有可能導致不同程度的局部放電。長期的局部放電會使絕緣劣化， 威脅電氣設備的安全運行，導致運行中出現故障，影響電力系統的穩定運行。 所以對電氣設備進行絕緣監測是非常有必要的。局部放電是導致電氣設備絕緣 劣化的重要原因之一，電氣設備內部局部放電源的準確定位可為電氣設備的狀 態維修提供科學的信息與指導，有利于迅速排除故障、避免惡性事故的發生、 減少停電帶來的損失和降低維修成本，因而備受電力運行部門重視。現有電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置和方法，如《中國電機工程學報》2006年2月第26卷第3期中的"基于輻射電磁波檢測的電力變壓器局部放 電定位研究"一文，公開的變壓器局部放電定位系統由模擬放電源、菱形傳感器 陣列、高頻同軸傳輸線、4通道超高采樣率示波器和屏蔽室組成，其局部放電源 由壓電點火器模擬。公開的定位方法是基于遺傳算法的時間差定位算法，即基 于多樣本的互相關-移位-疊加-互相關算法，在l-5GHz的頻率范圍內可有效提高 時延測量精度。該局部放電定位系統和定位方法的主要缺點是其中模擬放電 源用壓電點火器來模擬，由于壓電點火器的具體電壓等參數的不可測知性和不 可調節性，導致對每次模擬放電源發出的波形和相位等參數的不可知，在進一 步的定位中，使確定由超高頻天線發射、接收后超高頻信號波形的時間特征點 產生很大困難，進而無法準確獲取時延時間。由于模擬放電源的局限性，其釆 用互相關-移位-疊加-相關時延算法來計算時延信息時，加大了計算的復雜性， 且時延測量精度沒有明顯的提高。又如1994年4月6日公開的申請號為 92108470.6的"雪崩晶體管高壓方波脈沖發生器"專利，公開的方波脈沖發生 器包括直流高壓電源延時觸發器、負載、兩個等值充電電阻、兩個結構相同的 雪崩晶體管串放電路及兩個結構相同的阻容電壓補償電路。該脈沖發生器的主 要缺點是其產生的脈沖信號的幅值是在2kV左右，而局部放電超高頻信號幅 值在幾十伏左右，其幅值不能滿足局部放電超高頻信號檢測的要求；其波形為 10納秒~10微秒之間的方波，但在局部放電超高頻信號脈寬為幾十個納秒左右 的高斯脈沖。該脈沖發生器產生的信號不能模擬電氣設備局部放電超高頻信號， 因此不能對電氣設備的局部放電超高頻信號進行定位檢測。發明內容本發明的目的是針對現有電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置及方法的不足之處，提供一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置及方法，具有定位 精度高、操作方法簡單及計算方便等特點。本發明的機理是本發明的陡脈沖發生器是利用通用的射頻三極管來構成 核心器件，并輔助以電阻和電容等元器件，主要利用射頻三極管的雪崩特性， 對電容進行充、放電的方式形成納秒級脈沖。晶體管雪崩區應用的特性參數主 要是雪崩上升時間和雪崩脈沖幅度。這兩個參數不僅取決于管子本身，而且還 與具體的工作電路密切相關，改變電路的儲能電容與負載電阻，所對應的輸出 脈沖幅度是不同的。儲能電容對輸出脈沖的各項性能都有影響，其值越大，所產生的脈沖幅度越大，但脈沖上升沿、下降沿和脈沖寬度也同時增大；在增大 到6pF以后，脈沖幅度的增加已經不明顯，而脈沖的寬度和下降時間的增加卻很顯著，若繼續增大電容值，脈沖的性能也會進一步的下降。從理論研究和仿 真分析都表明，儲能電容對脈沖參數有較大的影響，如想獲得較大的幅值，儲 能電容就應盡量取大值，但同時脈沖的時間參數受影響較大，如想獲得較好的 時間參數，儲能電容應取小，但這時的幅值幅度較小，因此需要在兩者之間權 衡取舍。由于晶體管的直流參數不能夠準確地表征晶體管的雪崩性能，通常，具 有較低擊穿電壓的晶體管具有更快的雪崩上升時間，較高的脈沖重復周期，但 所獲得的脈沖幅度較低。因此，在使用時需在兩者之間權衡。利用雙極型晶體 管工作在雪崩區的雪崩開關特性，設計了超寬帶陡脈沖發生器。經測試，當電源電壓在22V左右的時候，晶體管處于雪崩狀態，可以獲得良好的窄脈沖。在 沒有加入觸發脈沖信號時，電源電壓！^c通過/ c對儲能電容C進行充電，兩端所充的電壓約等于集電結雪崩擊穿電壓BKcM,使得晶體管的集電結偏置在臨界雪崩狀態。當觸發脈沖信號輸入時，晶體管發生雪崩擊穿，由于雪崩電流很大， 又由于電容C儲存的電荷很有限(一般電容量只有幾皮法至幾百皮法)，因此脈 沖寬度也有限。也就是說，當開始雪崩以后，由于晶體管本身以及電路分布參 數的影響，使得雪崩電流即電容C的放電電流只能逐漸增大；而到達某一峰值 后，又由于電容C上電荷的減少使得放電電流逐漸減小。前者形成了脈沖的前 沿，而后者則形成了脈沖的后沿。因此，本發明陡脈沖發生器產生的納秒級陡 脈沖信號，能夠模擬電氣設備局部放電超高頻信號。實現本發明目的的技術方案是 一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝 置，包括陡脈沖發生器、超高頻天線、高頻同軸電纜及高采樣率示波器，特征 是陡脈沖發生器為納秒級脈沖發生器，主要包括射頻三極管、輸入阻容濾波 電路及電容充放電電路。其輸入阻容濾波電路為由濾波電阻和濾波電容構成的 RC濾波電路；其電容充放電電路由一個充電電容和一個充電電阻及一個放電電 阻組成。超高頻天線為一個發射超高頻天線和四個接收超高頻天線，五個超高 頻天線均為套簡單極子天線。其連接方式為將外部提供的24V直流電源和IV 的方波觸發信號，通過導線連接到陡脈沖發生器的輸入端，用高頻同軸電纜將陡 脈沖信號發生器的輸出端與發射超高頻天線連接。四個接收超高頻天線分別通過 高頻同軸電纜與高采樣率示波器連接。其工作過程是當外部提供的電源信號和 觸發信號輸入陡脈沖發生器時，陡脈沖發生器就產生電氣設備局部放電超高頻信號，該超高頻信號經高頻同軸電纜傳輸至發射超高頻天線，并由發射超高頻天線 發射至空間，再由四個接收超高頻天線各自接收一部分超高頻信號，經高頻同軸 電纜輸入至髙釆樣率示波器。由于陡脈沖發生器所產生的納秒級陡脈沖信號波形 優良，重復性好，再加之整個系統的抗干擾性能強。最后在高釆樣率示波器上顯 示的四路超高頻信號波形相當清晰，可以直接從高釆樣率示波器上讀取任意兩路 波形之間的時間差，為定位的精度提供了可靠的數據，從而保證了定位的準確度。 一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測方法，利用本發明裝置和計算機，通 過程序，基于時間差法，運用定位原理計算出陡脈沖發生器的坐標位置，具體步 驟如下(1 )實驗準備① 陡脈沖發生器的外圍連接實驗時，先將外部提供的輸入信號的幅值24V直流電源信號和幅值為IV、 頻率lkHz的方波觸發信號，通過導線與陡脈沖發生器的輸入端連接。② 發射部分連接實驗時，用高頻同軸電纜將陡脈沖發生器的輸出端與超高頻發射天線連接， 用來發射陡脈沖發生器產生的超高頻信號，將超高頻信號發射到空間中。③ 接收部分連接實驗時，用高頻同軸電纜將四個超高頻接收天線分別與高釆樣率示波器連 接。這四個超高頻接收天線用來在不同位置接收由超高頻發射天線發出的超高 頻信號，進而將信號輸入至高釆樣率示波器中進行分析和處理。(2) 啟動輸入信號第(1)步完成后，啟動陡脈沖發生器的電源信號和觸發信號等輸入信號后， 高釆樣率示波器檢測到由四路超高頻接收天線接收到的超高頻信號。(3) 獲取時延時間第(2)步完成后，由于本裝置陡脈沖發生器產生的超高頻陡脈沖信號的波 形優良、重復性好。整個系統的抗干擾能力強。所以直接從高釆樣率示波器中 讀得任意兩路超高頻信號之間的時間差，所讀得的時延時間精度高、準確度高， 用來為基于時間差方法的定位計算提供基礎數據。(4) 定位計算第(3)步完成后，根據第(3)步讀得的任意兩路超高頻信號的時間差， 通過程序，應用定位原理，進行陡脈沖發生器的定位計算如下設陡脈沖發生器的坐標為P(x， y, z),接收超高頻天線的坐標為Si(Xi,yi,Zi), 陡脈沖發生器到接收超高頻天線的傳播時間為ti,則有= — X, )2 + O _ J,. )2 + (Z — 2,. )2 (1)式中c為超高頻電磁波在空間中的傳播速度。任兩個接收超高頻天線的相對時 差為t ,rti-t,(i-l，…,4;)。通過測出3個相對時差t u、波速c及各接收超高頻天線坐標時，則由式(1)可求出陡脈沖發生器的坐標位置。 本發明釆用上述技術方案后，主要有以下效果(1) 本發明裝置接線簡單，陡脈沖發生器所產生的納秒級陡脈沖信號能真 實的模擬實際電氣設備發生局部放電的超高頻信號。并能提供一個已知的、波 形重復性好及干擾少的超高頻信號。(2) 由于本發明采用阻抗為50歐姆SYV-50-5高頻同軸電纜，其抗干擾能 力強且衰減小，對信號的采集奠定了堅實的基礎。提髙了整個裝置的抗干擾能 力。(3) 本發明的高采樣率示波器，由于其采樣率高，存儲容量大、帶寬寬及 功能強大等優點，保證了信號讀取時差信號的準確性和精確性高，進而提高了 定位的精確性。本發明可廣泛應用于電氣設備局部放電超高頻定位檢測的實驗中。

圖l為本發明裝置的原理圖；圖2為本發明裝置的陡脈沖發生器電路原理圖；圖3為圖2的等效電路圖；圖4為本發明方法的程序流程框圖；圖5為本發明裝置的陡脈沖發生器產生的脈沖實測波形圖；圖6為本發明裝置的高采樣率示波器顯示的兩信號時間差實測波形圖。圖中1陡脈沖發生器；2高頻同軸電纜；3發射超高頻天線；4接收超高 頻天線；5高采樣率示波器；d濾波電容；RB濾波電阻；Rc充電電阻；C充電 電容；RL放電電阻；Co等效電容；Ro等效電阻；L。等效電感。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
，進一步說明本發明。如圖1~6所示， 一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測實驗裝置，包括陡 脈沖發生器.l、超高頻天線3、 4、高頻同軸電纜2及高釆樣率示波器5，特征是 陡脈沖發生器1為納秒級脈沖發生器，主要包括射頻三極管、輸入阻容濾波電 路及電容充放電電路。其射頻三極管的型號為BFG480W，在22V左右就能達到 雪崩擊穿而產生窄脈沖；其輸入阻容濾波電路為由阻值為lkn的濾波電阻RB和 電容量為0.5^F的濾波電容C,構成的RC濾波電路；其電容充放電電路由一個電 容量為20pF的充電電容C和一個阻值為lkQ的充電電阻Rc及一個阻值為50q 的放電電阻RL組成。超高頻天線為一個發射超高頻天線3和四個接收超高頻天 線4,五個超高頻天線均為套簡單極子天線，此天線駐波比小于2的帶寬為 350MHz-500MHz,中心頻率為425MHz。高頻同軸電纜2為波阻抗為50ii型號 為SYV-50-5的低損耗同軸電纜。為保證定位系統對陡脈沖信號的時延測量精度，采用了 lGHz模擬帶寬、最大釆樣率20GS/s、雙路存儲容量48MB的高釆樣率 示波器5。其連接方式為將外部提供的24V.直流電源和IV的方波觸發信號， 通過導線連接到陡脈沖發生器1的輸入端，用高頻同軸電纜2將陡脈沖發生器1 的輸出端與發射超高頻天線3連結起來。四個接收超高頻天線4分別通過高頻同 軸電纜2與高釆樣率示波器5連接。其工作過程是當外部提供的電源信號和觸 發信號輸入陡脈沖發生器1時，陡脈沖發生器1就產生電氣設備局部放電超高頻 信號，該超高頻信號經高頻同軸電纜2傳輸至發射超高頻天線3，并由發射超高 頻天線3發射至空間，再由四個接收超高頻天線4各自接收一部分超高頻信號， 經高頻同軸電纜2輸入至高釆樣率示波器5。由于陡脈沖發生器1所產生的納秒 級陡脈沖信號波形優良，重復性好，再加之整個系統的抗干擾性能強。最后在高 采樣率示波器5上顯示的四路超高頻信號波形相當清晰，可以直接從高采樣率示 波器5上讀取任意兩路波形之間的時間差，為定位的精度提供了可靠的數據，從 而保證了定位的準確度。如圖5所示， 一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測方法的具體步驟如下 (1 )實驗準備① 陡脈沖發生器的外圍連接實驗時，先將外部提供的輸入信號的幅值24V直流電源信號和幅值為IV、 頻率lkHz的方波觸發信號，通過導線與陡脈沖發生器1的輸入端連接。② 發射部分連接實驗時，用高頻同軸電纜2將陡脈沖發生器1的輸出端與發射超高頻天線3 連接，用來發射陡脈沖發生器1產生的超高頻信號，將超高頻信號發射到空間 中。③ 接收部分連接實驗時，用高頻同軸電纜2將四個超高頻接收天線4分別與高釆樣率示波 器5連接。這四個接收超高頻天線4用來在不同位置接收由發射超高頻天線3 發出的超高頻信號，進而將信號輸入至高釆樣率示波器5中進行分析和處理。(2) 啟動輸入信號第(1)步完成后，啟動陡脈沖發生器1的電源信號和觸發信號等輸入信號 后，高采樣率示波器5檢測到由四路接收超高頻天線4接收到的超高頻信號。(3) 獲取時延時間第(2)步完成后，由于本裝置陡脈沖發生器l產生的超高頻陡脈沖信號的 波形優良、重復性好。整個系統的抗干擾能力強。所以直接從高采樣率示波器5 中讀得任意兩路超高頻信號之間的時間差，此讀得的時延時間精度高、準確度 高，用來為基于時間差方法的定位計算提供基礎數據。(4) 定位計算第(3)步完成后，根據第(3)步讀得的任意兩路超高頻信號的時間差，通過程序，應用定位原理，進行陡脈沖發生器的定位計算如下設陡脈沖發生器1的坐標為P(x, y, z),接收超高頻天線4的坐標為Si(Xi,yi,Zi)， 陡脈沖發生器1到接收超高頻天線4的傳播時間為ti,則有6 = V(x — x')2 + (少一X)2 + (z — z,)2 /c ( 1 )式中c為超高頻電磁波在空間中的傳播速度。任兩個接收超高頻天線4的相對 時差為Tu,-t"i-l,…，4;)。通過測出3個相對時差T,i、波速c及各接收超高頻 天線4坐標時，則由式(1)可求出陡脈沖發生器1的坐標位置。
權利要求
1.一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置，包括陡脈沖發生器(1)、超高頻天線(3、4)、高頻同軸電纜(2)及高采樣率示波器(5)，超高頻天線(3、4)為套筒單極子天線，其特征在于陡脈沖發生器(1)為納秒級脈沖發生器，主要包括射頻三極管、輸入阻容濾波電路及電容充放電電路，其輸入阻容濾波電路為由濾波電阻(RB)和濾波電容(C1)構成的RC濾波電路，其電容充放電電路由一個充電電容(C)和一個充電電阻(RC)及一個放電電阻(RL)組成，超高頻天線為一個發射超高頻天線(3)和四個接收超高頻天線(4)，其連接方式為將外部提供的24V直流電源和1V的方波觸發信號，通過導線連接到脈沖信號發生器(1)的輸入端，用高頻同軸電纜(2)將脈沖信號發生器(1)的輸出端與發射超高頻天線(3)連結，再將四個接收超高頻天線(4)分別通過高頻同軸電纜(2)與高采樣率示波器(5)連接。
2. 按照權利要求1所述的電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置，其特征在 于所述的陡脈沖發生器(1 )中的射頻三極管的型號為BFG480W,濾波電阻(RB ) 的阻值為lkii,濾波電容(q)的電容量為0.5hf,充電電容(C)的電容量為 20pf,充電電阻(Rc)的阻值為lkn，放電電阻(RL)的阻值為50Q;所述的高 頻同軸電纜(2 )為波阻抗為50n的低損耗同軸電纜；所述的高采樣率示波器(5 ) 模擬帶寬為lGHz、最大釆樣率為20GS/s、雙路存儲容量為48MB。
3. —種電氣設備局部放電超高頻定位檢測方法，利用本發明裝置、計算機， 通過程序，進行定位計算，其特征在于具體的方法步驟如下(1) 實驗準備① 陡脈沖發生器的外圍連接實驗時，先將外部提供的輸入信號的幅值為24V直流電源信號和幅值為IV、 頻率lkHz的方波觸發信號，通過導線與陡脈沖發生器(1)的輸入端連接；② 發射部分連接實驗時，用高頻同軸電纜(2)將陡脈沖發生器(1)的輸出端與發射超高 頻天線(3)連接；③ 接收部分連接實驗時，用高頻同軸電纜(2)將四個超高頻接收天線(4)分別與高采樣 率示波器(5)連結起來；(2) 啟動輸入信號第(1)步完成后，啟動陡脈沖發生器(1)的電源信號和觸發信號輸入信號 后，高采樣率示波器(5)檢測到由四路接收超高頻天線(4)接收到的超高頻 信號；(3) 獲取時延時間第(2)步完成后，直接從高釆樣率示波器(5)中讀得任意兩路超高頻信號之間的時間差；(4) 定位計算第(3)步完成后，根據第(3)步讀得的任意兩路超高頻信號的時間差， 通過程序，應用定位原理，進行陡脈沖發生器的定位計算。
全文摘要
一種電氣設備局部放電超高頻定位檢測裝置及方法，屬于電氣設備局部放電實驗技術領域。本發明裝置包括陡脈沖發生器、超高頻天線、高頻同軸電纜及高采樣率示波器，特征是陡脈沖發生器為納秒脈沖發生器。本發明方法是利用本發明裝置和計算機，通過程序，基于時間差法，運用定位原理進行定位計算。本發明具有裝置接線簡單，其陡脈沖發生器所產生的納秒脈沖信號，能真實的模擬電氣設備局部放電的超高頻信號，抗干擾能力強，讀取的時差信號的精確性高，進而提高了定位的精準性。本發明可廣泛應用于電氣設備局部放電超高頻定位檢測的實驗中。
文檔編號G01R31/12GK101620253SQ200910104428
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者炬 唐, 姚陳果, 孫才新, 張曉星, 林 杜, 謝顏斌, 麻守孝 申請人:重慶大學