一种现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置的制作方法

本发明涉及电网现场检测装置领域，特别涉及的是一种现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置。

背景技术：

在电力生产行业，所使用的通用测试设备均有标准的输入输出接口，有相应的计量检定规程或校准规范，相对来说比较容易实现检定或校准工作的自动化。而对于专用测试设备，要实现校准工作的自动化难度比较大，首要问题是专用测试设备没有一个统一的标准接口，现有的在线监测装置，通常不同厂家的被校对象可能使用了不同的测试接口，给校准测试工作带来了诸多不便，一是连接接口型号多，且接口功能各不相同，每处接口都要区别对待，费时费力；二是测试参数较多，涉及的标准设备多，校准过程中可能要经常更换测试设备，有时操作需要多人配合完成；三是测试数据多，数据通信标准不一，对不同被校设备可能需要设计不同通讯接口，使用不同通讯协议。

现阶段多采用图谱表示，采用图谱能够部分反映局部放电的特性，并从功能上推断局部放电情况，然而图谱缺乏定量反映局部放电的效果。超高频法局部放电测量的本质是测量在gis内部传播的电磁波。由于gis的内部结构原因，电磁波的衰减及其传播路径各异、内置式、外置式传感器性能各异，故无法采用建立标准电场环境(gtem)的方法对其进行校准。为了解决这个问题，采用了对传感器输出值进行测量，并结合在线监测装置主机进行的校准方法，综合判断超高频法局部放电在线监测装置的量值准确性。

现场环境下超高频局部放电在线监测装置计量标准装置是针对现场环境下超高频在线监测装置所设计的计量标准装置。由于现场校准环境所限，计量标准装置需满足便携化小型化等要求，因此，需要设计一套针对于超高频局部放电在线监测装置现场环境下的计量标准装置。现场环境下超高频局部放电在线监测装置计量标准装置的设计要点在于小型、便携化的同时还能够对现场环境下的超高频局部放电在线监测装置的主要性能和参数指标进行校准。

因此，需要一种现场环境下的超高频局放在线监测装置校准装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置；该装置能实现在现场环境下对超高频局放在线监测装置进行校准。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置，所述被测传感器设置于被测在线监测装置上；所述被测传感器与测量主机连接；

所述计量标准的测量模块通过射频线缆与被测传感器连接；

所述信号发生器与被测传感器连接用于向被测传感器注入超高频电磁波信号；

所述测量主机获取被测在线监测装置的被测响应信号；

所述测量主机与计量标准的测量模块连接以获得被测传感器的标准响应信号；

所述测量主机根据获取的标准响应信号和被测响应信号生成校准结果。

进一步，所述被测传感器包括设置于gis设备管道上的内置式uhf传感器；所述内置式uhf传感器将获取监测响应信号输入到测量主机。

进一步，所述被测传感器包括设置于gis设备管道上的外置型uhf传感器；所述信号放大器将信号发生器生成的测试信号注入到外置型uhf传感器。

进一步，所述信号发生器向被测传感器注入超高频电磁波信号按照以下步骤来实现：

调节信号发生器的输出信号的幅度使输出信号的指示器达到满刻度；记下输出信号的峰值电压u和指示器满度值a；

依次改变输出信号的峰值电压，记下输出信号的相应的峰值电压和指示器刻度值；

按照以下公式计算在各测量点的非线性误差：

式中：ε为检测仪幅值测量线性相对误差；λ为幅值变化比例。

进一步，所述信号发生器为射频信号发生模块。

进一步，所述gis设备内部上间隔设置有uhf电磁波信号耦合器，所述uhf电磁波信号耦合器依次与内置式uhf传感器连接。

进一步，所述外置式超高频uhf传感器安装于gis设备管道上预留浇注孔的盆式绝缘子外侧。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置；提高了校准工作效率，减少人为差错；提高校准数据置信度，减少频繁连线引入的分布参数、连接可靠性程度、外界干扰等因素对测试的影响；降低测试风险，减少人为连接错误造成设备损坏的可能性，保障设备完好率；便于研制统一的校准接口，及被校设备的量值溯源体系。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为现场环境下超高频局放在线监测装置的校准方法流程图。

图2为现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置结构图。

图3为射频信号发生模块系统框图。

图4为ad9856产生调制信号的电路。

图5为max2671电路。

图6为射频本振信号电路框图。

图7为max2750电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的一种现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置，所述被测传感器设置于被测在线监测装置上；所述被测传感器与测量主机连接；

所述计量标准的测量模块通过射频线缆与被测传感器连接；

所述信号发生器与被测传感器连接用于向被测传感器注入超高频电磁波信号；

所述测量主机获取被测在线监测装置的被测响应信号；

所述测量主机与计量标准的测量模块连接以获得被测传感器的标准响应信号；

所述测量主机根据获取的标准响应信号和被测响应信号生成校准结果。

所述被测传感器包括设置于gis设备管道上的外置型uhf传感器；以及安装在gis设备管道内部的内置式uhf传感器；所述通过信号放大器将信号发生器生成的测试信号注入到外置型uhf传感器；所述内置式uhf传感器将获取监测响应信号输入到测量主机进行分析处理。

所述信号发生器向被测传感器注入超高频电磁波信号按照以下步骤来实现：

调节信号发生器的输出信号的幅度使输出信号的指示器达到满刻度；记下输出信号的峰值电压u和指示器满度值a；

依次改变输出信号的峰值电压，记下输出信号的相应的峰值电压和指示器刻度值；

按照以下公式计算在各测量点的非线性误差：

式中：ε为检测仪幅值测量线性相对误差；λ为幅值变化比例。

所述信号发生器为射频信号发生模块。

所述gis设备内部上间隔设置有uhf电磁波信号耦合器，所述uhf电磁波信号耦合器依次与内置式uhf传感器连接。

所述外置式超高频uhf传感器安装于gis设备管道上预留浇注孔的盆式绝缘子外侧。

实施例2

本实施例提供的现场环境下超高频局放在线监测装置的校准装置，采用对传感器输出值进行测量，并结合在线监测装置的测量主机的标准信号，综合判断超高频法局部放电在线监测装置的量值。该装置体积小便于携带，同时还能够对现场环境下的超高频局部放电在线监测装置的主要性能和参数指标进行校准。其信号注入方式有显著区别。

现场环境下超高频法局部放电关键参量：gis局部放电在线监测要求在gis运行的现场条件下进行监测，由于电晕放电等原因，现场条件下存在大量的电磁干扰信号。尤其是在300mhz以下频段干扰信号的强度较大，有时候背景的干扰可能会大于所要监测的局部放电信号，使得局部放电监测的电信号测量无法实现。gis内部发生局部放电时，由于放电点处电荷的迅速转移，形成持续时间很短的电脉冲，并产生频率分量极其丰富的电磁信号，高达数ghz。uhf方法就是利用针对gis局部放电辐射出的特高频电磁波信号(300mhz～3ghz)进行监测的一种方法。uhf方法可以使用合适频带范围的天线来进行局部放电的电信号测量，此方法可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，显著提高局部放电监测的信噪比，以达到抗电磁干扰的目的。

因此，超高频法局部放电测量的溯源参量是注入uhf天线的射频信号，经比对分析，采用特征阻抗为50欧姆的射频系统，用于现场在线监测装置的计量标准装置需要符合以下设计需求：射频信号发生模块：波形为正弦信号/已调信号；正弦(载波)信号频率范围300mhz～3ghz；功放电路增益20db；信号输出范围-70dbm～+10dbm。

现场环境下超高频法局部放电传感器布置情况分析：

在现场环境下，gis管道上目前存在两大类超高频局部放电在线监测装置传感器安装方法，即内置式和外置式。外置式超高频局部放电在线监测装置传感器是利用gis管道上预留浇注孔，将喇叭天线构成的传感器固定在gis管道盆式绝缘子上，天线面朝浇注孔放置，通过浇注孔，局部放电伴随产生的超高频电磁波信号会泄露一部分出来，从而为传感器所捕获，通过一系列信号采样放大调理之后，在主机进行放电特征量的分析。外置式传感器的优势在于安装拆卸方便，同时也能够将其拆卸下来进行送检工作，由于gis浇注孔孔径很小，虽然其波阻抗远小于周围gis金属管壁，但是通过浇注孔泄漏的超高频电磁波信号仍然只占很小一部分比例；另外，gis浇注孔的尺寸目前并没有强制标准，各厂家gis管道浇注孔的尺寸均有差异，这也导致通过gis管道浇注孔泄漏的电磁波量值并不固定，浇注孔的长边长度对信号幅值影响较大。

在gis管道上有广泛应用的是内置式传感器，内置式传感器在gis管道生产之初就已经安装在管道内部，通过gis管道上预设的安装孔与外部的超高频局部放电在线监测装置主机相连。内置式传感器主要优势是测得的信号强度较高，这是由于gis管道的金属外壳波阻抗非常大，超高频电磁波信号很难穿透管壁传播至管道外空间。

现场环境下超高频法局部放电电磁信号分析：

gis可看成为同轴波导。在gis同轴腔体内，局部放电的uhf电磁波信号不仅以横向电磁波(tem)方式传播，而且会建立高次模波，即横向电波(te)和横向磁波(tm)。

其中，tem波为非色散波，可以在gis腔体中以任何频率传播。而te和tm波则不同，他们都有各自的截止频率。当电磁波的频率f＞c时候，电磁波基本是无损耗的在gis内传播，但是当电磁波的频率f＜c，电磁波在传播过程中衰减很迅速。

gis同轴波导：内导体(gis的高压导杆)和外导体(gis外壳)为金属导体。其中内导体的半径为a；外导体的半径为b。内外导体之间的介质材料介电常数为，磁导率为。则截至频率fc为：

可见gis截面积愈大，fc愈低。以我国国产的220kvgis为例，a为45mm，b为190mm，于是fc为407mhz；对于500kvgis，a和b分别为62.5mm和244mm，fc为312mhz。所以采用uhf方法进行gis局部放电在线监测的另一个优势就是特高频的电磁波在gis腔体内部传播基本是无损耗的。

电磁波信号在gis腔体内任何一点(a<x<b)满足麦克斯韦方程组：

式中：b＝μh；d＝εe；

利用ansys对gis管道内电磁场进行仿真，但是，该设备无法从gis管道上取下，也无法送至实验室环境下的超高频局部放电在线监测装置标准计量装置处进行校准。

gis管道内外电磁场分布差异明显，局部放电发生时伴随产生的超高频电磁波只能够在内置传感器处或者安装在浇注孔处的外置式传感器处进行检测。

由于外置式传感器有拆卸方便的优势，因此，本实施例重点针对安装内置式传感器的超高频局部放电在线监测装置进行计量标准装置设计，同时兼顾外置式传感器的超高频局部放电在线监测装置进行考虑；具体如下：

对内置传感器的基本要求是不应损害gis的可靠运行，不能使绝缘气体发生泄漏，不影响内部场强分布，否则可能导致绝缘击穿。对于已投入运行的gis，可将外置传感器安装在需要检测位置的绝缘法兰处，外置传感器的安装和检测较为灵活。当gis设备内部存在局部放电时，局部放电所产生的uhf电磁波信号沿着gis设备管道传播，到达uhf耦合天线时信号被检测，并经过高频电缆接头传送到gis设备体外。局部放电的uhf电磁波信号在gis设备内部传播时有衰减，允许在gis设备管道上每隔一定间距安装一个uhf电磁波信号耦合器，以保证检测灵敏度。外置式超高频(uhf)传感器安装于gis设备的盆式绝缘子外侧，由工程人员通过现场勘查确定每个传感器的安装位置以及相关安装附件的尺寸。由于超高频传感器实际上是一种具有互易特性的射频天线，因此可以将传感器作为信号发射天线使用。在现场安装时，使用预先制作好的安装附件完成安装工作。

现场环境下采用在实验室环境下校准过的传感器(天线)作为信号发射天线，采用信号发生器及信号放大器输出信号至外发射传感器(天线)，推荐采用uhf频段未调制的正弦信号作为输出。将最近位置的被试传感器作为接受传感器(天线)用来接受校准用的uhf信号。

在gis模拟平台上开展的校准试验：

首先保持被测传感器与ied或测量主机的连接，并等比例降低注入信号的幅值，从显示界面读取被测在线监测装置对稳态电场的响应vb，并记录一组示值。然后保持注入的射频信号不变，然后将被测传感器与ied或测量主机的电气连接断开，并采用50ω的射频线缆连接至计量标准的测量模块，以获得被测传感器对稳态射频电场强度的电压响应vs，并记录一组参考值。将这2组值从对数形式换算成代数形式，进行幅值线性度的对比。

综上所述，用于现场在线监测装置的计量标准装置需要符合以下设计需求：

射频信号发生模块：波形为正弦信号/已调信号；正弦(载波)信号频率范围300mhz～3ghz；功放电路增益20db；信号输出范围-70dbm～+10dbm。

射频信号发生模块的信号调制电路。信号调制电路首先是fpga电路设计采用altera公司的ep1c20芯片，用vhdl编程实现由人机界面输出控制信息，然后将控制信息对应所要产生的信号，将信号输出到ad9856。ad9856是adi公司的一款单片混合信号的12位积分数字上行转换器，采样速率为200msps，产生80mhz的数字输出和80db窄带的无杂散信号动态范围。ad9856具有200mhz的内部时钟，集成带锁定指示器的4～20倍可编程时钟倍频器，提供高精度的系统时钟，单端或者差分输入参考时钟，而且可以输出数据时钟；内部32位正交dds，可实现fsk调制功能；12位dds和dac和数据路径结构，可接受复合i/q输入数据；32位频率控制字，采用与spi兼容的接口，用fpga控制可靠方便，串行时钟为10mhz；具有反转sinc功能，在dac变换之前恢复出想得到的信号包络。利用ad9856产生调制信号的电路图。

在fpga内进行编码调制，产生的i/q两路信号经由串并转换后送入ad9856中，在ad9856内部有一个dds内核,通过fpga控制产生正交本振信号送入正交调制器，每路通过2级分别与i/q信号相乘之后相加，产生正交调制信号，而具体的调制模式可以通过fpga的基带信号编码映射设计，最后通过12位dac变为正交调制的模拟差分信号输出，接着用耦合射频变压器将输出的差分信号转换为单端信号，经由70mhz的saw滤波器滤波，最后选用中频放大器进行信号放大，就可送入混频器进行混频了。

射频信号发生模块的混频器电路。混频电路对3ghz频段的实现极为重要，主要完成将70m中频信号调制到3ghz射频，要求混频电路的频带抑制型，这里选用maxim公司的专用3ghz频段的max2671混频芯片。max2671允许中频输入频率在40mhz到500mhz之间，射频输出频率在0.3ghz到3ghz之间。采用单端信号，内部集成了一个单通道的乘法器，在3ghz的射频信号混频输出时，具有8.9db的增益，因此，本振信号在-10dbm到+5dbm之间均可。在输入输出匹配时，只需要很少的外围器件。

射频本振信号电路设计。在信号发生器设计中，要将中低频信号混频至0.3ghz到3ghz频段，需要产生射频本振信号，频率为3ghz。本振信号电路采用pll+vco的锁相环路提供本振信号，具有精度和稳定度高、频率可变等优点，方便在以后频率资源调整或扩展。本振信号的频率稳定度很重要，这部分设计以集成电路为核心，采用adi公司的频率合成器adf4113和maxim公司的压控振荡器max2750。

射频本振信号电路框图：

为控制频率合成器通过fpga模拟3线串行接口信号时序来控制锁相环频率合成器adf4113，根据adf4113内部完成参考晶振的频率和压控振荡器(vco)的频率(经除n分频器)相位差的比较，并转换成相对应的线性电压输出，经低通滤波器(lpf)虑除高频干扰后，获得一较为稳定的电压，控制vco的振荡频率输出，从而获得所需要的3ghz本振信号。

adf4113是adi公司的一款高性能频率合成器，最高工作频率达到4ghz。adf4113主要由一个低噪声数字鉴相器(pfd)、一个精密电荷泵、一个可编程参考分频器、可编程a(6bit)及b(13bit)分频计数器和一个双模分频器(p/p+1)构成。max2750是maxim公司用于0.3ghz到3ghz频段的压控振荡器，工作在0.3ghz～3ghz频段。

lpf的作用就是虑除电压的高频干扰，从而获得较为稳定的电压。lpf的设计可以采用专用的程控滤波器芯片实现，比如用max297可以实现对低通截至频率的调整，其截止频率为0～50khz，这样设计更加灵活；另一种方式就是采用标准的3阶无源环路滤波器，即用lrc电路设计。

计量标准装置溯源：确定各级测试频率和输入输出db值，完成系统调试。进入max2671的中频信号功率为-30dbm～-20dbm，射频本振信号功率为-10dbm～+5dbm。通过测试，由射频本振信号电路的输出频谱可知该信号源输出功率达到了-3.8dbm，完全能够满足上混频器max2671射频本振信号输入在-10dbm到+5dbm之间的要求。由图可以看到，该信号源输出功率达到了-24.5dbm，完全能够满足上混频器max2671中频信号输入在-30dbm到-25dbm之间的要求。

其中，混频器max2671输出的信号频谱，200khz的调制信号与1ghz的射频载波信号混频后的输出的已调信号，再通过功率放大模块设置输出功率，然后将其送入n型头输出。

计量标准装置现场步骤：首先需与试验负责人商量确定传感器信号注入、输出接口是否可以操作。首选试验方案：从内置式传感器注入超高频电磁波信号，从多个位置的内置式、外置式传感器测量输出信号幅值线性度；次选试验方案：从外置传感器注入信号，从多个位置内置式、外置式传感器测量输出信号幅值线性度；基本试验方案：从外置传感器注入信号，从同一个盆式绝缘子安装另一个外置式传感器测量输出信号幅值线性度。

试验前准备。检查仪器完整性，确认仪器能正常工作，保证仪器电量充足或者现场交流电源满足仪器使用要求；检查现场试验区域，确保试验区域满足安全要求；检测试验环境是否符合测试要求；应记录温度和湿度：如果温、湿度不满足现场校准的环境要求，在校准工作前应向；现场校准负责人汇报以确定是否进行此项校准工作；参考设置部分的内容，检查接地端的连接；确认所使用超高频(uhf)现计量装置工作状态正常。

测试位置选择：测试点选择。对于gis设备，利用外露的盆式绝缘子处或内置式传感器，在断路器断口处、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、导体连接部件等处均应设置测试点。一般每个gis间隔取2～3点，对于较长的母线气室，可5～10米左右取一点，应保持每次测试点的位置一致，以便于进行比较分析。

传感器放置。gis内部局部放电产生的超高频信号在gis腔体内以横向电磁波方式传播，只有在gis外壳的金属非连续部位才能泄漏出来。在gis上只有无金属法兰的绝缘子、观察窗、接地开关的外露绝缘件、sf6气体压力释放窗等部位才能测量到信号，超高频传感器需安置在这些部位，传感器放置位置还应避开紧固绝缘盆子螺栓，以减少螺栓对内部电磁波的屏蔽以及传感器与螺栓产生得外部静电干扰。

测试时间。测试时间不少于30秒，如有异常再进行多次测量。并对多组测量数据进行幅值对比和趋势分析；

幅值线性度测试：连接校准接线；现场环境下采用在实验室环境下校准过的传感器(天线)作为信号发射天线，采用信号发生器及信号放大器输出信号至被校准的传感器(天线)并发射uhf电磁波，推荐采用uhf频段未调制的正弦信号作为输出。将最近位置的被试传感器作为接受传感器(天线)用来接受校准用的uhf信号。

由于接收端的电场强度e0是非均匀的，而且无法采用电场探头或标准增益天线对gis内部的电场强度进行测量，仅能依靠已安装在gis内的传感器进行测量，在现场试验中不一定能获得各传感器的传递函数hsen，因此应当将传感器看作gis的一部分，然后对传感器输出端的电压信号幅值线性度进行核查。

连接校准接线后，首先保持被测传感器与ied或测量主机的连接，并等比例降低注入信号的幅值，从显示界面读取被测在线监测装置对稳态电场的响应，并记录测量值变化量，并记录一组测量值。然后保持注入的射频信号不变，然后将被测传感器与ied或测量主机的电气连接断开，并采用50ω的射频线缆连接至计量标准的测量模块，以获得被测传感器对稳态射频电场强度的电压响应va，调节信号幅度使仪器输出指示器满刻度。记下输入脉冲峰值电压u和指示器满度值a，依次降低脉冲峰值电压至λu，λ＝0.8、0.6、0.4、0.2，记下输出指示器相应的示值。输出指示器在各测量点的非线性误差按下式计算：

式中：ε为检测仪幅值测量线性相对误差；λ为幅值变化比例。

试验结果与预期相符。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。