一种贴片式变压器局放检测系统的制作方法

【技术领域】

本发明涉及变压器局放故障检测的技术领域，特别是一种贴片式变压器局放检测系统。

背景技术：

变压器为电力系统核心设备之一，重要性非常突出。因此，其运行的可靠程度对于电力系统的安全稳定非常之关键，而电力变压器的安全可靠性很大程度上依赖于其绝缘的可靠性。局放是绝缘性能的最重要表现形式之一，也是引起变压器重大事故的重要根源。由于电力变压器，尤其是大型、巨型的电力变压器，其计划停电检查、检修的时间相对比较少。为此，有效地在线检测变压器内部的放电，实时辨识其运行情况，是提前发现变压器的内部缺陷、预防重特大安全事故的重要方法与手段。

然而，变压器现场的干扰有很多种，具体包括变频电子设备干扰、移动通信干扰、载波通信干扰、外部电晕等，根据试验研究，这些干扰所处的频段大多数在500mhz以下，变压器局放脉冲电流法主要采用高频电流传感器(罗柯夫斯基线圈)作为检测用传感器，检测频段上限大约为50mhz，超声法主要选择超声波检测元件作为传感器，其传感器的检测频率上限在10mhz附近，显然，以上两种方法与变压器现场干扰存在重叠部分，从而不能避开变压器现场的电磁干扰，容易引起误测量，因此传统的变压器局放监测装置由于监测频段低，面临噪声无法消除等问题。油色谱监测法主要通过测量变压器油受高热分解而生成的溶解于油的气体(局放是导致油分解为气体的重要因素)实现，本质上属于间接测量，实践证明其测量结果较准，是目前变压器监测的主流方法之一，但该方法实现局放的监测，需要经历气体的溶解、气体在变压器油箱内扩散、油气分离、气体传输、气体组分分离等一系列过程，从局放的发生至获得检测结果要经历较长的时间，对变压器内部剧烈放电反应的迅捷度不满足要求。因此，有必要研究变压器新的检测方法，使其在噪声抑制、监测的实时性及迅捷度方面满足要求。油侵式变压器在内部发生局部放电时，将衍射出大量的高频电磁波，这种高频电磁波的频段一般在300-1500mhz之间，通过有效检测变压器内部局部放电所衍射的电磁波，即可实现变压器内部放电的监测。

虽然目前已经有特高频局放检测传感器，但其形状一般为椭圆形结构，实际使用时是通过阀门插入变压器内部，使得这种特高频传感器不仅不能适合正在运行的变压器，且插入变压器内部传感器距离还要算计好距离，以免同变压器铁芯内部高压绕组击穿或引起绝缘短路。为此，利用超高频法监测局部放电的首要任务便是研制出合适的天线传感器。以接收局放超高频电磁波。为适应小型集成化的需求，超宽带平面天线的研究与应用引人瞩目。一般来说，天线的尺寸越小，天线的效率和带宽性能就会呈反向变化的关系，因此需要在尺寸与效率和带宽之间找到平衡。超宽带印刷单极子天线具有重量轻、体积小、低剖面、方向图全向、易于共形和集成等优点，在短距离无线通信系统中获得了广泛的应用。共面波导馈电的印刷天线具有宽频带、阻抗匹配简单、辐射损耗小和易于集成等优点。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种贴片式变压器局放检测系统，能够运用于正在运行的变压器，扩大了特高频的频率接收范围，能够更加广域的接收局部放电产生的特高频电磁波。

为实现上述目的，本发明提出了一种贴片式变压器局放检测系统，包括特高频局放检测传感器模块、脉络检波模块、fpga并行采集模块，所述特高频局放检测传感器模块采用贴片式结构，所述特高频局放检测传感器模块的输出端与脉络检波模块相连，所述脉络检波模块的输出端与fpga并行采集模块相连，所述特高频局放检测传感器模块用以接收变压器局部放电产生的特高频局放信号，所述脉络检波模块用以降低信号频率，将特高频局放检测传感器模块接收的特高频局放信号转换为包络波，由fpga并行采集模块进行多路并行采样，并将得到局放检测信号输送至数字信号处理器。

作为优选，所述特高频局放检测传感器模块的天线包括介质基片、以及印制于介质基片顶面的辐射贴片、共面波导馈线、第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片，所述辐射贴片、共面波导馈线自上至下依次设置，所述第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片对称设置于共面波导馈线的两侧，所述第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片与共面波导馈线之间具有间隙，第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片的结构相同。

作为优选，所述介质基片采用相对介电常数εr＝4.4，介质损耗角正切tanδ＝0.030的环氧树脂材质，所述介质基片的厚度为0.8mm。

作为优选，所述第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片为具有一弧形边缘的扇形结构，所述扇形结构的横截面所在圆半径r2为78mm。

作为优选，所述第一共面波导接地面贴片、第二共面波导接地面贴片的阻抗为50ω。

作为优选，所述辐射贴片为圆形结构，所述辐射贴片的半径r1为90mm，所述辐射贴片的外周间隔开设有若干个扇环形槽。

作为优选，所述fpga并行采集模块采用altera公司的ep1c6t144c8芯片，包括一个译码器、4个局放脉宽检测输出比较模块、一个中断请求或门、二十四路局放检测信号输出，所述fpga并行采集模块生成的局放脉冲信号通过设定局放阈值不同，可产生不同局放脉宽编号，根据编号与阈值关系，能够得到局放的放电幅度及相位，并锁定在fpga并行采集模块的数据锁存模块，供数字信号处理器进行局放信号的幅值与相位的评估与判别。

作为优选，所述数字信号处理器的pb口与pe口作为十六位数据线，用于传送局放脉宽数值；所述数字信号处理器的pf口低四位作为地址线，用于区别不同局放传感器件的脉宽数据；所述数字信号处理器的we为写使能选通引脚，低电平有效，当与fpga并行采集模块的译码器的输出csi同时为低电平时，把数据线上的数据送入fpga并行采集模块对应的影子寄存器中，其中i＝0～11；所述数字信号处理器的en1为基准计数器使能信号，用于初始化fpga并行采集模块的四个基准计数器；所述数字信号处理器的en2为fpga并行采集模块的中断请求或门使能信号；所述数字信号处理器的en3为二十四路局放检测信号输出三态门的使能封锁信号，保证局放数据脉冲的正确性，在局放数据检测故障时通过en3封锁输出脉冲，保证局放检测的可靠运行；所述数字信号处理器的外部中断xint1接收fpga并行采集模块的基准计数器产生的中断信号，响应中断后，经过计算，然后发送新的局放检测请求数值给fpga并行采集模块。

本发明的有益效果：本发明中采用贴片式的共面波导馈电的单极子天线模型作为局放检测传感器，可直接贴在变压器外壁，不需要通过阀门孔插入变压器内部，适用于在运行变压器；并将天线的共面波导接地面边缘作了圆滑处理，对贴片的结构参数进行了仿真优化，使天线接收频带覆盖0.3～3ghz范围，能够更加广域的接收局部放电产生的特高频电磁波，抗干扰能力更好，局放检测效果更佳；采用脉络检波技术，把特高频局放信号形成包络波，降低其频率，使其频率在30m左右，以便fpga电路有效采样。最后通过fpga多路并行采样算法及硬件结构，能够快速得到局放检测信号，送往数字信号处理器。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明的架构图；

图2是本发明特高频局放检测传感器模块的天线俯视图；

图3是本发明f＝1.65ghz天线表面电流分布图；

图4是本发明f＝1.65ghz天线表面电流分布图；

图5是本发明r1对天线vswr的影响；

图6是本发明r2对天线vswr的影响；

图7是本发明f＝0.05ghz方向图；

图8是本发明f＝1.65ghz方向图；

图9是本发明f＝2.8ghz方向图；

图10是本发明脉络检波模块的等效电路；

图11是本发明数字信号处理器与fpga信号连接结构框图；

图12是本发明fpga生成多路局放信号输出脉冲波形框图；

图13是本发明局放幅值与相位输出编码。

【具体实施方式】

参阅图1本发明一种贴片式变压器局放检测系统，包括特高频局放检测传感器模块10、脉络检波模块20、fpga并行采集模块30，所述特高频局放检测传感器模块10采用贴片式结构，所述特高频局放检测传感器模块10的输出端与脉络检波模块20相连，所述脉络检波模块20的输出端与fpga并行采集模块30相连，所述特高频局放检测传感器模块10用以接收变压器局部放电产生的特高频局放信号，所述脉络检波模块20用以降低信号频率，将特高频局放检测传感器模块10接收的特高频局放信号转换为包络波，由fpga并行采集模块30进行多路并行采样，并将得到局放检测信号输送至数字信号处理器。

进一步地，参阅图2，所述特高频局放检测传感器模块10的天线包括介质基片1、以及印制于介质基片1顶面的辐射贴片2、共面波导馈线3、第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5，所述辐射贴片2、共面波导馈线3自上至下依次设置，所述第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5对称设置于共面波导馈线3的两侧，所述第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5与共面波导馈线3之间具有间隙，第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5的结构相同。

a.特高频局放检测传感器模块的天线的主要参数

1)大圆的半径

超宽带印刷单极子天线是由圆柱阵子天线演变而来，因此可以将之与圆柱阵子做某种方式的等效，从而分析其性能。从理论上可将半径为r的单极子印刷贴片结构近似等效成高为l、半径为r的圆柱阵子。超宽带印刷单极子天线的下限频率的确定方法可借用平面单极子天线的相关公式：

式中，l为圆形辐射贴片2的长度即2r；w1、w2分别为等效上边缘和下边缘宽度，这里分别等效为上、下半圆的水平投影长度，即直径2r。该公式得到的估算误差在±9％以内，l、w1、w2单位均为m，该公式得到的下限频率估算值为0.32ghz。

确定下限频率(单位ghz)的表达式为：

式中，r的单位为mm，利用该公式得到的天线下限频率的估算值为0.35ghz，这与式(1)估算的0.32ghz结果非常接近。

2)馈电传输线宽度g2及其与共面波导间隙g(参阅图2标识)

共面波导的特性阻抗可表示

式中：k(k)为legendre第1类椭圆积分；εeff为共面波导介质板相对等效介电常数，且有

式中：

共面波导的特性阻抗决定于馈线宽度g2及馈线与地板之间的间隙g，介质基片1的相对介电常数εr和厚度h。对选定的介质基片(h＝1mm，εr＝4.4)，若两地板之间的间隔(g2+2g)为常数，如2mm，即可得出g2与特性阻抗z之间是一一对应的关系，然后根据波导传输线与天线输出端口阻抗匹配原则，计算得到g2与g的初始值。

天线参数优化

b.电流分布

采用ansoft公司hfss软件对上述分形天线进行参数优化。给出了2阶分形天线在频带中心f＝1.65ghz表面电流的分布图，如附图3所示。天线贴片上的电流分布发现，在所有工作频率点上，表面电流强度在天线中间位置幅值较低，越靠近边界幅值越大，由于所有辐射电流都要经过馈源，所以在馈源处形成了很大的电流密度，如附图4所示。

b1.辐射贴片2的半径r1的优化

改变r1观察对天线vswr的影响：

由附图5的优化设计可以得出，在工作范围0.3ghz天线有多个谐振点。从工程应用的角度讲，为了使天线尽量不影响被测电气设备的绝缘完整性，希望天线的尺寸越小越好。从附图5中可以看出，曲线“r1＝90mm”在0.3～3ghz频带内天线的s11(反射损耗)<-10，满足工程应用的要求。

b2.改变共面波导接地面贴片切角半径优化：

相比未进行切角处理的天线，共面波导接地面贴片进行切角圆滑处理之后有效减小了3ghz附近的s11(反射损耗)数值。从附图6中可以看出，曲线“r2＝78mm”在1.85ghz附近频带内天线的s11(反射损耗)有最小数值，满足工程应用的要求。

b3.增益方向图

附图7、8、9分别为本发明设计的天线在0.5ghz、1.65ghz、2.8ghz的方向图。

附图7、8、9分别为天线在0.5ghz、1.65ghz、2.8ghz的e面和h面优化设计结果。由图可知，天线在0.5ghz、1.65ghz、2.8ghz频点上，e面和h面的方向图对称性良好。优化结果显示方向图在2.8ghz恶化。随着频率的升高，天线的性能逐渐变差，方向图发生畸变，可能原因是随着频率的升高，天线接收和辐射更高次的电磁波模。

综上，将天线的参数优化为：所述介质基片1采用相对介电常数εr＝4.4，介质损耗角正切tanδ＝0.030的环氧树脂材质，所述介质基片1的厚度为0.8mm。所述第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5为具有一弧形边缘的扇形结构，所述扇形结构的横截面所在圆半径r2为78mm。所述第一共面波导接地面贴片4、第二共面波导接地面贴片5的阻抗为50ω。所述辐射贴片2为圆形结构，所述辐射贴片2的半径r1为90mm，所述辐射贴片2的外周间隔开设有若干个扇形环槽20，以改善天线的匹配并展开带宽。

进一步地，所述脉络检波模块20的脉络检波电路包括二极管d、电容器c、电阻r，所述二极管d的正极连接输入端的正极，所述电容器c的一端与电阻r的一端并联后与二极管d的负极连接，电容器c的另一端与电阻r的另一端并联后与输入端的负极连接，电阻r的两端作为输出端，所述二极管d的内阻小于电阻r的阻值。

检波法是常用的降低信号频率的方法之一，具体原理见附图10所示，从图可知，当高频信号脉冲出现时，若其波峰值大于电容的残余电压，二极管d便导通，高频脉冲信号经由二极管d不断向电容器c充电，直至高频脉冲信号电压瞬时值与电容器残余电压相等，此时，二极管d被截止，同时电容器c开始通过r向外释放能量，对于检波器，一般要求电容器的充电时间常数要远小于放电时间常数，即二极管的内阻要远小于电阻r的阻值，通过合理选择检波参数(包括d的内阻，c的电容值及r的电阻值)，便可完成信号频率的降低。检测回路一般容易耦合背景噪声，为了提高局部放电在线检测的准确性，必须将背景噪声有效抑制，以保证局部放电检测的真实性，可通过小波变换抑制背景噪声。但小波去燥效果在一定程度上依赖于母小波与原始脉冲信号在时域波形上相似程度，而特高频局放检测天线获得的变压器局放信号与环境的关联度是非常大的。这就给母小波的选择带来了一定的难度，必须分层采用不同的母小波对信号进行匹配，不同层均选择匹配度大的小波作为该层的最佳母小波。可以在检波电路中适当增加电路，电阻及电感的匹配去耦电路，或者在fpga后期采样电路及算法中加以剔除。

进一步地，参阅图11，所述fpga并行采集模块30采用altera公司的ep1c6t144c8芯片。图11中只示意的画出了一组共6路信号脉冲的输出结构图，其它三组模块结构相同，只是基准计数器的初始值不一样。

图11中采用数字信号处理器的pb口与pe口作为十六位数据线，用于传送局放脉宽数值；数字信号处理器的pf口低四位作为地址线，用于区别不同局放传感器件的脉宽数据；数字信号处理器的we为写使能选通引脚，低电平有效，当与fpga并行采集模块30的译码器的输出csi同时为低电平时，把数据线上的数据送入fpga并行采集模块30对应的影子寄存器中，其中i＝0～11；所述数字信号处理器的en1为基准计数器使能信号，用于初始化fpga并行采集模块30的四个基准计数器；所述数字信号处理器的en2为fpga并行采集模块30的中断请求或门使能信号；所述数字信号处理器的en3为二十四路局放检测信号输出三态门的使能封锁信号，保证局放数据脉冲的正确性，在局放数据检测故障时通过en3封锁输出脉冲，保证局放检测的可靠运行；所述数字信号处理器的外部中断xint1接收fpga并行采集模块30的基准计数器产生的中断信号，响应中断后，经过计算，然后发送新的局放检测请求数值给fpga并行采集模块30。

附图12为fpga并行计算局放采集数据触发脉冲的硬件时序框图，根据附图12生成的局放脉冲信号，通过设定局放阈值不同，可产生不同局放脉宽编号，如附图13所示。根据编号与阈值关系，能够得到局放的放电幅度及相位，并锁定在fpga并行采集模块30的数据锁存模块，供数字信号处理器进行局放信号的幅值与相位的评估与判别。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。