对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路及装置制造方法
【专利摘要】本发明一种对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路，其中第一电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器，产生旁路脉冲信号与超声声电信号的叠加输出信号；第二电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容，形成纯净旁路脉冲电流信号；差分放大器的反向输入端和正向输入端分别与第一个电荷放大器、第二电荷放大器的输出端连接，用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号之差成正比的纯净超声声电信号。本发明还提出一种对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置。
【专利说明】对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于输电设备检测【技术领域】，具体涉及一种基于脉冲电流和超声检测的气体绝缘封闭式组合电器局部放电检测电路及装置。
【背景技术】
[0002]GIS设备(Gas Insulated Switchgear)即气体绝缘封闭式组合电器,是20世纪60年代出现的一种新型输电设备，它把变电站中除变压器之外的其他功能设备组合在一个一个的金属外壳中，并充以SF6气体，从而提高这些输电开关设备的安全性和可靠性。国内从20世纪80年代开始引入GIS设备，目前仍然在继续扩大应用当中。虽然GIS设备的设计就是为了实现安全性和可靠性，但其内部的局部放电现象也会造成故障甚至酿成事故。而一旦发生故障，只有对发生局部放电部位的相关部件进行更换，十分费时费力，对电力系统的正常运行造成很大影响。为使电力系统从故障中尽快恢复，首先要对局部放电的发生位置进行定位，然后才有可能开展迅速有效的维护。由此可见，GIS局部放电的定位检测对电力运营部门具有重要的现实意义。
[0003]此外，作为GIS设备的制造商或施工建设商而言，需要通过对局部放电的检测可以发现GIS绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，提高制造和安装的“清洁度”，并确定这些缺陷的位置。因此，GIS局部放电检测定位设备是GIS制造过程中保障质量的有力手段。
[0004]随着GIS在电力系统中的重要性的提高，为保证GIS长期可靠运行，对其绝缘诊断也愈来愈得到重视。作为判断GIS绝缘状况的有效手段，GIS中局部放电的检测技术也迅速发展起来。局部放电测量的方法很多，简单介绍如下:
[0005](I)脉冲电流法
[0006]又称为耦合电容法，它利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测局部放电在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现。但是在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此这种方法的使用推广受到了很大限制。
[0007](2)特高频电磁波(UHF)检测法
[0008]英国Strathclyde大学提出的UHF法目前已经应用到GIS生产和运行中，它是一种利用超高频频率信号进行局部放电在线监测的方法。GIS —旦局部放电现象，就会产生脉冲电流，电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒(nS)级。该电流脉冲将激发出高频电磁波，其主要频段为0.3-3GHZ，该电磁波可以从GIS上的盘式绝缘子处泄露出来，采用超高频传感器(频段为0.3-3GHz)测量绝缘缝隙处的电磁波，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。
[0009]该方法可以带电测量，测量方法不改变设备的运行方式，并且可以实现在线连续监测。可通过滤波等方法对背景噪声进行有效抑制，因而具有较强的抗干扰能力。但该方法大多仅仅能确认故障的发生，不能对发生故障的点进行准确的定位。
[0010]⑶超声波法[0011]GIS局部放电会产生声波，其类型包括纵波、横波和表面波。纵波通过气体传到外壳，横波则需要通过固体介质(比如绝缘子等)传到外壳。通过贴在GIS外壳表面的压电式声电传感器接收这些声波信号，以达到监测GIS局放的目的。因此可以用在腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电。
[0012]该方法的传感器也与GIS设备的电气回路无任何联系，不受电气方面的干扰。设备使用简便，技术相对比较成熟，现场应用经验比较丰富，可不改变设备的运行方式进行带电测量，由于测量的是超声波信号，因此对电磁干扰的抗干扰能力比较强，可以对缺陷进行定位。但是，该方法也有超声信号与放电脉冲电流信号无法区分、噪声较大、灵敏度较低、传感器需粘贴于GIS设备上而不便宜使用等缺点。
[0013](4)光学监测法
[0014]光电倍增器可以监测到甚至一个光子的发射，但是由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现，该方法对于已知放电源位置的监测比较有效，但不具备对故障的定位能力。并且由于GIS内壁光滑而引起的反射带来的影响，造成灵敏度不高。
[0015]总结上述方法的特点，我们可以得出以下结论。UHF法抗干扰能力强，灵敏度高，但检测电路为高频电路，技术难度较大。此外，该方法虽在原则上也可实现故障定位，但故障定位的算法十分复杂，同样不利于控制检测设备的成本。超声波检测法虽然能够实现定位，但因其灵敏度较低，不利于GIS中的微弱放电的检测，因此就不利于GIS故障的早期诊断。
[0016]从理论上分析，任何超声声电传感器均可以视为一个电容，因此它的作用完全同上述“脉冲电流法法”中的耦合电容的作用一样，会把局部放电直接产生的脉冲电流耦合进来。但是，作为超声法的声电传感器，我们要检测的是超声波在传感器上通过声电效应转换而得的电信号，上述耦合而得到的脉冲电流就成了噪声。
【发明内容】
[0017](一)要解决的技术问题:
[0018]为了解决现有技术耦合而得到的脉冲电流造成的噪声，本发明的目的是试图分离超声声电信号和脉冲电流信号，并对它们进行综合利用，提高对GIS局部放电检测的灵敏度和定位的精度，针对提高超声声电传感器中的超声声电信号的信噪比而提出一种基于脉冲电流和超声检测的GIS局部放电检测电路及装置。
[0019](二)技术方案:
[0020]本发明的第一方面，提出一种对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路，该检测电路由第一电荷放大器、第二电荷放大器、一个差分放大器、超声声电传感器和固定电容组成，其中:
[0021]第一电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器，超声声电传感器同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器耦合进入第一电荷放大器，第一电荷放大器产生旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；
[0022]第二电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容，固定电容接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容耦合进入第二电荷放大器，第二电荷放大器形成纯净旁路脉冲电流信号；
[0023]差分放大器具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器的反向输入端与第一个电荷放大器的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；差分放大器的正向输入端与第二电荷放大器的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号；差分放大器用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号之差成正比的纯净超声声电信号。
[0024]本发明的第二方面,提出一种基于将脉冲电流和超声波对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，该检测装置由超声声电传感器、固定电容、第一电荷放大器、第二电荷放大器、差分放大器、AD转换器、数字信号处理器、互动按钮、指示灯和微型液晶图形显示器组成，其中:
[0025]第一电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器，超声声电传感器同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器耦合进入第一电荷放大器，第一电荷放大器产生旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；
[0026]第二电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容，固定电容接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容耦合进入第二电荷放大器，第二电荷放大器形成纯净旁路脉冲电流信号；
[0027]差分放大器具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器的反向输入端与第一个电荷放大器的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；差分放大器的正向输入端与第二电荷放大器的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号；差分放大器用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号之差成正比的纯净超声声电信号;
[0028]AD转换器的输入端分别与第二电荷放大器、差分放大器输出端连接，数字信号处理器则与AD转换器的输出端、互动按钮的输入端、指示灯的输入端连接；
[0029]所述AD转换器,将差分放大器输出的纯净超声声电信号和第二电荷放大器输出的纯净旁路脉冲电流信号进行数字化；
[0030]所述数字信号处理器，对数字化纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号进行计算，得到并显示纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的波形、品谱、最大幅度和最大功率频率，利用纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的到达时刻的时间差乘以声速即得到局部放电位置与超声声电传感器放置位置之间的距离，实现对气体绝缘封闭式组合电器局部放电位置的定位，并显示该距离值；
[0031]所述互动按钮接收用户发出的换屏指令和复位指令，指示灯点亮表明装置正在工作；
[0032]所述微型液晶图形显示器输入端与数字信号处理器输出端连接，在数字信号处理器控制下显示纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的波形、频谱、最大幅度、最大功率频率及局部放电与超声声电传感器之间的距离。
[0033](三)有益的技术效果:
[0034]本发明提出一种基于结合脉冲电流和超声波检测的GIS局部放电检测装置，通过分离来自超声声电传感器的超声声电信号和脉冲电流信号，提高了超声声电信号的信噪t匕。综合利用所获得的纯净旁路脉冲电流信号和超声声电信号，提出了利用纯净旁路脉冲电流信号和超声声电信号的到达时刻差来实现GIS局部放电的定位的方法。与现有的仅采用旁路脉冲电流检测法的技术相比，本发明的装置新增了 GIS局部放电定位功能；与现有的仅采用超声检测法的技术相比，本发明的装置提高了超声声电信号的信噪比，可以使仅靠超声信号进行定位的定位方法获得更高的精度；与现有的仅使用超声进行定位的方法相t匕，现有方法需要同时接入两个以上的超声声电传感器，且需要复杂的计算处理，本发明提出的定位方法则只需要接入一个超声声电传感器，计算处理也相对简单，因而更加简便实用。
[0035]GIS局部放电检测电路对旁路脉冲电流信号和超声信号的响应不同，从硬件上实现了来自同一个超声声电传感器中的旁路脉冲信号与超声声电信号的分离。同时获得了纯净的超声声电信号和纯净的旁路脉冲电流信号。
[0036]用搜索绝对值的最大值的方法找出所述两个纯净信号最大值所对应的时刻,用两者之差计算所述两个纯净信号发生的时间差，用该时间差乘以声速即得到局部放电位置与超声声电传感器放置位置之间的距离，从而提供了实现局部放电位置定位的一种简便有效的方法。
[0037]以上述检测电路为基础，以数字信号处理器后续处理中心，并配置IXD微型图形显示器、互动按钮及指示灯，形成GIS局部放电检测设备。该装置对上述两路纯净信号的波形、频谱、最大幅度和最大功率频率及放电位置与超声声电传感器放置位置之间的距离的显不O
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是传统电荷放大器电路示意图；
[0039]图2是本发明提 出的结合脉冲电流检测和超声波检测的GIS局部放电的检测电路；
[0040]图3是本发明提出的GIS局部放电的检测装置原理框图；
[0041]图4是本发明的提出的GIS局部放电检测装置软件流程示例
[0042]Cs超声声电传感器的等效电容，
[0043]A集成电荷放大器，
[0044]Al集成电荷放大器反相输出端，
[0045]A2集成电荷放大器反相输入端，
[0046]A3集成电荷放大器同相相输入端，
[0047]Rf电荷泄放电阻， Cf积分电容，
[0048]I第一电荷放大器， 2第二电荷放大器，3差分放大器，
[0049]4超声声电传感器， 5固定电容，6高速AD转换器，
[0050]7数字信号处理器， 8互动按钮，9指示灯，
[0051]10微型液晶图形显示器，
[0052]O1-第一电荷放大器输出的叠加信号，
[0053]O2-第二电荷放大器输出纯净旁路脉冲电流信号，
[0054]O3-差分放大器输出输出纯净超声声电信号，
[0055]I1-来自超声声电传感器的超声声电信号，
[0056]I2-来自超声声电传感器接地端的的旁路脉冲电流信号。【具体实施方式】
[0057]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0058]首先需要对现有超声声电检测电路进行充分的分析，找出现有电路中产生噪声或未能抑制噪声的原因。
[0059]现有的超声声电检测电路一般米用电荷放大器作为前置放大器，电荷放大器的传统电路如图1所示，Cs是超声声电传感器等效电容，A是集成电荷放大器，Al是集成电荷放大器反相输出端，A2是集成电荷放大器反相输入端，A3是集成电荷放大器同相相输入端，Rf是电荷泄放电阻，Cf是积分电容。其中，作为超声声电传感器的电容Cs具有特别的特殊性。一方面，当GIS中的局部放电产生的超声波播到该传感器上的时候，Cs两极上产生正负相反的电荷，该电荷通过由集成放大器A、积分电容Cf和泄放电阻Rf组成的电荷放大器放大，从而检测到超声波。另一方面，GIS中的局部放电在产生超声波的同时,放电本身就意味着在GIS的放电部位存在着由电离的气体离子和自由电子的运动产生的脉冲电流，这种脉冲电流一方面通过GIS本身构成的回路泄放，另一方面通过GIS外导体的接地部位泄放到大地。而超声声电传感器为检测超声必须与GIS外壳密切接触，这样，在超声声电传感器接收到超声的同时，局部放电产生的脉冲电流也在超声声电传感器附近“旁路”通过。这种“旁路”通过的电流，会通过超声声电传感器的等效电容Cs耦合到图1所示的放大电路中，成为超声波产生的超声声电信号的噪声。一般来讲，旁路脉冲电流信号是直接的电信号，它以光速传播到上述放大电路。而超声声电信号在被超声声电传感器转化为电信号之前是以声速在GIS的各个部分中传播的，而声速当然远远小于光速。因此，只要传感器的放置位置与局部放电位置之间有一定距离，旁路脉冲信号的前沿就会比超声声电信号的前沿更先到来。但是，只要局部放电的持续时间较长，两种信号就相互重叠在一起，每一个信号均成为另外一个信号的噪声。因此，现有的超声声电检测电路仅在无旁路脉冲信号干扰的情况下有效。而在GIS局部放电检测这个具体应用环境下，GIS局部放电不仅产生超声波，也同时产生脉冲旁路电流及特高频电磁波信号等信号，它们都构成了严重干扰。目前，从超声声电信号中剔除其他干扰信号的方法主要是多级有源滤波的方法。但滤波的方法仅在超声声电信号与其他干扰信号的频谱不重叠的条件下有效。但在GIS局部放电检测这个具体应用环境下，超声声电信号与旁路脉冲电流信号有较多的重叠，且旁路脉冲电流信号的功率往往比超声声电信号的功率还要大，甚至“淹没”超声声电信号。在这种情况，滤波方法不能彻底解决上述问题
[0060]为解决现有技术的问题，本发明给出了图2示出本发明结合脉冲电流检测和超声波检测的GIS局部放电检测电路,该电路由第一电荷放大器1、第二电荷放大器2、一个差分放大器3、超声声电传感器4、固定电容5组成,其中:第一电荷放大器I的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器4，超声声电传感器4同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器4耦合并进入第一电荷放大器I，第一电荷放大器I产生并输出旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1 ;第二电荷放大器2的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容5，固定电容接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容耦合进入第二电荷放大器2，第二电荷放大器2形成纯净旁路脉冲电流信号O2 ;差分放大器3具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器3反向输入端与第一个电荷放大器I的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1 ;差分放大器3的正向输入端与第二电荷放大器2的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号O2 ;差分放大器3用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号O2和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1之差成正比的纯净超声声电信号03。
[0061]所述第一电荷放大器I由一个集成电荷放大器A,—个电荷泄放电阻Rf和积分电容Cf组成；
[0062]所述第二电荷放大器2由一个集成电荷放大器B,—个电荷泄放电阻RF和积分电容Cf，组成；
[0063]所述差分放大器3由一个集成运算放大器C以及电阻Rl、R2、R3和R4组成。
[0064]第一个电荷放大器I的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器4,该超声声电传感器4的静态等效电容为Cs ;第二电荷放大器2的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容5，选取固定电容5的电容值Cs’尽量与静态等效电容Cs相等。所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的同相输入端共地。所述第一电荷放大器I输出的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1馈送给所述差分放大器3的反向输入端，第二电荷放大器2的输出的纯净旁路脉冲电流信号O2馈送给所述差分放大器3的同相输入端。所述差分放大器3被设计成所述同相端与反向端对称的减法器，即选择电阻R2 /R1=R4 / R3,因此所述差分放大器3的输出信号与来自第一电荷放大器I输出的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1和第二电荷放大器2输出的纯净旁路脉冲电流信号O2之差成正比的纯净超声声电信号03，即
[0065]O3=A3d (O2-O1)⑴
[0066]上式中A3d为差分放大器3的差模闭环放大倍数，O3是差分放大器3输出的纯净超
声声电信号。
[0067]第一个电荷放大器1的反向输入端与同相输入端之间接有超声声电传感器4,超声声电传感器4会响应GIS的局部放电而产生超声声电信号Ip另外，GIS的局部放电也会产生旁路脉冲电流信号12，I2也通过超声声电传感器4的静态等效电容Cs的接地端12率禹合到第一电荷放大器I中。根据公知的电路原理，第一电荷放大器I的输出旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号满足下式:
[0068]O1=AldI^AlcI2(2)
[0069]其中，Ald和Alc;分别是第一电荷放大器1的差模闭环放大倍数和共模闭环放大倍数。由上式可知，第一电荷放大器输出的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1是超声声电信号I1和旁路脉冲电流信号I2的线性叠加。也就是说，第一电荷放大器I的输出信号是超声声电信号I1和旁路脉冲电流信号I2相互叠加的混合信号，而非纯净信号。
[0070]第二电荷放大器2的反向输入端与同相输入端之间接入的是一个固定电容5,因此第二电荷放大器2不会对产生于GIS的局部放电的超声声电信号I1作出响应。但是，由于第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的同相输入端共地，因此从共地端GND旁路通过的旁路脉冲电流信号I2也会耦合到第二电荷放大器2中，并被第二电荷放大器2放大。根据公知的电路原理，第二电荷放大器2的输出纯净旁路脉冲电流信号O2满足下式:
[0071]O2=A2cI2(3)[0072]其中A2。是第二电荷放大器2的共模闭环放大倍数。上式表明第二电荷放大器2的输出信号O2与旁路脉冲电流信号I2成正比,却与产生于GIS的局部放电的超声声电信号I1无关。也就是说，该信号是纯净的旁路脉冲电流信号。
[0073]所述第一电荷放大器1和第二电荷放大器2各自集成电荷放大器芯片可以选用TLC2272芯片或TLC2274芯片或其他任何具有相似参数的产品，测量他们的开环放大倍数和输入阻抗，选择出具有相同开环放大倍数和相同输入阻抗的芯片以供使用。选择所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的电荷泄放电阻RF’和积分电容兀件Cf’ ,使它们的阻值和容值尽可能一致，即选择电荷泄放电阻RF’ = Rf，积分电容CF’ = Cf。在此条件下，根据公知知识得知第一电荷放大器I的共模闭环放大倍数Alc;与第二电荷放大器2的共模闭环放大倍数A2。相等，SP:
[0074]Alc=A2c⑷
[0075]将公式(2)和公式(3)代入公式1，并利用公式(4)，可以推倒得出如下公式:
[0076]O3=A3dAldI1(5)
[0077]上式表明，差分放大器3的输出信号与产生与GIS的局部放电的超声声电信号I1成正比，而与旁路脉冲电流信号I2无关。也就是说，通过上述电路，最终在差分放大器3的输出端获得了纯净的超声声电信号O3。
[0078]所述超声声电传感器4可以选用基于压电陶瓷的以及基于柔性压电薄膜的两种。其中压电陶瓷的压电系数大，所制成的超声声电传感器4的灵敏度高。但压电陶瓷存在一个为其形状尺寸所决定的固有谐振频率，意味着这种传感器的响应仅在这个频率附近灵敏，具有很窄的响应通带。柔性压电薄膜的频率响应较少受其形状和尺寸的限制，因此其频率响应通带很宽，在50Hz-300kHz之间均具有大致相同的响应。然而压电薄膜材料的压电系数比压电陶瓷材料要小一个数量级，所制成的超声声电传感器的灵敏度也较低。而GIS局部放电的超声波频率，因其放电原因的多样性和放电机理的复杂性，具有很宽的带宽，最高可能达到IOOkHz。作为一个实施例,本选用基于压电薄膜的超声声电传感器。
[0079]作为一个实施例，可以在现有的基于超声法的GIS局部放电检测设备或装置中采用由步骤1-步骤6所实现GIS局部放电检测电路，从而提高所获得的超声声电信号的信号比，从而升级现有设备的技术水平，提高这些设备的定位精度。
[0080]本发明进一步提出一种基于上述检测电路的GIS局部放电检测装置，图3示出了本发明提出的GIS局部放电检测装置原理框图；该检测装置由检测电路、AD转换器6、数字信号处理器7、互动按钮8、指示灯9和微型液晶图形显示器10组成，其中检测电路是图2示出对气体绝缘封闭式组合电器局部放的电检测电路，该检测电路包括第一电荷放大器1、第二电荷放大器2、差分放大器3、超声声电传感器4、固定电容5 ；AD转换器6米用高速AD转换器，第一电荷放大器I的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器4,超声声电传感器4同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器4耦合进入第一电荷放大器1，第一电荷放大器1产生旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1 ;第二电荷放大器2的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容5,固定电容5接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容5耦合进入第二电荷放大器2，第二电荷放大器2形成纯净旁路脉冲电流信号O2 ;差分放大器3具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器3的反向输入端与第一个电荷放大器I的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1 ;差分放大器4的正向输入端与第二电荷放大器2的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号O2 ;差分放大器3用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号O2和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号O1之差成正比的纯净超声声电信号；AD转换器6的输入端分别与第二电荷放大器
2、差分放大器3输出端连接,数字信号处理器7则与AD转换器6的输出端、互动按钮8的输入端、指示灯9的输入端连接；所述AD转换器6，将差分放大器3输出的纯净超声声电信号O3和第二电荷放大器输出的纯净旁路脉冲电流信号O2进行数字化；所述数字信号处理器7，对数字化纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号进行计算，得到并显示纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的波形、品谱、最大幅度和最大功率频率，利用纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的到达时刻的时间差乘以声速即得到局部放电位置与超声声电传感器放置位置之间的距离，实现对气体绝缘封闭式组合电器局部放电位置的定位，并显示该距离值；所述互动按钮8接收用户发出的换屏指令和复位指令，指示灯9点亮表明装置正在工作；所述微型液晶图形显示器10输入端与数字信号处理器7输出端连接，在数字信号处理器7控制下显示纯净超声声电信号O3和纯净旁路脉冲电流信号O2的波形、频谱、最大幅度、最大功率频率及局部放电与超声声电传感器4之间的距离。
[0081]所述固定电容5的电容值与超声声电传感器4的静态等效电容相等。由所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2组成集成电荷放大器A,第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的开环放大倍数、输入阻抗相同；所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2组成电荷泄放电阻Rf和积分电容Cf，所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的电荷泄放电阻阻值Rf相同，所述第一电荷放大器I和第二电荷放大器2的积分电容的容值Cf，相同。数字信号处理器7利用搜索绝对值的最大值的方法搜索纯净超声声电信号O3和纯净旁路脉冲电流信号O2绝对值的最大值,找出纯净超声声电信号O3和纯净旁路脉冲电流信号O2最大值所对应的时刻，用纯净超声声电信号O3和纯净旁路脉冲电流信号O2之差计算纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号O1发生的时间差。
[0082]该GIS局部放电检测装置的原理框图。该装置以本发明所提出的如图2所示的检测电路以提供纯净超声声电信号O3和纯净旁路脉冲电流信号O2，它们被馈送给任何一款具有片内高速AD转换器的数字信号处理器由其片内高速AD转换器进行AD转换。作为一个实施例，本发明数字信号处理器采用TMS320F28335的片内高速AD转换器来实现这一功能。采用独立的高速AD转换器芯片来实现这一功能也属于本发明的内容。
[0083]作为一个实施例对所获得的数据进行计算、分析和判断的功能也采用TMS320F28335 实现。
[0084]TMS320F28335芯片的中央处理器最高时钟频率可达150MHz，最小时钟周期为
6.67ns ;拥有16路12位片内高速AD转换器，能对0V-3V之间的电压信号进行高速采样，所述高速AD转换器的转换时间为80ns ;拥有片内RAM34k，片内闪存(FLASH) 256k ;工作电压为3.3V，内核工作电压为1.8V。这是一款以低功耗为目标设计的数字信号处理器，保证了所开发的GIS局部放电检测装置能够在电池供电条件下工作。此外，该数字信号处理器拥有多达64个引线脚可以通过软件定义为通用IO端口。本发明把该数字信号处理器中的一些引线脚作为图3F的“互动按钮与指示灯”的输入或输出引线，把另一些引线脚作为图3中的液晶(IXD)微型图形显示器10的数据输出或显示控制线。一般来说，每个互动按钮8需要一个输入口，每个指示灯9需要一个输出口，串行输入的显示器需要4-6个输出口，并行输入的显示器需要8-12个输出口。作为一个实施例，本发明引入2个互动按钮8，分别命名为“重启按钮”和“换屏按钮”。另外还引入两个指示灯9，一个串行输入的显示器，所需通用IO端口数量为8个，所以数字信号处理器7的64条通用IO端口资源足以满足使用。
[0085]图3中的IXD的微型图形显示器10可以是市场可以提供的任何款型的微型显示器产品。由于数字信号处理器7的可定义为通用IO端口的引线脚资源足够，并且可以用软件较方便地重新定义，因此本实施方案可以适应市场上所有微型LCD显示器款型。
[0086]图3中的互动按钮8可以选用市场能够提供的任何款型的轻触开关，只要其质量可靠，外形美观、尺寸满足安装要求即可，没有特别要求。
[0087]采用其他款型的数字信号处理器7或采用FPGA结合独立高速AD转换器6的方案，只要采用了本发明提出的如图2所示的检测电路，就应当视为本发明的内容。
[0088]以图3所示原理框图为基础的GIS局部放电检测装置可以实现GIS局部放电的检测与定位。用搜索绝对值的最大值的方法找出图2所示电路提供的脉冲电流纯净信号O2和超声声电纯净信号O3的最大值所对应的时刻，用两者之差计算所述两个纯净信号发生的时间差，用该时间差乘以声速即得到局部放电位置与超声声电传感器4放置位置之间的距离，从而实现局部放电位置的定位。计算公式如下:
[0089]D=V Δ T
[0090]其中D为局部放电位置到超声声电传感器4安装位置之间的距离，V为超声波速度，AT为上述时间差。超声波在GIS内部的SF6气体中的传输速度仅为150m / s，而在GIS外壳(材料一般为铝)中的传播速度却为4000m / S。因此，上述定位的结果只具有相对的意义。在本发明中，分别以上述两种声速分别计算出两个距离，均输出给显示器进行显示，提供给用户参考使用。
[0091]显然，上述定位方法只是一个实施例，对这个方法的任何改进，只要是使用了脉冲电流信号和超声声电信号的时间差，就属于本发明的范围。
[0092]在图3原理框图基础上实现的GIS局部放电检测仪还需要在软件的支持下工作。作为一个实施例，图4示出出了本发明的GIS局部放电检测装置软件流程图。现在结合图4说明一下软件运行步骤如下:
[0093]步骤S1:系统初始化，包括通用IO端口的定义、定时器及片内高速AD转换器初始化，启动定时器中断，设置用定时器中断启动AD转换器。读取纯净旁路脉冲电流信号O2和纯净超声声电信号O3采样数据，存入纯净旁路脉冲电流信号采样数据变量O2Old和纯净超声声电信号米样数据变量03old。以布尔变量Grasped=O表不尚未抓取到GIS局部放电信号，将其设置为0，进入以下主循环。
[0094]步骤S2:进入主循环后，首先检测布尔变量Grasped(在对步骤SI的叙述中已经说明了，属于本发明中的软件中的一个变量，其类型是布尔变量)是否为零。如果为零，则进入步骤S3，布尔变量Grasped不为零，则进入步骤S6。
[0095]步骤S3:检查“重启按钮”是否被按下，如果“重启按钮”被按下则重新运行步骤SI，如果“重启按钮”未被按下则进入步骤S4。
[0096]步骤S4:读取纯净旁路脉冲电流信号O2和纯净超声声电信号O3采样数据，存入纯净旁路脉冲电流信号新采样数据O2Iiew和纯净超声声电信号新采样数据03new。检查判据|02new-02old|是否小于100,如果| 02new_02old |是小于100则运行步骤S2,如果I O2new-O2old I是大于或等于100,则进入步骤S5。
[0097]步骤S5:将布尔变量Grasped设置为I，表示已经抓取到GIS局部放电信号。设置最大采样数Nmax为此后需要保存的采样数据的个数，比如可以设置为128，采样数q=l，执行步骤S2。显然，Nmax的具体数值不是本发明的限制。
[0098]步骤S6:读取纯净旁路脉冲电流信号O2和纯净超声声电信号O3采样数据，将采样数据存入数组02array和03array。同时将已经完成的采样数q和设定的最大采样数Nmax进行比较，如果已经完成采样数q小于设定最大采样数Nmax，则重复步骤S6。如果已经完成采样数q大于或等于设定最大采样数Nmax，则进入步骤S7，。
[0099]步骤S7:设i=l,最大屏数imax=constant,显示纯净旁路脉冲电流信号O2的波形，i = i+lo imax为欲显示的最大屏数,用constant表示。
[0100]步骤S8:检测“换屏按钮”是否被按下，如果“换屏按钮”被按下，则运行步骤S9，如果“换屏按钮”未被按下，则重新运行步骤S8。
[0101]步骤S9:计算并显示下一屏内容。比如，紧接着纯净旁路脉冲电流信号O2波形的显示，可以计算并显示纯净旁路脉冲电流信号O2的频谱，再下一屏内容可以是纯净旁路脉冲电流信号O2的幅度和频率。可以将超声声电信号O3的波形、超声声电信号O3的频谱以及超声声电信号O3的幅度和频率规定为此后的第4、5和6屏的显示内容，还可以把由上述具体事实步骤S9所计算出的GIS局部放电位置与传感器的距离D作为第7屏显示内容。如果仅仅显示这7屏，则最大屏数imax等于7。显然，具体显示屏数不是本发明的限制。判断已经显示完成的屏数i是否小于所设置的最大屏数imax。如果已经显示完成的屏数i小于所设置的最大屏数imax，返回步骤S8，如果已经显示完成的屏数i大于所设置的最大屏数imax,则运行步骤SlO。
[0102]步骤SlO:将布尔变量Grasped设置为0，转回到步骤S2重新运行，以检测下一次GIS局部放电。
[0103]根据图2所示GIS局部放电检测电路和图3所示GIS局部放电检测装置系统原理框图，利用公知技术制造相应的印刷电路板，利用公知技术将数字信号处理器芯片等焊接至IJ所述印刷电路板的相应位置，实现GIS局部放电检测装置相应硬件电路的制造。
[0104]根据步骤S9所述原理和图4所示软件流程，用公知技术编写相应软件，并在上述步骤中制造出的电路板上运行并验证通过，随后将程序代码烧录于数字信号处理器6的片内闪存中。
[0105]将上述带有软件的电路板安装于恰当的装置机箱中，并在机箱面板上适当位置安装图3所示的互动按钮8和液晶微型图形显示器10，到此即获得GIS局部放电检测装置成
品O
[0106]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解并想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
【权利要求】
1.一种对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路，其特征在于，该气体绝缘封闭式组合电器局部放电检测电路由第一电荷放大器、第二电荷放大器、一个差分放大器、超声声电传感器和固定电容组成，其中: 第一电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器，超声声电传感器同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器耦合进入第一电荷放大器，第一电荷放大器产生旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号； 第二电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容，固定电容接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容耦合进入第二电荷放大器，第二电荷放大器形成纯净旁路脉冲电流号； 差分放大器具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器的反向输入端与第一个电荷放大器的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；差分放大器的正向输入端与第二电荷放大器的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号；差分放大器用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号之差成正比的纯净超声声电信号。
2.如权利要求1所述对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路，其特征在于，所述固定电容的电容值与超声声电传感器的静态等效电容相等。
3.如权利要求1所述对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测电路，其特征在于，由所述第一电荷放大器和第二电荷放大器组成集成电荷放大器，第一电荷放大器和第二电荷放大器的开环放大倍数、输入阻抗相同；所述第一电荷放大器和第二电荷放大器组成电荷泄放电阻和积分电容，所述第一电荷放大器和第二电荷放大器的电荷泄放电阻阻值相同，所述第一电荷放大器和第二电荷放大器的积分电容的容值相同。
4.如权利要求1所述对气`体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，其特征在于，数字信号处理器利用搜索绝对值的最大值的方法搜索纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号绝对值的最大值，找出纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号最大值所对应的时刻，用纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号之差计算纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号发生的时间差。
5.一种对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，其特征在于，该检测装置由超声声电传感器、固定电容、第一电荷放大器、第二电荷放大器、差分放大器、AD转换器、数字信号处理器、互动按钮、指示灯和微型液晶图形显示器组成，其中: 第一电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入超声声电传感器，超声声电传感器同时接收旁路脉冲电流信号和超声声电信号，经过超声声电传感器耦合进入第一电荷放大器，第一电荷放大器产生旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号； 第二电荷放大器的反向输入端与同相输入端之间接入一个固定电容，固定电容接收旁路脉冲电流信号，通过该固定电容耦合进入第二电荷放大器，第二电荷放大器形成纯净旁路脉冲电流号； 差分放大器具有同相输入端与反向输入端对称的构型，差分放大器的反向输入端与第一个电荷放大器的输出端连接，接收旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号；差分放大器的正向输入端与第二电荷放大器的输出端连接，接收纯净旁路脉冲电流信号；差分放大器用于抑制旁路脉冲电流信号并输出与同相输入的纯净旁路脉冲电流信号和反向输入的旁路脉冲电流信号与超声声电信号的叠加信号之差成正比的纯净超声声电信号； AD转换器的输入端分别与第二电荷放大器、差分放大器输出端连接,数字信号处理器则与AD转换器的输出端、互动按钮的输入端、指示灯的输入端连接；
所述AD转换器,将差分放大器输出的纯净超声声电信号和第二电荷放大器输出的纯净旁路脉冲电流信号进行数字化； 所述数字信号处理器，对数字化纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号进行计算，得到并显示纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的波形、品谱、最大幅度和最大功率频率，利用纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的到达时刻的时间差乘以声速即得到局部放电位置与超声声电传感器放置位置之间的距离，实现对气体绝缘封闭式组合电器局部放电位置的定位，并显示该距离值； 所述互动按钮接收用户发出的换屏指令和复位指令，指示灯点亮表明装置正在工作；所述微型液晶图形显示器输入端与数字信号处理器输出端连接，在数字信号处理器控制下显示纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号的波形、频谱、最大幅度、最大功率频率及局部放电与超声声电传感器之间的距离。
6.如权利要求5所述对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，其特征在于，数字信号处理器利用搜索绝对值的最大值的方法搜索纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号绝对值的最大值，找出纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号最大值所对应的时刻，用纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号之差计算纯净超声声电信号和纯净旁路脉冲电流信号发生的的时间差。
7.如权利要求5所述对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，其特征在于，所述固定电容的电容值与超声声电传感器的静态等效电容相等。
8.如权利要求5所述对气体绝缘封闭式组合电器局部放电的检测装置，其特征在于，由所述第一电荷放大器和第二电荷放大器组成集成电荷放大器，第一电荷放大器和第二电荷放大器的开环放大倍数、输入阻抗相同，由所述第一电荷放大器和第二电荷放大器组成电荷泄放电阻和积分电容，所述第一电荷放大器和第二电荷放大器的阻值相同，所述第一电荷放大器和第二电荷放大器容值相同。
【文档编号】G01R31/14GK103823168SQ201410085333
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】王自成, 田文杰 申请人:中国科学院电子学研究所