一种机器人局部放电巡检系统的制作方法

本实用新型涉及局部放电检测技术领域，尤其涉及一种机器人局部放电巡检系统。

背景技术：

局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的声、光、电和机械振动等物理现象和化学变化。这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化为监测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。当被测设备内出现绝缘缺陷时，常常会伴随着局部放电信号的产生。通过对局部放电信号的检测和分析，判断被测设备内部是否存在绝缘隐患，防止潜在事故的进一步扩大造成重大经济损失和人员伤亡。

电力设备绝缘体中绝缘强度和击穿场强都很高，当局部放电在很小的范围内发生时，击穿过程很快，将产生很陡的脉冲电流，其上升时间小于1ns，并激发频率高达数GHz的电磁波。局部放电检测技术之一是特高频(UHF)法，其基本原理是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的特高频电磁波信号进行检测，从而获得局部放电的相关信息，实现局部放电监测。由于现场的电晕干扰主要集中在300MHz频段以下，因此特高频法能有效地避开现场的电晕干扰，具有较高的灵敏度和抗干扰能力，可实现局部放电带电检测、定位以及缺陷类型识别等优点。

局部放电检测还可以基于超声波进行。电力设备在放电过程中会产生声波信号。放电产生的声波的频谱很宽，可以从几kHz到几MHz，其中频率低于20kHz的信号能够被人耳听到，而高于这一频率的超声波信号必须用超声波传感器才能接收到。根据放电释放的能量与声能之间的关系，用超声波信号声压的变化代表局部放电所释放能量的变化，通过测量超声波信号的声压，可以推测出放电的强弱。

局部放电检测还可以采用高频脉冲电流法。每一次局部放电都是正负电荷的中和，会伴随产生高频脉冲电流，通过测量此脉冲电流信号来判断局部放电的强弱，测量此脉冲电流的方法叫脉冲电流法。采用高频电流传感器从电力设备的接地引下线测量此脉冲电流，获得放电量及放电相位等信息，再利用处理器进行诊断。其优点在于脉冲电流中信息丰富，为诊断提供基本依据；对于突变信号具有较高测试灵敏度，易于发现故障；具有较为准确的校准方法，便于定量测试。

另一种局部放电检测方法可以基于暂态地电压来进行。局部放电发生时，放电点产生高频电流波，并向两个方向传播；受集肤效应的影响，电流波仅集中在金属柜体内表面传播，而不会直接穿透；在金属断开或绝缘连接处，电流波转移至外表面，并以电磁波形式进入自由空间；电磁波上升沿碰到金属外表面，产生暂态对地电压(Transient Earth Voltage)；暂态对地电压可用暂态地电压传感器进行测量其幅值和放电量，它通过单只电容藕合式传感器在被检设备的接地金属外壳上进行检测。检测仪可以检测出由于局部放电而引起的暂态电压脉冲信号，通过瞬时电压脉冲的幅值和频率来反映每一次局部放电活动的强弱，从而判断被检设备的运行工况。

现有的局部放电检测技术中，例如，授权公告号为CN207502667U的中国实用新型专利公开了一种局部放电检测装置，其检测单元与两个盆式绝缘子的屏蔽环接触，以获得与两个盆式绝缘子对应的局部放电脉冲信号。包括该方案在内的现有局部放电检测方案至少存在如下技术问题：不能准确的诊断放电类型，需要依靠人工以经验来判断放电类型；对于源信号的处理不到位，造成噪音的干扰从而影响到最终的放电检测和类型判断；在测试地点环境复杂的应用中，传感器需要用很长的信号线将信号传回主机，导致设备结构复杂且硬件成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种机器人局部放电巡检系统，其抗干扰能力强，能够准确的诊断放电类型，且结构紧凑，适用于测试地点环境复杂的各种局部放电检测。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。

一种机器人局部放电巡检系统，其包括：电脑终端、机器人、局放检测仪、以及轨道；

其中，机器人具有壳体、活动机构、报警器以及机械臂；机器人的活动机构用于在轨道上移动；机械臂一端设置在壳体上，另一端上设置局放检测仪；机器人按照预设的轨道移动，通过机械臂控制局放检测仪对电力设备进行局部放电检测，并通过电脑终端读取并记录局部放电检测数据，当数据异常时通过设置在壳体上的报警器发出报警。

优选的，所述电脑终端设置在机器人的壳体内以直接通过线缆与局放检测仪连接来获取局部放电检测数据并存储；或者设置在机器人外部的特定地点以通过无线通信模块与局放检测仪进行无线数据通信，以获取局部放电检测数据并存储。

优选的，所述局放测试仪包含暂态地电压采集器、超声波传感器、金属接近传感器、以及电吸铁中的一种或者多种作为测试传感器；并且，测量暂态地时保持测试传感器探头与被测电力设备的金属外壳平行接触，当机器人运行到测试位置时，通过机械臂控制局放测试仪中的电吸铁来使暂态地采集器和被测电力设备外壳紧贴在一起，然后通过传感器对角的金属接进传感器判定是否平行接触，当没有平行接触时，活动机构和机械臂重新调整角度并重复上述操作。

优选的，所述局放检测仪将两种传感器和两种传感器的前端调理及检测仪集成到一起，通过以太网将检测仪数据发送到电脑终端。

优选的，所述局放检测仪包括：传感器、信号处理模块、模数转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、CPU、以及通信模块；

其中，传感器用于从被检测对象获取检测信号，并传输至信号处理模块；信号处理模块包括放大电路、滤波电路、以及峰值检波电路，分别用于对检测信号进行放大、滤波、以及将输入的检测信号的频率设置在ADC的输入范围；ADC用于根据来自FPGA的采样时钟对检测信号进行数字转换以获取数字信号，并发至FPGA；FPGA具有缓存单元和数字滤波单元，分别用于缓存接收的数字信号、根据控制命令来对缓存的数字信号进行数字滤波处理；

CPU具有参数计算模块和结果输出模块，其中参数计算模块用于根据来自FPGA的数据计算表示局部放电强弱的局部放电数值；结果输出模块用于输出局部放大数值以供显示。

优选的，所述放大电路包括依次连接的电压跟随电路、反向放大电路、以及加法电路。

优选的，所述电压跟随电路中，检测信号经由第九电阻输入第二运算放大器的同相输入端，并且运算放大器的反相输入端与其输出端连接以隔离外部电路，并将检测信号发送至反向放大电路。

优选的，所述反向放大电路中，检测信号经由第十四电阻输入第三运算放大器的反相输入端；第三运算放大器的输出端将放大至ADC输入电压范围的检测信号传输至加法电路，并经由第十三电阻连接至反相输入端，第三运算放大器的同相输入端接地。

优选的，所述加法电路中，经过放大的检测信号经由第十二电阻输入第四运算放大器的反向输入端；第四运算放大器的反向输入端分别经由第十七电阻与参考电压连接，经由第十八电阻与第四运算放大器的输出端连接；第四运算放大器的同向输入端接地，第四运算放大器的输出端与滤波电路连接。

优选的，所述滤波电路中，检测信号经由第八电阻和第三电阻输入第一运算放大器的反向输入端；第一运算放大器的反向输入端经由第四电容连接至其输出端；第一运算放大器的同向输入端接地；第一运算放大器的输出端分别经由第四电阻和第二电容接地，经由第二电阻和第一电阻连接至第六运算放大器的反向输入端；第六运算放大器的反向输入端经由第六电容连接至其输出端；第六运算放大器的同向输入端接地；第六运算放大器的输出端分别经由第六电阻和第三电容接地，并连接至峰值检波电路。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

通过采用终端加智能传感器模式进行测试，终端采用基于安卓系统的手机或平板，测试软件采用APP模式，智能传感器既可单机检测也可以与终端联机检测。检测仪终端与智能传感器采用无线通讯方式，其结构小巧、操作简便、重量轻，非常适合现场对GIS(Gas-insulatedMetal-enclosedSwitchgear，气体绝缘金属封闭式组合电器)配电装置、开关柜、电缆以及变压器等电气设备局部放电缺陷检测。同时由于采用了无线通讯方式，在进行GIS等设备检测时，检测位置狭窄及登高等问题带来的操作不便得以很好解决，减轻了检测劳动强度和防坠落的风险，同时提高了检测效率。在对需要登高作业的部位，通过机械臂连接无线智能传感器即可完成局部放电检测工作。检测仪提供特高频、超声波、高频电流及暂态地电压等多种局部放电检测功能，能对被测电力设备进行全方位的状态评估。

附图说明

图1是根据本实用新型示例性实施例的机器人局部放电巡检系统的结构示意图。

图2是根据本实用新型示例性实施例的局放检测仪的结构示意图。

图3是根据本实用新型示例性实施例的电压跟随电路结构示意图。

图4是根据本实用新型示例性实施例的反向放大电路结构示意图。

图5是根据本实用新型示例性实施例的加法电路结构示意图。

图6是根据本实用新型示例性实施例的滤波电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的机器人局部放电巡检系统的结构示意图。该实施例的系统主要包括：电脑终端、机器人、局放检测仪、以及轨道。

其中，机器人具有壳体、活动机构(例如轮组、履带等)、报警器以及机械臂；机器人的活动机构用于在轨道上移动；机械臂一端设置在壳体上，另一端上设置局放检测仪；机器人按照预设的轨道移动，通过机械臂控制局放检测仪对电力设备进行局部放电检测，并通过电脑终端读取并记录局部放电检测数据，当数据异常时通过设置在壳体上的报警器(例如：LED灯、显示屏、扩音器、音响等)发出报警。其中，电脑终端可以设置在机器人的壳体内以直接通过线缆与局放检测仪连接来获取局部放电检测数据并存储，也可以设置在机器人外部的特定地点以通过无线通信模块与局放检测仪进行无线数据通信，以获取局部放电检测数据并存储。

电脑终端可以同时记录下检测数据，提供长期的数据趋势变化分析，数据通过网络传输至电脑终端。整个过程无需人为干预，只需设置好巡检时间和报警阈值，系统将全天24小时自行工作，发现被测电力设备有放电现象且测试值超过设定阈值时发出报警。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的局放检测仪的结构示意图。该局放检测仪包括传感器、信号处理模块、模数转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、CPU、以及通信模块。具体地，ADC可以采用ADS807芯片来实现，FPGA可以采用A3P060/125芯片，CPU可以采用STM32F407处理器芯片。

其中，传感器用于从被检测对象(例如各种电气设备)获取检测信号，并传输至信号处理模块；信号处理模块包括放大电路、滤波电路、以及峰值检波电路，分别用于对检测信号进行放大、滤波、以及将输入的检测信号的频率设置在ADC的输入范围；ADC用于根据来自FPGA的采样时钟对检测信号进行数字转换以获取数字信号，并发至FPGA；FPGA具有缓存单元和数字滤波单元，分别用于缓存接收的数字信号、根据控制命令来对缓存的数字信号进行数字滤波处理；

CPU具有参数计算模块和结果输出模块，其中参数计算模块用于根据来自FPGA的数据计算表示局部放电强弱的局部放电数值；结果输出模块用于输出局部放大数值以供显示。具体地，结果输出模块可以直接与显示器连接，以对局部放电数值进行显示；或者，结果输出模块与通信模块连接将局部放大数值发送至移动终端。其中通过通信模块(例如，WIFI、GPRS/CDMA/WCDMA/EVDO、3G/4G等移动无线通信模块)利用公用无线通信网络实现测试数据远程传输。

移动终端(例如，手机、平板电脑、专用数字终端等)通过运行相应的APP，来进行现场测试并进行信息记录。并且，能够实时显示信号的变化趋势，可直观比较不同测试点间信号的差异，便于进行局部放电定位的判断。进一步地，还可以进行信号采集及频率分析，显示放电信号的原始波形的发生时刻及典型统计谱图。

可以在移动终端或者远程服务器上设置智能诊断模块，用于准确识别外部干扰及各类局部放电的类型，例如气隙气泡放电、悬浮电位放电、尖端导体放电、沿面放电及雷达干扰、手机干扰等；还实现了测试数据的预警及报警。具备数据存储、重放及图形存储功能，并可直接生成检测报告。

CPU中参数计算模块用于根据FPGA发送的检测数据来计算局部放电的强弱，并可以进一步设置采用特高频(UHF)、接触式超声波(AE)、空气式超声波(AA)、暂态地电压(TEV)、高频电流(HFCT)五种检测模块，用户可通过移动终端根据不同类型的高压电气设备结构特点和检测要求选择相适宜的检测技术进行组合来对局部放电进行检测，从而达到最佳的检测效果。

其中，特高频检测模块，用于对GIS、电缆、开关柜等电力设备实施局部放电的带电检测；接触式超声波检测模块，用于对GIS、变压器等电力设备实施局部放电的带电检测及局部放电信号的定位；暂态地电压和空气式超声波检测模块，用于对开关柜等电力设备局部放电的带电检测；高频电流检测模块，用于电力变压器、电抗器、电缆等电力设备的局放带电检测。

上述实施例中的局放测试仪具有多种传感器，例如暂态地电压采集器、超声波传感器、金属接近传感器、小功率电吸铁。测量暂态地时需要保持测试传感器探头与被测电力设备的金属外壳平行接触，当机器人机械臂运行到测试位置时，通过电吸铁使暂态地采集器和被测电力设备外壳紧贴在一起，然后通过传感器对角的金属接进传感器判定是否平行接触，当没有平行接触时，执行机构将重新调整角度重复上述操作。

暂态地电压检测可单次或连续触发采集，具备幅值特征检测、局部放电的脉冲数检测及局部放电的严重程度检测；暂态地电压测试的局部放电信号频率范围3MHz～100MHz，对应信号的幅值范围0dBmV～60dBmV，分辨率0.3dBmV。

空气式超声波检测具备幅值特征检测、周期检测、PRPS：相位分辩的脉冲序列，就是把每个带有相位标识的局部放电脉冲按照时间先后显示出来，时间先后一般按照所在周期处理；PRPD：相位分辨的局部放电，就是把每个带有相位标识的局部放电脉冲按照相位显示出来，放电信息没有时间信息，属于一段时间内的PRPS信息叠加；空气式超声波测试的中心频率40kHz，对应信号幅值范围0dBuV～60dBuV，分辨率0.3dBuV。

局放检测仪具备内同步、有线同步和无线同步功能，有线同步和无线同步可选择电压、电流功能，同步是指取被测电力设备所在相的某相位固定点触发一个脉冲信号发送给测试仪，或测试仪内部生成一个与被测电力设备相同频率的(一般情况默认为50Hz)的脉冲信号来和采集得到的信号同步，从而达到每个周期的同相位点分布在PRPD图上，被测设备若有放电现象一般情况将出现在正弦的波峰或波谷，这样测试的结果就会在PRPD图上固定的相位处重复的出现较大的记录，这样也有利于排除环境干扰信号或其他电力噪声信号，噪声信号一般是不规律成正态分布的，反应在图谱上是杂乱无章的。外同步发送器电压同步测试通道电压测试范围10V～400V，电流测试通道电流测试范围10mA～10A。

局放检测仪具备智能诊断功能，可准确识别外部干扰及各类局部放电的类型，例如气隙气泡放电、悬浮电位放电、尖端导体放电、沿面放电及雷达干扰、手机干扰等；局放检测仪将两种传感器和两种传感器的前端调理及检测仪集成到一起，通过以太网将检测仪数据快速发送到电脑终端，数据量大约在10KB/S。

在优选的实施例中，上述放大电路可以包括依次连接的电压跟随电路、反向放大电路、以及加法电路。图3示出了根据本实用新型示例性实施例的电压跟随电路结构示意图。该电压跟随电路中，检测信号经由第九电阻R9输入第二运算放大器U2的同相输入端，并且运算放大器U2的反相输入端与其输出端连接以隔离外部电路，并将检测信号发送至反向放大电路。

图4示出了根据本实用新型示例性实施例的反向放大电路结构示意图。该反向放大电路中，检测信号经由第十四电阻R14输入第三运算放大器U3的反相输入端；第三运算放大器U3的输出端将放大(例如反向放大10倍)至ADC输入电压范围的检测信号传输至加法电路，并经由第十三电阻R13连接至反相输入端，第三运算放大器U3的同相输入端接地。

图5示出了根据本实用新型示例性实施例的加法电路结构示意图。该加法电路中，经过放大的检测信号经由第十二电阻R12输入第四运算放大器U4的反向输入端；第四运算放大器U4的反向输入端分别经由第十七电阻R17与参考电压VERF连接，经由第十八电阻R18与第四运算放大器U4的输出端连接；第四运算放大器U4的同向输入端接地，第四运算放大器U4的输出端与滤波电路连接。

图6示出了根据本实用新型示例性实施例的滤波电路结构示意图。该滤波电路中，检测信号经由第八电阻R8和第三电阻R3输入第一运算放大器U1的反向输入端；第一运算放大器U1的反向输入端经由第四电容C4连接至其输出端；第一运算放大器U1的同向输入端接地；第一运算放大器U1的输出端分别经由第四电阻R4和第二电容C2接地，经由第二电阻R2和第一电阻R1连接至第六运算放大器U6的反向输入端；第六运算放大器U6的反向输入端经由第六电容C6连接至其输出端；第六运算放大器U6的同向输入端接地；第六运算放大器U6的输出端分别经由第六电阻R6和第三电容C3接地，并连接至峰值检波电路。

其中，特高频检测模块对应的滤波电路设置为低频段500MHz-700MHz，高频段1.1GHz-1.3GHz，全频段300MHz-1.5GHz三个带通滤波结构。接触式超声波检测模块对应的滤波电路设置为10KHz、20KHz、30KHz高通和100KHz、200KHz低通组合的带通滤波结构。暂态地电压检测模块对应的滤波电路设置为1MHz-100MHz的带通滤波结构。高频电流检测模块对应的滤波电路设置为1MHz-30MHz、1MHz-5MHz、5MHz-10MHz三个带通滤波结构。其中，对于高频信号，运算放大器可以采用AD8065高速运放芯片。

上述实施例中，通过采用软硬件选频滤波技术，有效滤除背景噪声，如无线电、载波等背景干扰信号；采用脉冲鉴别技术滤除不符合信号强度特征的干扰信号；采用相位特征鉴别技术滤除任意相点或相段的干扰信号。

移动终端或者直接与CPU连接的显示器，用于实时显示被测信号的变化趋势及放电强弱、提供局部放电的趋势图；特高频检测可设定检测带宽及滤波频率，特高频检测提供PRPS(相位分辩的脉冲序列)、PRPS、图谱，并提供幅值趋势图。超声波检测具备连续检测模式、相位检测模式(PRPD)、脉冲检测模式(TOF)、时域波形检测模式，并可提供PRPS图谱及幅值趋势图谱。特高频检测可设定检测带宽及滤波频率，特高频检测提供PRPS、图谱，并提供幅值趋势图。暂态地电压检测提供局部放电峰值检测，提供周期脉冲数检测及局部放电重复率(放电严重程度)检测。

除了通过CPU进行内同步之外，还可以设置为使用电流或者电压源信号，经过无线同步器和2.4G模块来接收同步命令，实现无线外同步。

以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。