一种低成本超宽带放电信号检测装置及其检测方法与流程

本发明属于放电信号检测技术领域，具体涉及一种低成本超宽带放电信号检测装置及其方法。

背景技术：

现有的局部放电检测设备功能比较单一，可参考的分析参量比较少，主要通过相位关联分析，但特征图谱的分析往往受到随机干扰严重，且采集系统需高速模数转换器，高速模式转换器直接对整个探测设备的成本影响较大，且高速工作时，面临模数转换器的时序控制问题，对微处理总线控制的进展和供电都提出更高要求，因而现有技术面临着可靠性差的问题，尤其是现场检测时，现有技术主要是电信号检测，缺乏自身有效的参考信号和校准方法。比如直接探测到电场信号时，因没有更好的参考测试人员手持设备对地的电位信号，容易误入因电场信号过高导致误判的情况，因此如何克服现有技术的不足是目前放电信号检测技术领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种低成本超宽带放电信号检测装置及其检测方法，该装置解决了检测设备的可靠性问题，通过解决检波器的延时，结合地电场的测量，替代直接通过高速模数转换器的高频信号直接采集方式，有效降低系统发热，提升可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低成本超宽带放电信号检测装置，包括滤光板、电场强度传感器、高频脉冲传感器、第一放大器、第一延时器、第二放大器、第二延时器、调谐器、振荡器、乘法器、检波器、气体检测模块、低通滤波模块、低频采集模块、地电场测量模块、分析显示模块、探测壳体和电源模块；

探测壳体的上方开口，开口处固定有滤光板，电场强度传感器、高频脉冲传感器设于探测壳体内；

电场强度传感器与第一放大器的输入端相连，第一放大器的输出端与第一延时器的输入端相连，第一延时器的输出端与低通滤波模块的输入端相连；

高频脉冲传感器与第二放大器的输入端相连，第二放大器的输出端分别与第二延时器、乘法器的输入端相连；

第二延时器、乘法器的输出端均与检波器的输入端相连；

调谐器的输出端与振荡器的输入端相连，振荡器的输出端与乘法器的输入端相连；

检波器的输出端分别与低通滤波模块、低频采集模块的输入端相连；

低通滤波模块、气体检测模块、地电场测量模块的输出端分别与低频采集模块的输入端相连；

低频采集模块的输出端还与分析显示模块相连；

所述的电源模块分别与第一放大器、第一延时器、第二放大器、第二延时器、调谐器、振荡器、乘法器、检波器、气体检测模块、低通滤波模块、低频采集模块、地电场测量模块、分析显示模块相连，用于对第一放大器、第一延时器、第二放大器、第二延时器、调谐器、振荡器、乘法器、检波器、气体检测模块、低通滤波模块、低频采集模块、地电场测量模块、分析显示模块供电；

电场强度传感器用于采集被试设备的电磁场场强，之后经过第一放大器电压放大后进入第一延时器，通过第一延时器延时后进入低通滤波模块；

高频脉冲传感器用于采集高频放电脉冲信号，之后经过第二放大器电压放大后得到的电压信号进入第二延时器，通过第二延时器延时后进入检波器；经过第二放大器电压放大后得到的电压信号进入乘法器；

调谐器用于调整谐振频率，改变振荡器频率；振荡器输出的电压信号进入乘法器，乘法器将第二放大器传来的电压信号与振荡器传来的电压进行模拟乘法处理，得到模拟乘积信号再进入检波器；

检波器为幅度和相位检波器，用于将第二延时器传来的电压信号与乘法器传来的电压信号进行幅度和相位提取处理，得到两路信号的幅度比和相位差；

之后，检波器将得到的幅度比值信号发送至低通滤波模块，将得到的低频信号发送至低频采集模块；检波器将得到的相位差信号直接发送至低频采集模块；

低通滤波模块用于接收检波器传来的幅度比值信号和第一延时器传来的电压信号，然后进行低通滤波处理，得到低频电压信号；

气体检测模块用于检测被测设备释放的二氧化硫、二氧化碳气体；地电场测量模块用于检测装置对地的电场信号或检测装置对地电位；

低频采集模块用于接收气体检测模块传来的模拟电压信号、地电场测量模块传来的模拟电压信号、检波器传来的模拟电压信号、低通滤波模块传来的模拟电压信号，之后进行模拟数字转换处理后，将处理后的内容发送至分析显示模块进行分析，并显示分析结果。

进一步，优选的是，所述的探测壳体为喇叭状。

进一步，优选的是，在探测壳体的底部安装有角度调整器。

进一步，优选的是，滤光板用于滤除探测方向内400-800nm波长光。

进一步，优选的是，调谐器的能调整的目标频率范围为200m-2000mhz。

本发明同时提供一种低成本超宽带放电信号检测方法，采用上述低成本超宽带放电信号检测装置，包括如下步骤：

步骤(1)，校准：

观测检波器输出的相位差信号v5的绝对值是否小于设定值取值范围为0-15°；若小于该设定值，则进行步骤(2)；

步骤(2)，低频采集模块采集搭配5路信号，分别为：

来自电场强度探测通道的电压信号v1；

来自地电场测量模块的电压信号v2；

来自气体检测模块的电压信号v3；

经检波器输出的电压比值信号，再经低通滤波输出的信号v4；

经检波器输出的相位差信号v5；

步骤(3)，计算vk＝v1/v2，如果v1＝v2或|v1-v2|/v2<ρ，ρ<0.1，说明水平方向和垂直方向电场信号相等，没有以电场方式释放放电信号的特征；

如果|v1-v2|/v2>ρ，则认为有可能存在放电情况；然后再分析v1大小，如果v1>μ，则确定存在放电现象，其中μ为设定门限值，取值范围为几十毫伏到几千毫伏；

步骤(4)，①如果v3>g，g为气体浓度门限值，取值范围为几十到几千ppm，则判断有可能周围有放电现象；

②进一步分析是否放电来自被测设备，通过改变探测方向，如果获得的v3不变，但r1＝v3/v1增大10％以上；则认为放电信号来源是被测设备；如果v3变化幅度小于10％，r1变化小于8％，则需要进一步判断放电来源；

③在②基础上需要进一步判断放电来源，移动探测设备和探测方向，观测r1＝v3/v1是否变化10％以上，如果超过10％并随着移动距离增加明显增大，则认为放电来源自被试设备；

步骤(5)，观测v5绝对值是否小于设定值

如果v4>vp，vp为门限电压值，取值范围为500mv-10v；那么判断有放电脉冲信号，放电信号强度通过如下方程计算：

其中，n为低频采集模块中模数转换器的采样点数，ak为检波器输出的瞬时幅度值，c为补偿系数，dt为采样间隔时间；i＝0或1，当需要过滤初始采集值时，i取1；

当c为小数时，修正整数的方法为向偶整数修正；

dk即为经过延时补偿后的放电量；

然后计算瞬时放电量：

其中，n-c>0；

如果则增大或减少探测角或改变探测方向，观测v5是否存在变化，如果v5值不变，则没有放电脉冲信号。

进一步，优选的是，n取值为1024。

进一步，优选的是，取值10°。

进一步，优选的是，ρ为0.06。

进一步，优选的是，g为400ppm，vp为800mv。

本发明对于角度调整器的具体结构没有限制，只要能实现探测壳体探测角度调整即可。

本发明中当c为小数时，修正整数的方法为向偶整数修正，如c＝3.56，四舍五入为4.如c＝3.35，四舍五入为3后，由于是奇数，不合适，仍然取偶数4；如c-4.135，四舍五入为4。

本发明中如果v5值波动较大，改变滤光板间距，观测v5稳定性是否有所提高。或调整探测角，观测v5值稳定性是否有所提高。

正常情况下v5值波动不大于5度。

说明：v5是衡量乘法器和第二延时器两路输出信号的相位差的量值，一般情况调试恰当，可以将v5控制在5度以下，比如通过微调延时器的工作时差，可调整v5的大小。从数值上v5可能出现负值，但绝对值越小越好。

本发明中，可通过现场测试一个背景值或多个背景值的平均值作为μ；还可通过现场测试一个背景值或多个背景值的平均值作为g，优选值为400ppm；在实施过程中可根据现场背景值确定，如在多位置的背景值为800mv，则可设定vp＝800mv。

现有技术中没有对电场信号和其他参数进行较好的关联分析，如放电时，通常硅胶绝缘设备和其他电气设备会释放二氧化硫或二氧化碳，本发明结合这些参数进行分析，显著降低误判率，提高了现场检查运维效率。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明利用乘法器，将高频脉冲传感器采集到的信号与振荡信号进行乘积，然后通过提取包络信号的方式，有效提升基于相位分析的放电信号，有利于提高数据实时性。优势在于可以较低成本的实现对数十兆赫兹到数千兆赫兹信号的采集，且具有较高的干扰信号区分能力，成本只有传统成本的5分之一。

本发明还充分考虑了操作人员在现场实际遇到的问题，将单一的依赖数据采集变换为简易、直观的呈现方式，并提供了辅助量的测试(如地电场、气体)，以提高噪音分辨能力，并提高检测人员的安全。

本发明降低模数转换器(低频采集模块)工作频率，提高信价比；同时通过探测器前端可调节距离的滤光器，改善对过高频率的杂散电磁波信号的过滤能力；同时，通过调节探测信号的探测角度，可实现对检测设备的区域大小的限制，从而根据检测范围和输出测量结果的对比获得信噪比更好的检测数据。

附图说明

图1为低成本超宽带放电信号检测装置的结构示意图；

图2为滤光板安装的结构示意图；

其中，1、滤光板；2、电场强度传感器；3、高频脉冲传感器；4、第一放大器；5、第一延时器；6、第二放大器；7、第二延时器；8、调谐器；9、振荡器；10、乘法器；11、检波器；12、气体检测模块；13、低通滤波模块；14、低频采集模块；15、地电场测量模块；16、分析显示模块；17、探测壳体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

一种低成本超宽带放电信号检测装置，其特征在于，包括滤光板1、电场强度传感器2、高频脉冲传感器3、第一放大器4、第一延时器5、第二放大器6、第二延时器7、调谐器8、振荡器9、乘法器10、检波器11、气体检测模块12、低通滤波模块13、低频采集模块14、地电场测量模块15、分析显示模块16、探测壳体17和电源模块；

探测壳体17的上方开口，开口处固定有滤光板1，电场强度传感器2、高频脉冲传感器3设于探测壳体17内；

电场强度传感器2与第一放大器4的输入端相连，第一放大器4的输出端与第一延时器5的输入端相连，第一延时器5的输出端与低通滤波模块13的输入端相连；

高频脉冲传感器3与第二放大器6的输入端相连，第二放大器6的输出端分别与第二延时器7、乘法器10的输入端相连；

第二延时器7、乘法器10的输出端均与检波器11的输入端相连；

调谐器8的输出端与振荡器9的输入端相连，振荡器9的输出端与乘法器10的输入端相连；

检波器11的输出端分别与低通滤波模块13、低频采集模块14的输入端相连；

低通滤波模块13、气体检测模块12、地电场测量模块15的输出端分别与低频采集模块14的输入端相连；

低频采集模块14的输出端还与分析显示模块16相连；

所述的电源模块分别与第一放大器4、第一延时器5、第二放大器6、第二延时器7、调谐器8、振荡器9、乘法器10、检波器11、气体检测模块12、低通滤波模块13、低频采集模块14、地电场测量模块15、分析显示模块16相连，用于对第一放大器4、第一延时器5、第二放大器6、第二延时器7、调谐器8、振荡器9、乘法器10、检波器11、气体检测模块12、低通滤波模块13、低频采集模块14、地电场测量模块15、分析显示模块16供电；

电场强度传感器2用于采集被试设备的电磁场场强，之后经过第一放大器4电压放大后进入第一延时器5，通过第一延时器5延时后进入低通滤波模块13；

高频脉冲传感器3用于采集高频放电脉冲信号，之后经过第二放大器6电压放大后得到的电压信号进入第二延时器7，通过第二延时器7延时后进入检波器11；经过第二放大器6电压放大后得到的电压信号进入乘法器10；

调谐器8用于调整谐振频率，改变振荡器频率；振荡器9输出的电压信号进入乘法器10，乘法器10将第二放大器6传来的电压信号与振荡器9传来的电压进行模拟乘法处理，得到模拟乘积信号再进入检波器11；

检波器11为幅度和相位检波器，用于将第二延时器7传来的电压信号与乘法器10传来的电压信号进行幅度和相位提取处理，得到两路信号的幅度比和相位差；

之后，检波器11将得到的幅度比值信号发送至低通滤波模块13，将得到的低频信号发送至低频采集模块14；检波器11将得到的相位差信号直接发送至低频采集模块14；

低通滤波模块13用于接收检波器11传来的幅度比值信号和第一延时器5传来的电压信号，然后进行低通滤波处理，得到低频电压信号；

气体检测模块12用于检测被测设备释放的二氧化硫、二氧化碳气体；地电场测量模块15用于检测装置对地的电场信号或检测装置对地电位；

低频采集模块14用于接收气体检测模块12传来的模拟电压信号、地电场测量模块15传来的模拟电压信号、检波器11传来的模拟电压信号、低通滤波模块13传来的模拟电压信号，之后进行模拟数字转换处理后，将处理后的内容发送至分析显示模块16进行分析，并显示分析结果。

优选，探测壳体17为喇叭状。

优选，在探测壳体17的底部安装有角度调整器。

优选，滤光板1用于滤除探测方向内400-800nm波长光。

优选，调谐器8的能调整的目标频率范围为200m-2000mhz。

一种低成本超宽带放电信号检测方法，采用上述低成本超宽带放电信号检测装置，包括如下步骤：

步骤(1)，校准：

观测检波器输出的相位差信号v5的绝对值是否小于设定值取值范围为0-15°；若小于该设定值，则进行步骤(2)；

步骤(2)，低频采集模块采集搭配5路信号，分别为：

来自电场强度探测通道的电压信号v1；

来自地电场测量模块的电压信号v2；

来自气体检测模块的电压信号v3；

经检波器输出的电压比值信号，再经低通滤波输出的信号v4；

经检波器输出的相位差信号v5；

步骤(3)，计算vk＝v1/v2，如果v1＝v2或|v1-v2|/v2<ρ，ρ<0.1，说明水平方向和垂直方向电场信号相等，没有以电场方式释放放电信号的特征；

如果|v1-v2|/v2>ρ，则认为有可能存在放电情况；然后再分析v1大小，如果v1>μ，则确定存在放电现象，其中μ为设定门限值，取值范围为几十毫伏到几千毫伏；

步骤(4)，①如果v3>g，g为气体浓度门限值，取值范围为几十到几千ppm，则判断有可能周围有放电现象；

②进一步分析是否放电来自被测设备，通过改变探测方向，如果获得的v3不变，但r1＝v3/v1增大10％以上；则认为放电信号来源是被测设备；如果v3变化幅度小于10％，r1变化小于8％，则需要进一步判断放电来源；

③在②基础上需要进一步判断放电来源，移动探测设备和探测方向，观测r1＝v3/v1是否变化10％以上，如果超过10％并随着移动距离增加明显增大，则认为放电来源是被试设备；

步骤(5)，观测v5绝对值是否小于设定值

如果v4>vp，vp为门限电压值，取值范围为500mv-10v；那么判断有放电脉冲信号，放电信号强度通过如下方程计算：

其中，n为低频采集模块中模数转换器的采样点数，ak为检波器输出的瞬时幅度值，c为补偿系数，dt为采样间隔时间；i＝0或1，当需要过滤初始采集值时，i取1；

当c为小数时，修正整数的方法为向偶整数修正；

dk即为经过延时补偿后的放电量；

然后计算瞬时放电量：

其中，n-c>0；

如果则增大或减少探测角或改变探测方向，观测v5是否存在变化，如果v5值不变，则没有放电脉冲信号。

优选，n取值为1024。取值10°。ρ为0.06。g为400ppm，vp为800mv。

本发明探测壳体17通过角度调整器调整其角度，从而调整探测的范围。在该情况下，可以有效抑制一些由于探测角度以外的噪音。角度调整器的调整方式可以为机械手动方式，但不限于此，只要能灵活调节即可，从而便于操作人员获得最佳探测条件。

本发明中滤光板优选为多层带孔的金属薄片，通过调整可以改变反射或折射光的强度，来改变特定光信号穿透能力。滤光板的滤光效果的调整对电场探测和高频脉冲电压有干涉作用。滤光板优选可以吸收1000ghz以上的信号的材料或现有结构，或可以认为对1000ghz以上的信号进行大幅度的衰减的材料或现有结构。

地电场测量模块15可通过线圈对地感应测量的方式(不限于此)，获得地表垂直方向的电场强度。根据该强度也可计算出操作人员对地的安全电位或安全电场，便于提醒操作人员现场测试环境是否有严重的安全隐患。该地表电场联合局部放电的同步测试，是目前其他局部放电设备不具备的。因此可见，本申请实质上既具备了水平方向电场(与被试品对应)和垂直方向电场(地表电场)的同步测量功能。

气体检测模块用于检测被检测高压设备是否存在由于高压放电产生气体，气体主要成分为二氧化硫、二氧化碳、sf6。

第一放大器4、第二放大器6的作用是将微弱信号放大，频率范围数兆赫兹到数百兆赫兹。

乘法器10将第二放大器6输出的高频信号和振荡器9输出的高频信号进行处理，输出两者的乘积信号。

检波器11可以为集成式检波模块，通道为双通道，检波器11一路为不经过乘法器10的输出，经过第二延时器7后，送入检波器11。另一路来自乘法器10输出，送入检波器11另一通道。

分析显示模块16可以为2通道的状态指示器，可以是lcd屏幕，也可以是多通道的指针式指示，数码管指示、示波器等。

低通滤波模块13输出端还带耳麦接听终端，可供耳麦监听等。

本发明直接通过现有的检波器实现对高频信号的处理，检波器输出后是直流信号，其强度代表了输入信号的峰值增益，因此有效降低了成本。但直接将高频信号送入检波器存在很多问题，比如噪音问题，还有检波器输出的延时问题，无法对信号进行筛选等。

直接分析检波器输出往往获得的延时信号不能反映真实的放电信息，因此需要和工频电流相位对比分析时，延时的处理存在很多困难，比如不同频率信号经检波器输出后的延时不一致，不同峰值能量信号在检波器输出后的滤波电容上的充放电时间不同等，由于以上原因，即使采集了公平信号的相位，依旧导致很难判别检波器输出的信号是干扰噪音还是真实的放电信号。

因此本发明设计了两路工作模式，一路将探测到的高频信号经放大，延时后直接送入检波器，然后得到该高频信号的增益值。这里第二延时器的作用是为了和另一路经乘法器的信号进行同步，以便在终端指示器进行对比。

同样，另外一路信号送入乘法器，与振荡信号进行乘法处理，输出两者的包络信号，该包络信号包括了原输入高频信号、振荡信号以及两者的差频或倍频信号。

经过幅度相位检波器后，直接获取了两者的差频信号的增益，因此乘法器输出后通过检波器，更能反映输入的高频信号的跳变幅度和相位特征，这对于分析局部放电信号是非常有利的。

由于直接通过模数转换器获取高频信号的特征成本高，控制程序复杂，容易产生数据丢失等，本发明简化了控制流程，只需要简单的几个模块就能实现，从而提高了可靠性和经济效益。

另外，可以通过指示器进行状态指示，对来自乘法器输出和直接放大输出的两路信号进行对比观测，该两路信号已经被检波成直流信号，可以直接进行显示，从而也降低了指示终端的技术开发难度。

通过两路对比检波输出，还可进行深入的分析，比如分析两者的关联性，同步观测乘法器是否处于最佳状态，以便通过调谐器适当改变振荡器工作频率来达到最佳状态。比如如果放电信号频率较高，那么状态指示器显示的两路信号特征量差别较大，或者存在非常不一致的情况，可以通过调整调谐器的旋钮，提高本振频率，从而提高乘法器输出包络信号的质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。