一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路的制作方法

本发明属于电力技术领域，涉及一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路。

背景技术：

电力系统的安全稳定问题在现代社会变得越来越重要，绝缘子是电力系统的重要组成部分，其可靠性直接关系到电力系统的安全稳定。电力事故有多种原因，在自然原因造成的事故中，电力绝缘子污秽造成的事故称之为污闪事故，一般会造成大面积的电力事故，损失是其他事故损失的多倍。当前大气环境污染加重，污闪事故频频发生。污闪有多方面的原因，一方面是由于绝缘子暴露在空气中，抗污染能力差；另一方面由于气候的原因，大雾天气出现频繁，造成污闪事故。因此，绝缘检测是国内外电力专家研究的重要课题。

近年来，很多学者均对电磁波污闪检测的问题展开了研究。昆士兰科技大学进行了电压谐波对绝缘子状态评估影响的研究，采用观测电压谐波的方法实现了对绝缘子状态的评估，通过基于仿真结果提出基于波峰因数的独特索引解决了电压失真的缺陷。美国波士顿大学进行了污秽绝缘子与泄漏电流关系的研究，通过泄漏电流与固体绝缘子的关系实现了绝缘子污染水平在线检测，解决了绝缘电阻测量精度问题。西安交通大学夏长街教授提出了基于高光谱成像技术的绝缘子污染程度检测方法，采用高光谱成像技术实现了绝缘子污染程度检测[1]，证明了高光谱成像技术在绝缘子外部绝缘检测中的可行性，具有广阔的应用前景。江苏省电力科学研究院宋高工提出了绝缘子表面污染的激光诱导击穿光谱方法，采用激光诱导击穿光谱方法实现对绝缘表面污染的非接触式测量，成为检测绝缘子污染程度的重要方法之一。华中科技大学何恒新教授进行了针对短尾闪电脉冲波形实现污染绝缘子闪络特性研究，采用检测绝缘子的短尾闪电脉冲波形方法实现了检测绝缘子污闪的程度，表明预应力交流电压对绝缘子影响很小。西安理工大学焦尚彬教授研究了高压输电线路绝缘子污秽在线检测系统，利用专家分析系统预测绝缘子污闪方法实现了预测绝缘子污闪，完善了专家分析系统。

传统技术中，高电压环境下抗干扰能力差；现场检测不便，安全性不高；干扰使其存在一定的误差，精度不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路，解决了采用超高频电磁波实现污秽绝缘子检测的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路，包括天线、高频放大器、滤波电路、检测电路、a/d转换模块和核心芯片，天线电路用于获取污秽绝缘子的超高频电磁波局放信号；

天线与高频放大器连接，高频放大器与检测电路连接，检测电路与滤波电路连接，滤波电路与a/d转换模块连接，a/d转换模块与核心芯片连接；

高频放大器用于将天线接收到的超高频电磁波局放信号进行放大，生成放大后的超高频电磁波局放信号；

检测电路包括峰值检波电路，用于降低放大后的超高频电磁波局放信号的频率，输出低频包络检波信号；

滤波电路用于滤除低频包络检波信号中的干扰杂波；

a/d转换模块用于将低频包络检波信号转换成数字信号；

核心芯片用于存储a/d转换模块转换的数字信号，并通过串口与上位机通信。

优选的，所述天线为用于检测频率在200mhz到2ghz之间的超高频电磁波的定向天线。

优选的，所述高频放大器包括低噪声放大器u1、电阻r122、电容c100、电容c102、电感l101、电容c101、电阻r101、电感l102、电容c103、电感l105和电容c103，低噪声放大器u1的1脚通过串联连接的电容c100和电感l101连接所述天线的正极，所述天线的负极连接地线，天线的正极还通过电阻r122连接地线，电感l101与电容c100的连接节点还通过电容c102连接地线，低噪声放大器u1的2脚连接地线，低噪声放大器u1的3脚连接3v电源，低噪声放大器u1的3脚还通过电容c101连接地线，低噪声放大器u1的6脚连接3v电源，低噪声放大器u1的6脚还通过电容c103连接地线，低噪声放大器u1的4脚和6脚之间连接电阻r101和电感l102，电阻r101和电感l102为并联连接，低噪声放大器u1的4脚连接电感l103的一端，电感l103的另一端连接电容c105的一端，电容c105的另一端为高频放大器的输出端。

优选的，所述滤波电路包括电阻rs、电容c21、电容c22、电容c23、电感l21、电感l22和电阻r21，电阻rs的一端连接峰值检波电路，电阻rs和电容c21构成了低通滤波器，电容c22、电容c23、电感l21、电感l22和电阻r21构成了高通滤波器，电容c21的2脚与电感l1的1脚连接，电容c23的2脚为滤波电路的输出端。

优选的，所述峰值检波电路包括放大器u2、放大器u3、二极管d1、电阻r1、三极管q1、电阻r4、电阻r2、电阻r3、电容c1、电阻r5和电容c2，放大器u2的正输入端连接高频放大器的输出端、负输入端通过电容c1连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接放大器u3的输出端，放大器u2的输出端连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接放大器u3的正输入端，放大器u3的负输入端连接放大器u3的输出端，三极管q1的集电极通过电阻r1连接放大器u2的负输入端、发射极连接放大器u2的输出端，三极管q1的基极通过电阻r4连接放大器u3的输出端，放大器u2的负输入端还通过电阻r2连接放大器u3的输出端；

放大器u3的正输入端还通过并联连接的电阻r5和电容c2连接地线；

放大器u3的输出端连接所述滤波电路的输出端，所述滤波电路的输出端连接所述a/d转换模块。

优选的，所述低噪声放大器u1的型号为μpc8211tk；所述放大器u2和所述放大器u3的型号均为ua741；所述a/d转换模块的型号为ad7655；所述核心芯片的型号为lpc2138。

本发明所述的一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路，解决了采用超高频电磁波实现污秽绝缘子检测的技术问题，本发明针对污秽绝缘子局部放电检测，在分析污秽绝缘子局部放电特性的基础上，提出采用基于超高频电磁波的污秽绝缘子检测，检测准确度高，实用性高、操作性强同时也具有较好的稳定性，弥补了电压检测法操作不便，可能损害人身安全以及检测精度不够的缺陷。

附图说明

图1为本发明的电路图方框图；

图2是本发明的高频放大器的电路图；

图3是本发明的检测电路的电路图；

图4是本发明的滤波电路的电路图；

图5是本发明的检测电路的仿真测试结果示意图。

具体实施方式

污秽绝缘子在湿润条件下，泄漏电流会慢慢变大，当某个位置电流密度较大时，水分被烘干，形成干燥区域。此时干燥区出现较大的电压降，可能出现空气被电离，发生放电现象——局部放电。污秽绝缘子发生局部放电的过程其泄露电流会有一个很陡的脉冲起落的过程，上升时间至少是ns级的，甚至低于ns。

放电辐射电磁波的频谱特性与放电电流源的陡度有明显关系，电流脉冲幅度越大辐射电磁波的能力越强，高频分量越大。因此局部放电会向空间辐射超高频分量相当丰富的电磁波。本发明通过天线接收到这些电磁波信号，提取其中超高频分量并进行分析，获得绝缘子表面局部放电的相关信息。

局部放电脉冲沿污秽绝缘子表面产生的电磁波特性与局部放电源的几何形状和电弧两端的绝缘强度有关。当放电电弧较短时，局部放电持续时间较短，高频电磁波辐射较强；当放电电弧两端绝缘强度较高时，放电过程较快，放电脉冲较陡，高频电磁波辐射较强。

通常电磁波信号可看作是由一点源发出的球面波，它遵循麦克斯韦电磁场基本方程如下:

引入动态向量和动态标量位该方程可转化为动态位方程：

式中，ρ为放电激励源；ε为介电常数；μ为空间磁导率；δc为电流密度；则其解为：

式中显示局部放电产生的电磁波以速度v沿着方向传播，是时间和空间的函数，式中(x,y,z)是目标点，(x,,y,,z,)是源点，r是两点间的距离。

通过对模拟污秽绝缘子局部放电实验结果的总结归纳，可以近似得出污秽绝缘子局部放电脉冲的波形参数：脉冲上升沿时间tr、脉冲下降沿时间td、50％最大幅值脉冲持续时间t50％、10％最大幅值脉冲持续时间t10％、脉冲总持续时间ttotal，其中沿面放电脉冲波型的上升沿和脉冲宽度均为纳秒级从放电脉冲各部分的时间，如表1所示可以看出污秽绝缘子局部放电能够辐射很高频率的电磁波：

表1

根据局部放电电流特性的研究结果发现，污秽绝缘子表面发生局部放电时会形成波形陡峭的电流脉冲，沿污秽绝缘子表面局部放电的电流脉冲一般在10^-9～10^-7s之间，是一种不规则的非周期波，污秽绝缘子的局部放电脉冲会产生超高频电磁波，局部放电脉冲产生的电磁波特性与局部放电电源的几何形状、电弧两端的绝缘强度等状态有关。通过对表1数据分析，污秽绝缘子局部放电脉冲辐射的电磁波频率一般在200mhz到2ghz之间，绝缘子污秽越重，局部放电越剧烈，泄露电流幅值越大，陡度越大，高频分量也越大，因次只要选择合适的天线，污秽绝缘子放电脉冲可以产生可被检测的电磁波信号。

如图1-图5所示的一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路，包括天线、高频放大器、滤波电路、检测电路、a/d转换模块和核心芯片，天线电路用于获取污秽绝缘子的超高频电磁波局放信号；

天线与高频放大器连接，高频放大器与检测电路连接，检测电路与滤波电路连接，滤波电路与a/d转换模块连接，a/d转换模块与核心芯片连接；

高频放大器用于将天线接收到的超高频电磁波局放信号进行放大，生成放大后的超高频电磁波局放信号；

检测电路包括峰值检波电路，用于降低放大后的超高频电磁波局放信号的频率，输出低频包络检波信号；

滤波电路用于滤除低频包络检波信号中的干扰杂波；

a/d转换模块用于将低频包络检波信号转换成数字信号；

核心芯片用于存储a/d转换模块转换的数字信号，并通过串口与上位机通信。

优选的，所述天线为用于检测频率在200mhz到2ghz之间的超高频电磁波的定向天线。

优选的，所述高频放大器包括低噪声放大器u1、电阻r122、电容c100、电容c102、电感l101、电容c101、电阻r101、电感l102、电容c103、电感l105和电容c103，低噪声放大器u1的1脚通过串联连接的电容c100和电感l101连接所述天线的正极，所述天线的负极连接地线，天线的正极还通过电阻r122连接地线，电感l101与电容c100的连接节点还通过电容c102连接地线，低噪声放大器u1的2脚连接地线，低噪声放大器u1的3脚连接3v电源，低噪声放大器u1的3脚还通过电容c101连接地线，低噪声放大器u1的6脚连接3v电源，低噪声放大器u1的6脚还通过电容c103连接地线，低噪声放大器u1的4脚和6脚之间连接电阻r101和电感l102，电阻r101和电感l102为并联连接，低噪声放大器u1的4脚连接电感l103的一端，电感l103的另一端连接电容c105的一端，电容c105的另一端为高频放大器的输出端。

污秽绝缘子表面局部放电强度不高，辐射到空间电磁波的功率较小，同时电磁波在空间传播的过程中还会发生衰减，因此天线电路接收到的信号较弱，因此需要在信号处理前将信号进行放大，提高检测系统的灵敏度。

污秽绝缘子表面局部放电脉冲所产生的超高频电磁波信号频带为200mhz～2000mhz，通过分析，选择中心频率为1000mhz，边界频率大概是300mhz和1700mhz，这个范围基本符合所测超高频电磁波信号的要求。因此本发明采用μpc8211tk型低噪声放大器。

μpc8211tk型lna是比较典型的低噪声放大器，起电源ccv＝3.0时，该放大器的典型噪声系数nf为1.3db，满足测量污秽绝缘子表面局放产生的电磁波信号要求。

μpc8211t型lna的增益在电源ccv＝3.0时，所测得的典型值是18.5db，符合传感器的综合要求要求。

μpc8211tk的三阶交调值为-12dbm，符合检测系统的动态范围要求。

优选的，所述滤波电路包括电阻rs、电容c21、电容c22、电容c23、电感l21、电感l22和电阻r21，电阻rs的一端连接峰值检波电路，电阻rs和电容c21构成了低通滤波器，电容c22、电容c23、电感l21、电感l22和电阻r21构成了高通滤波器，电容c21的2脚与电感l1的1脚连接，电容c23的2脚为滤波电路的输出端。

滤波器电路实现选频和去除干扰等功能，本发明设计一种高通滤波器，因为线路电晕等干扰产生的电磁波信号频率一般都小于300mhz，所以滤波器下限频率设计为300mhz；由于污秽绝缘子局放信号的超高频电磁波频域很宽，所以滤波器上限频率设计为2000mhz以上。

滤波器可以由简单的lc电路复合而成，本发明先设计低通模型，然后低通转换为高通。

优选的，所述峰值检波电路包括放大器u2、放大器u3、二极管d1、电阻r1、三极管q1、电阻r4、电阻r2、电阻r3、电容c1、电阻r5和电容c2，放大器u2的正输入端连接高频放大器的输出端、负输入端通过电容c1连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接放大器u3的输出端，放大器u2的输出端连接二极管d1的正极，二极管d1的负极连接放大器u3的正输入端，放大器u3的负输入端连接放大器u3的输出端，三极管q1的集电极通过电阻r1连接放大器u2的负输入端、发射极连接放大器u2的输出端，三极管q1的基极通过电阻r4连接放大器u3的输出端，放大器u2的负输入端还通过电阻r2连接放大器u3的输出端；

放大器u3的正输入端还通过并联连接的电阻r5和电容c2连接地线；

放大器u3的输出端连接所述滤波电路的输出端，所述滤波电路的输出端连接所述a/d转换模块。

在整个污闪检测过程中，峰值检波电路极其重要，是提高灵敏度的关键，同时该电路可以提取电压峰值并降低a/d转换的输入信号的频率，可以更为方便的设计采样保持电路和a/d转换电路，故本实施例以峰值检波电路为典型电路进行仿真。

使用ewb仿真软件来进行仿真，污闪检测硬件电路中的峰值检波电路，一般的峰值检波通过一个二极管d1来完成，但是二极管d1要求其输入电压大大高于其导通电压，才能达到理想的精确度，因此在电路中增加有源反馈回路来补偿二极管d1的导通电压，即电阻r1、三极管q1和电阻r4。二极管d1能够提供整流功能，并且能提供平均值。电阻r5和电容c2并联提供低通滤波功能，高速双运放的一端对通过滤波的信号进行缓冲，另一端提供高阻抗输入和反馈节点。而电阻网络形成箝位电路。

高速双运放如图3中的放大器u2和放大器u3。

当输入低于平均值时，三极管q1在前向运放产生反馈通道二极管d1截止，当输入高于平均值时，三极管q1截止，二极管d1导通。这样通过反馈来实现运放的负输入跟踪输出，起到减少电路回复时间的作用。当然这一目的也可以通过两路信号的结构来实现，一路信号作为控制信号，一路信号作为输入信号。

优选的，所述低噪声放大器u1的型号为μpc8211tk；所述放大器u2和所述放大器u3的型号均为ua741；所述a/d转换模块的型号为ad7655；所述核心芯片的型号为lpc2138。

采样保持模块是计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置，是连接采样器和模数转换器的中间环节，能够在a/d转换模块时保持住输入信号电平，在a/d转换模块结束后跟踪输入信号的变化。为保证转换精度，应采用额外的a/d转换模块以完成相应的功能。因此本发明选取具有采样保持和ad转换两种功能的ad7655芯片。ad7655是一个快速、低功耗、单电源、精密同步采样的16位adc。

本发明还设有usb模块、lcd屏幕和电池充电管理电路，usb模块和lcd屏幕均与核心芯片连接，电池充电管理电路为电池充电并对所述一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路供电。

本发明研究的污闪检测功能主要包括实时检测，即在线路正常运行的情况下，采集污闪绝缘子的局部放电信号。抗干扰功能，可以避免大部分的干扰，并通过信号处理和数据分析去除很多干扰，具有一定的抗干扰能力。

如图5所示，通过本实施例的仿真结果，对于在15mhz以内输入峰值检波信号，其输出结果与设计的输入相匹配，符合实验预想；而后一个实验中可以看出该检波电路能够保误差在10％以内，符合系统设计的要求，达到了预期的效果。

本发明所述的一种基于超高频电磁波的电力系统污闪检测电路，解决了采用超高频电磁波实现污秽绝缘子检测的技术问题，本发明针对污秽绝缘子局部放电检测，在分析污秽绝缘子局部放电特性的基础上，提出采用基于超高频电磁波的污秽绝缘子检测，检测准确度高，实用性高、操作性强同时也具有较好的稳定性，弥补了电压检测法操作不便，可能损害人身安全以及检测精度不够的缺陷。