一种局部放电特高频信号检测的调理电路的制作方法
【专利摘要】一种提供的局部放电特高频信号检测的调理电路。其包括输入电容C0、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、负偏压UB和放大器A1；本发明提供的局部放电特高频信号检测的调理电路针对基本二极管检波电路小信号灵敏度差、非线性严重、响应速度慢和对温度敏感等不足，通过在基本二极管检波电路基础上施加直流负电压偏置和平衡式拓扑结构设计进行改进，最终设计实现的平衡式负偏压二极管检波。
【专利说明】—种局部放电特高频信号检测的调理电路
【技术领域】
[0001]本发明属于局部放电检测【技术领域】，特别是涉及一种局部放电特高频信号检测的调理电路。
【背景技术】
[0002]电力设备内部存在绝缘缺陷时会产生局部放电，通过对局部放电的检测可以有效地判断开关设备的绝缘状态。
[0003]在目前采用的电力设备内部局部放电信号的检测方法中，特高频法和超声波法是实现开关设备局部放电在线监测比较实用可行的方法。相对于超声波法在线监测需要数目众多的传感器，现场运用较为不便的缺点，特高频法的监测范围较宽，在线监测时传感器数目较少，局部放电在线检测与定位快速方便。由于特高频法在设备局部放电在线监测方面具有不可替代的优势，因此近年来已成为设备运行现场局部放电检测的主要手段。
[0004]目前常用的基于特高频信号的检测方法有实时采样检测法、频谱检测法和峰值检测法等。实时采样检测法是用高达1GHz的采样频率对特高频信号进行实时采样，然后对采样数据进行分析和处理，其缺点是成本高昂、数据量和计算量巨大，实时性差，因此不适合现场的在线监测。频谱检测法干扰抑制能力较差，并且其以宽带频谱分析仪为基础，因此该方法也仅用于实验室研究。相比于实时采样检测法和频谱检测法，峰值检测法具有数据量小，实时性好，便于设计成多通道在线检测装置等优点，但是，峰值检测法对峰值检波前的含噪信号没有做任何去噪处理，因此，其得到的峰值电压数据中包含有错误数据，会导致检测结果不准，从而影响了该方法的实际检测效果。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种局部放电特高频信号检测的调理电路。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供的局部放电特高频信号检测的调理电路包括:输入电容CO、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、负偏压UB和放大器Al ;其中:输入电容CO的一端与输入信号端Ui连接,另一端与第一二极管Dl的阳极相连接；第一二极管Dl的阴极与放大器Al的正向输入端相连接；第二二极管D2的阳极通过第二电阻R2与地线相连接，其阴极与放大器Al的负向输入端相连接；第一电阻Rl —端与第一二极管Dl的阳极相连接，另一端与地线连接；放大器Al的输出端通过第三电容C3与本电路的输出信号端UO连接；第一电容Cl的一端与第一二极管Dl的阴极相连接，另一端与地线相连接；第二电容C2的一端与第二二极管D2的阴极相连接，另一端与地线相连接；第三电阻R3的一端与第一二极管Dl的阴极相连接，另一端与UB的负极相连接；第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阴极相连接，另一端与负偏压UB的负极相连接；负偏压UB的正极与地线相连接；第五电阻R5的一端与本电路的输出信号端UO连接，另一端与地线相连接。[0007]所述的第一二极管Dl和第二二极管D2位于同一个器件封装内，其电路参数完全对称。
[0008]所述的放大器Al为差分放大器，其带宽高于10MHz，输出阻抗为50 Ω。
[0009]本发明提供的局部放电特高频信号检测的调理电路针对基本二极管检波电路小信号灵敏度差、非线性严重、响应速度慢和对温度敏感等不足，通过在基本二极管检波电路基础上施加直流负电压偏置和平衡式拓扑结构设计进行改进，最终设计实现的平衡式负偏压二极管检波。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为局部放电特高频信号及其包络检波的波形图。
[0011]图2为检波电路原理及波形图。
[0012]图3为平衡式负偏压特高频包络检波电路原理图。
[0013]图4为增加负偏压后包络检波电路原理图。
[0014]图5为平衡式负偏压特高频包络检波电路特性图。
[0015]图6为检波二极管模型图。
[0016]图7为本发明提供的局部放电特高频信号检测的调理电路的电路原理图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的局部放电特高频信号检测的调理电路进行详细说明。
[0018]本发明采用特高频信号的包络检测法通过特高频包络检波电路提取特高频信号的包络，然后用对包络信号进行采样、分析与处理。该方法的检波过程可以有效剔除无线电和通讯窄带干扰，采样得到的包络信号进一步通过数字信号处理算法和基于信号特征的模式识别算法滤除白噪声和脉冲性干扰，解决峰值检测法中对干扰不能抑制的问题。同时，包络检测法使用的采样率远远小于实时采样检测法，其数据量、计算量及对硬件的要求也大大减小，实时性远远高于实时采样检测法。
[0019]运用包络检测法首先必须获得特高频信号的包络，如图1所示，(a)为特高频检测信号，(b)为对应的包络输出信号。
[0020]在无线电和通讯领域中，包络检波经常用作信号的解调，即从接收到的已调信号中解调得到调制信号。常规的检波方法包括希尔伯特变换、相干解调检波、广义解调检波和二极管检波等。希尔伯特变换解调方法具有明确的解析式和物理意义，其通过对原始采样信号的FFT变换和反变化即可得到信号的包络。但是，该方法以特高频信号的实时采样为前提，因此，该方法不能用于局部放电特高频信号的包络提取。基于混频原理的包络解调方法非常适用于单一载波或者窄带调幅、调频信号的解调，而电力设备局部放电特高频信号的谐振频率和相位往往不确定；而且，特高频信号中谐振频率一般不止一个；因此，这种相干解调方法无法用于特高频信号的包络解调。广义检波滤波解调分析包括:高通绝对值、检波滤波和平方解调分析等三种算法，它们在原理上是一致的，都广泛应用于齿轮和滚动轴承等故障振动信号的解调，也是以信号的实时采样数据为前提；因此，这类广义解调检波算法也不能用于特高频信号的包络提取。二极管检波电路常用于无线电广播中的低频信号解调和通讯信号的功率检测，但由于局部放电特高频信号的特殊性，将其直接用于特高频信号的包络检波存在困难。
[0021]包络检测法的关键之一是特高频信号包络检波电路的实现。常规的二极管检波无法用于特高频信号包络的提取，其存在频带低、动态范围小、灵敏度低和温度特性差等问题，为此，本发明提出了平衡式负偏压二极管包络检波电路拓扑结构。通过设计二极管负偏压电路，改善了二极管检波的线性程度，降低了二极管的等效串联电阻，从而达到提高小信号检测灵敏度，改进小信号检波响应速度的目的。同时，通过双二极管平衡式电路结构的设计，实现了检波电路温度特性的补偿。特高频信号检波的实际测试表明，该电路具有快速的上升沿响应和较小的惰性失真，可以用于特高频信号的包络检波，为包络检测法的实用化提供了良好的硬件基础。
[0022]一、本发明的基本原理和改进
[0023]特闻频彳目号的基本特点如下:(I) ?目号持续时间不闻于I P s,最小仅为几十ns ；
(2)特高频信号的上升沿很陡，从“零”到达电压峰值的时间甚至不到5ns; (3)特高频信号的下降沿持续时间比上升沿稍长，一般大于上升沿时间的2倍，但也仅为μ s级。(4)特高频信号的幅值受放电源类型和放电点与检测点之间距离的影响，其动态范围超过60dB。
[0024]根据以上特高频信号的特点，要求包络检波电路必须具有ns级的响应速度，充电常数和放电时间常数仅为数ns。特高频信号对应的包络脉冲宽度最小仅为几十ns，其等值频率接近50MHz，即特高频信号包络解调所对应的调制信号频率高达50MHz。同时，检波电路必须具有较大的动态范围。
[0025]I 二极管检波原理及其限制
[0026]检波二极管具有非线性的i_V特性，其伏安特性的数学表达式为:
[0027]i = Is(eaV-l)(I)
[0028]其中，a = 士，i为二极管电流，V为二极管两端的电压，13为(反向)饱和电
流，k为玻尔兹曼常数(1.38 X 10-23J/K)，T为绝对温度，q为电子电荷(1.6 X 10-19库伦)，η为实验数据的修正常数。
[0029]将式(I)展开成幂级数的形式:
【权利要求】
1.一种局部放电特高频信号检测的调理电路，其特征在于:其包括:输入电容CO、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管Dl、第二二极管D2、负偏压UB和放大器Al ;其中:输入电容CO的一端与输入信号端Ui连接，另一端与第一二极管Dl的阳极相连接；第一二极管Dl的阴极与放大器Al的正向输入端相连接；第二二极管D2的阳极通过第二电阻R2与地线相连接，其阴极与放大器Al的负向输入端相连接；第一电阻Rl —端与第一二极管Dl的阳极相连接，另一端与地线连接；放大器Al的输出端通过第三电容C3与本电路的输出信号端UO连接；第一电容Cl的一端与第一二极管Dl的阴极相连接，另一端与地线相连接；第二电容C2的一端与第二二极管D2的阴极相连接，另一端与地线相连接；第三电阻R3的一端与第一二极管Dl的阴极相连接，另一端与UB的负极相连接；第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阴极相连接，另一端与负偏压UB的负极相连接；负偏压UB的正极与地线相连接；第五电阻R5的一端与本电路的输出信号端UO连接，另一端与地线相连接。
2.根据权利要求1所述的局部放电特高频信号检测的调理电路，其特征在于:所述的第一二极管Dl和第二二极管D2位于同一个器件封装内，其电路参数完全对称。
3.根据权利要求1所述的局部放电特高频信号检测的调理电路，其特征在于:所述的放大器Al为差分放大器，其带宽高于10MHz，输出阻抗为50 Ω。
【文档编号】H03D1/10GK104035012SQ201410205747
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】殷军, 郭浩, 刘玄 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司