基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表的制作方法

本实用新型涉及局部放电检测、配电设备局部放电在线监测领域，具体说的是基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表。

背景技术：

配电网的绝大多数故障都伴生一个共同的现象：局部放电。科学局部放电检测技术和有效的检测手段对于及时发现设备运行异常，提高配网系统的供电可靠性和电力系统的经济、安全运行意义重大。

局部放电检测方法按照实现的手段或者检测所依据的基本原理进行分类，可分为直接法和间接法两种。直接法的理论基础是电路理论，典型的应用是脉冲电流法；每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，这个持续时间很短的电荷移动过程就以脉冲电流的形式呈现出来，通过一定的手段对这个脉冲型的电流就行检测的技术成为直接法的脉冲电流检测技术。间接法则主要通过检测局部放电的伴生现象而实现对局部放电的检测，如化学法、光学法、电磁法、声波法、热扫描或测温法等。

目前的局部放电检测手段如基于暂态地电压、超声波以及红外热成像扫描技术的检测都是属于间接法的局部放电检测技术。间接法的检测技术主要存在以下四个方面问题：

1、检测灵敏度偏低。间接法的局部放电检测是基于对局部放电伴生现象的研究而产生的一项检测技术，所检测信号属于局部放电伴生信号，如依据Maxwell电磁理论，放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射信号，另外局部放电发生时，常伴有光、声、热等现象的发生；通过上述的辐射信号以光、声、热的检测，来实现对局部放电的检测、研究。然而这些伴生信号存在信号强度低或易受外界干扰等特点，从而导致检测准确度和可参考性偏低。

2、国内目前配电设备运维检测方案为周期性巡检，按照《交流金属封闭开关设备暂态地电压局部放电带电测试技术现场应用导则（报批稿）》的规定，配网设备的状态巡检周期一般按照每年1~2次进行。在检测周期中间出现的缺陷和间歇性放电事故无法及时被发现。因此，两次巡检活动中间某个时刻出现的绝缘缺陷往往会被疏漏。

3、现有的检测设备由于所能检测信号频带范围的限制，导致状态巡检活动存在“盲区”。目前的暂态地电压检测技术的频带范围通常设计为3MHz~100MHz，而超声波检测的频带则固定设计为40kHz。对于配网设备的放电缺陷来说，则极有可能出现放电频谱位于100kHz~3MHz的情况，此中情况下，现有的检测方案都有可能失效，致使100kHz~3MHz频带范围内的局部放电电压信号检测成为检测“盲区”。

4、配网设备已广泛采用全金属封闭结构，敞开式开关设备数量越来越少。柜体内部产生的局部放电伴生信号，如电磁辐射信号、声音信号等在向外传输的过程中由于受到金属柜体的屏蔽作用，很难传输出来，即使传输出来，也会被大大的削弱，现有的检测设备在柜体外部对信号进行检测时很难准确捕捉信号，造成检测效果不理想。

技术实现要素：

针对目前局部放电检测中客观存在的不足，本实用新型提供一种基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，其理论依据是经典的电路理论，其技术指导是直接法的局部放电检测技术。脉冲电流法局部放电检测技术已经很成熟，具有检测灵敏度很高，容易进行放电量校准的优点，当配合采用高频检测阻抗技术时还能准确再现局部放电脉冲波形。脉冲电流法属于直接法局部放电检测技术范畴，能够获取更加精准、可靠的检测信号。本实用新型基于上述的特性和优点而设计，以充分发挥状态检修技术在提高供电可靠性、优化检修策略、降低运维成本、挖掘设备潜在寿命等方面的作用。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，由电源电路供电，智能仪表由射频信号线连接在一次系统配电设备上，智能仪表包括：

阻抗匹配电路，接收射频信号线采集的100kHz-5MHz电流信号，对采集到的电流信号耦合并进行分离，得到工频电流和高频局部放电脉冲电流，又将工频电流和高频局部放电脉冲电流经过检测阻抗变为局部放电电压信号和工频电压信号；

信号调理电路，与阻抗匹配电路连接，其包括工频信号调理电路和局部放电电压信号调理电路，工频信号调理电路包括工频分压电路和工频跟随器，工频电压信号经工频分压电路降压后送入到工频跟随器；局部放电电压信号调理电路包括程控增益放大器、正反放大器、带通滤波器、绝对值峰值检波电路以及局放跟随器，局部放电电压信号经程控增益放大器减小增益或增大增益后，依次经过正反放大器、带通滤波器、绝对值峰值检波电路送入局放跟随器；

CPU电路，与信号调理电路相连，实时监测信号调理电路输出的工频电压信号以及局部放电电压信号，显示监测处理结果。

本实用新型所述的程控增益放大器当所检测信号为小信号时，放大器提高增益倍数，保证放大电路的灵敏度；所检测信号为大信号时，则放大器减小增益倍数，自适应大信号，使得信号放大结果不会超出仪表整体设计的测量范围。

本实用新型所述的正反放大器，包含一个同相放大器和一个反相放大器；同相放大器针对正向放电脉冲放大，输出正向脉冲信号；反相器针对负放电脉冲放大，同样输出正向脉冲信号。

本实用新型所述的CPU电路包括足够闪存程序存储空间和丰富I/O口的微处理器，高速、远程通讯接口，USB下载电路，A/D转换模块，LCD触摸显示，SD卡存储。

本实用新型有益效果是：

1）首先，本实用新型以直接法的局部放电检测技术为理论依据，采用脉冲电流法的局部放电检测方法，利用电气上的连接关系直接来检测配电设备中或电力系统上产生的放电脉冲电流，从而提高检测的灵敏度和可靠性。

2）其次，基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，其特点是，属于在线监测类装置，内置有阻抗匹配电路、信号调理电路、CPU电路和显示CPU电路，安装在配电设备上，可连续、实时对系统的状态进行监测，然后对所检测的信号进行计算、分析、处理、记录和远传，以连续捕捉放电故障，发现配电设备放电规律，有效规避周期性巡检活动中所带来的漏检问题，提高运维质量。

3）另外，基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，其特点是，依据电路原理设计出检测带宽为100kHz-5MHz的信号检测电路，可有效检测100k-5MHz频带范围内的局部放电电压信号；解决了现有的声-电-热联合检测技术存在的100kHz~3MHz检测“盲区”问题。

4）基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，采用了内嵌式安装方式，利用射频信号线将装置接于电力系统中，通过导线的连接关系来接收信号，有效解决了配电设备的全金属封闭结构对信号检测造成的困难；

5）提高了局部放电检测的灵敏度，扫除了现有检测设备的检测“盲区”，规避了周期巡检中的漏检现象，克服了金属封闭式配电设备带来的信号检测困难问题；具有数据分析、记录和外传等功能，可以组成系统搜集大数据，进行统计分析，为各类供电公司的经济性分析、风险评估和资产管理分析等科学运营手段提供数据依据，有利于建立专家系统，减小设备运维成本，降低投资风险，提高运营效益。

附图说明

图1为直接法局部放电检测原理示意图。

图2为本实用新型的功能框图。

图3为本实用新型的阻抗匹配电路的原理框图。

图4为本实用新型的信号调理电路的原理框图。

图中：1、阻坑匹配电路，2、信号调理电路，21、工频信号调理电路，22、局部放电电压信号调理电路，211、工频降压电路，212、工频跟随器，221、程控增益放大器，222、正反放大器，223、带通滤波器，224、绝对值峰值检波电路，225、局放跟随器，226、低通滤波器，3、CPU电路，4、CPU电路组成模块，5、电源电路，51、开关电源模块，52、低通滤波器。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较完整的实施实例，来对本实用新型做进一步阐释。

基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，由电源电路供电，智能仪表由射频信号线连接在一次系统配电设备上，智能仪表包括：

阻抗匹配电路，接收射频信号线采集的100kHz-5MHz电流信号，对采集到的电流信号耦合并进行分离，得到工频电流和高频局部放电脉冲电流，又将工频电流和高频局部放电脉冲电流经过检测阻抗变为局部放电电压信号和工频电压信号；

信号调理电路，与阻抗匹配电路连接，其包括工频信号调理电路21和局部放电信号调理电路22，工频信号调理电路21包括工频分压电路211和工频跟随器212，工频电压信号经工频分压电路211降压后送入到工频跟随器212；局部放电信号调理电路22包括程控增益放大器221、正反放大器222、带通滤波器223、绝对值峰值检波电路224以及局放跟随器225，局部放电电压信号经程控增益放大器221减小增益或增大增益后，依次经过正反放大器222、带通滤波器223、绝对值峰值检波电路224送入局放跟随器225；

CPU电路，与信号调理电路相连，实时监测信号调理电路输出的工频电压信号以及局部放电电压信号，显示监测处理结果。

其具体实施步骤如下：

第一步，一次系统的高压电气设备上有局部放电现象发生时，会发生电荷的迁移，在配电设备金属导体上产生一个脉冲型电流，图1所示为直接法局部放电检测原理示意图。

第二步，图2所示，基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，通过射频信号线连接到一次系统的高压电气设备上，第一步的脉冲型电流将通过射频信号线传输到本实用新型装置中来，同时工频电流也会由射频线传输进来。

第三步，阻抗匹配电路接收到的电流信号经过阻抗匹配电路其中的信号耦合电路将工频电流和高频局部放电脉冲电流耦合，并利用两种信号的不同特征将两者分离；阻抗匹配电路中耦合到的电流信号又经过检测阻抗的作用变为局部放电电压信号和工频电压信号。

阻抗匹配电路和信号调理电路相连接。信号调理电路包含：工频信号调理电路21和局部放电电压信号调理电路22。

第四步，阻抗匹配电路所得到的工频电压信号被送到工频信号调理电路21中的工频降压电路211，局部放电电压信号被送到局部放电电压信号调理电路22中的程控增益放大器221。

对于工频信号：工频降压电路211将高电压的工频信号降压处理后，变作可为放大器处理的信号，然后将上述信号送入到工频跟随器212。

对于局部放电电压信号：程控增益放大器221将局部放电电压信号放大适当的倍数；程控增益放大器221，当所检测信号为小信号时，放大器221提高增益倍数，保证放大电路的灵敏度；所检测信号为大信号时，则放大器221减小增益倍数，自适应大信号，使得信号放大结果不会超出仪表整体设计的测量范围。

程控增益放大器221与正反放大器222相连接。正反放大器222，包含一个同相放大器和一个反相放大器；同相放大器针对正向放电脉冲放大，输出正向脉冲信号；反相器针对负放电脉冲放大，同样输出正向脉冲信号；

正反放大器222与带通滤波器223相连接。带通滤波器223根据局部放电电压信号的频率特性设计，使得具备局部放电特征的信号通过，滤除干扰和噪声信号，对所测量的信号进行净化处理。

带通滤波器223与绝对值峰值检波电路224相连接。绝对值峰值检波电路224有两组峰值检波器，将持续时间极短的局部放电脉冲信号进行检波处理，并最终取出两路检波电路的最大值。《局部放电测量GB/T 7354-2003》4.3.3章节指出，“特别推荐用指示仪器和记录仪对重复出现的最大局放值进行定量”。所以厂商应将测量“出现的最大局部放电值”作为局部放电检测类产品的核心功能进行研发。通过检波电路不但得到一个较大的放电信号，而且还对该高频的放电信号进行了降频处理，降低了对CPU的A/D采样转换环节的性能要求。

绝对值峰值检波电路224与局放跟随器225相连接。局放跟随器225起信号隔离的作用，用于消除数字采样电路对信号调理电路的影响。

上述的信号调理电路2与CPU电路相连接。

上述的CPU电路，具有以下特征，主要包含：足够闪存程序存储空间和丰富I/O口的微处理器，高速、远程通讯接口， USB下载电路，A/D转换模块，LCD触摸显示，SD卡存储等。

第五步，信号采集，CPU电路的多路信号采集单元分别与信号调理电路的工频信号调理电路输出以及局部放电信号调理电路的输出相连接；

CPU电路的信号采集单元，采用高性能嵌入式计算机系统构建，利用高速、高精度AD转换器实现对局部放电信号的捕捉、转换，以及对工频电压的连续采集和判断，并经过递归特征参数提取、滤波等算法得到局部放电情况和工频带电结果，最后将所得的概率放电强度、平均放电强度、放电频度等以及工频带电情况的结果实时显示、记录、远传或下载等；

上述的所有电路都由电源电路提供电源，电源电路5是由开关电源模块51和低通滤波器52组成。

基于脉冲电流法的内嵌式局部放电在线监测智能仪表，具有数据采集、数据显示、数据记录、数据传送等功能，利用分层分布式的系统架构，为电网企业的资产管理提供最大限度地支持。