小型化局放巡检定位方法及装置与流程

1.本发明涉及局部放电检测及定位领域，尤其涉及一种小型化局部放电检测定位装置。


背景技术：

2.gis(气体绝缘式开关设备)是变电站重要的电力传输设备，gis绝缘故障会导致局部放电，而局部放电会进一步加剧绝缘劣化。若局部放电一直存在，使绝缘劣化达到一定程度，会导致绝缘彻底损坏。一旦绝缘彻底损坏发生击穿，可能会导致停电等电力事故发生，影响正常的生产生活。因此，对gis进行局部放电的检测及对发现的放电点进行定位对电力系统的安全运行具有重要的现实意义。
3.目前的gis局放检测及定位基本上都是独立两套系统，使用巡检仪对gis进行局放检测，当发现局部放电信号后在使用高速示波器或者高速采集卡采集特高频波形，通过观察波形寻找不同传感器的相应波形来确定时差，来对放电进行定位。具有需要的设备多，价格昂贵，操作人员技术水平要求高等缺点。


技术实现要素：

4.针对目前gis检测及定位存在的问题和缺点，本发明提供的是一种二合一检测装置，本发明通过内部设置阈值调整单元、特高频信号阈值触发单元和时差测量单元，实现不通过高速采集来测量时差的一种新方法。
5.本发明通过配置三路特高频采集通道和一路超声采集通道及相对应的传感器实现gis局放巡检功能，利用其中相邻两路特高频采集通道及两个特高频传感器实现gis局部放电定位功能。人机交互界面简单易懂，操作方法方便明了，具有设备单一，操作方便，功能强大等优点。本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种小型化局放巡检定位装置。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
7.一种小型化局放巡检定位装置，包括接收单元、阈值触发单元、特高频信号处理单元及超声波信号处理单元；
8.接收单元包括特高频信号接收单元及超声波信号接收单元；
9.超声波信号接收单元电连接有超声波信号处理单元；
10.特高频信号接收单元分别电连接有阈值触发单元及特高频信号处理单元；
11.阈值触发单元分别电连接有阈值调整单元及时差测量单元；
12.阈值调整单元、时差测量单元、高频信号处理单元及超声波信号处理单元电连接有数据处理单元；数据处理单元电连接有显示单元。
13.作为上述技术方案的进一步改进：
14.装置还具有储能单元，用于给各个单元模块供电。
15.特高频信号接收单元包括1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元、3号特高频信号接收单元；1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元和3号特高频信号
接收单元为三个相同的有源特高频传感器，用于采集原始特高频信号并对原始信号进行滤波和放大，并提供频带和增益选择；
16.阈值触发单元包括1号特高频信号阈值触发单元、2号特高频信号阈值触发单元和3号特高频信号阈值触发单元；1号特高频信号阈值触发单元、2号特高频信号阈值触发单元及3号特高频信号阈值触发单元，用于检测对应特高频信号阈值并与阈值调整单元输出的阈值进行比较，如果检测到相应特高频信号的阈值达到阈值调整单元输出的阈值，则发出触发信号；
17.特高频信号处理单元包括1号特高频信号处理单元、2号特高频信号处理单元及3号特高频信号处理单元；
18.3组特高频信号阈值触发单元信号频率输入范围最少要满足300mhz-3ghz。
19.特高频信号阈值触发单元电路包括电阻r1、r2、r3，电容c1、c2、c3、c4、c5，芯片u41、u42、u3，滤波器f1、f2、f3、f4；
20.在芯片u41中，脚j1与滤波器f1的1脚相连，脚2、7、8、10、12接地，脚j3与滤波器f3的1脚相连，脚4、5分别接入高频电压信号v1、v2；脚6接供电电压3v3，脚9通过电阻r1与芯片u42的1脚j1相连，在芯片u42中，脚4、5分别接入高频电压信号v1、v2，脚6接入电源v3v，脚2、7、8接地，脚3通过滤波器f4相连，脚9接通过滤波器f2相连；脚11输出端一路通过电阻r2接地，一路通过电容c2滤波后将特高频信号送至芯片u3；芯片u3通过串联的电阻r3、电容c3接地，通过q1输出给时差测量单元，接有da1信号为阈值调整单元的阈值输出信号；
21.1号特高频信号处理单元、2号特高频信号处理单元和3号特高频信号处理单元，分别用于对1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元和3号特高频信号接收单元所接收到的信号进行放大、滤波和检波。
22.超声波信号处理单元，用于处理超声波信号接收单元接收到的信号，对信号进行处理；
23.阈值调整单元用于为特高频信号阈值触发单元提供不同的阈值以使其达到触发条件；
24.时差测量单元用于测量相邻特高频信号阈值触发单元发出的触发信号的时差；
25.时差测量单元电路包括电阻r5、r6、r7、r9、r12、r13、r15，电容c12、c13，晶体振荡器x1、x2，芯片u4及u6；
26.在芯片u4中，脚1、2之间电连接电阻r9且分别接晶振x1的脚3、1；在芯片u4中，脚1、2分别通过电容c6、c7接地；脚15、16之间分别接有电阻r15、晶振x2及串联的电容c12、c13；脚17通过电阻r12接芯片u6的脚4，通过电阻r13接芯片u6脚2，脚18接芯片u6脚2；脚32通过电阻r5接入使能信号，脚25、26之间串联电阻r6、r7；脚31接入芯片u3的阈值触发信号q1，脚32接入相邻特高频阈值触发单元的触发信号q2；
27.x1和x2为两种类型晶振，x1为高速振荡器，为u4芯片提供高速时钟单元进行校准，同时作为时间测量单元的一部分，x2为32.768khz振荡器，其作为一个基准时钟来控制高速时钟起振和进行时钟校准作用。
28.r5、r6、r7用于使能u4，使u4的31脚q1和32脚q2可以接收到两个特高频信号阈值触发单元所发出的触发信号，提供皮秒级精度。
29.芯片u4根据时钟信号自动测出两路触发信号的时间差，并将时间差信息传给数据
处理单元。
30.数据处理单元，用于处理三路特高频和一路超声信号数据以及时差测量单元的时间数据，以及对数据进行存储。
31.显示单元，用于显示三路特高频，一路超声的波形、幅值等各种相关图谱或图谱组合和局放定位信息。
32.储能单元为高性能锂电池，用于对本发明提供电源，使本发明具有更长的使用时间。
33.本发明主要用于gis运行状态下的局部放电的带电检测以及对检测到的局放信号进行放电位置定位。本发明检测灵敏度高，测量准确，功能强大，使用简便，能够同时接收三路特高频信号及一路超声波信号。在对gis进行正常巡检时，可用任意一路特高频和超声波信号进行联合检测，极高的灵敏度以及优异的抗干扰性能保证快速准确的发现放电信号；当检测到gis存在的局部放电时利用幅值定位法可大致确定放电位置，之后利用本发明的特高频时差定位功能对放电点进行精确定位。本发明将巡检仪与定位系统设备两大功能的集成在一款手持设备上，体积小，重量轻，满足gis局放带电检测的全部需求，实用性非常强。本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。本发明通过使用特高频信号接收单元和超声波信号接收单元进行gis局部放电巡检，特高频信号接收单元可在无屏蔽的盆式绝缘子或留有浇筑口的有屏蔽绝缘子以及观察窗等位置进行检测，超声波信号接收单元主要检测gis断路器、刀闸、母线、pt、ct、避雷器等位置，并通过专用耦合剂与罐体表面紧密接触，检测过程显示单元可实时显示检测到对应波形、幅值、prpd等相关局放信息，可随时保存数据和波形，以便在巡检完成以后对数据进行整理。局部放电产生的特高频信号和超声波信号通过内部sf6和金属壳体在向四周传播过程中，信号会逐渐衰减，幅值逐渐变小，因此在巡检过程中检测到的对应特高频和超声幅值会随着距离放电点的距离增加而逐渐减小。故当检测到局部放电信号后，可根据幅值定位法利用特高频和超声波信号幅值确定放电点的大致位置，测得的信号强度最大的位置便是和放电点位置最接近的位置。之后精确确定放电点位置可使用两个特高频信号接收单元检测对应局部放电信号，将两个特高频信号接收单元分别布置在通过幅值定位法确定的放电点位置的两侧，设置好阈值调整单元的输出阈值，使两个特高频信号阈值触发单元均分别达到合适的触发条件并发出触发信号，进而通过时差测量单元测量出两路触发信号的时间差值，数据处理单元根据时差结果自动计算出局部放电位置，并通过显示单元将相关信息展现出来。
附图说明
34.图1是本发明的手持式gis局放巡检定位装置示意图。
35.图2是本发明的特高频信号阈值触发单元芯片u41电路图。
36.图3是本发明的特高频信号阈值触发单元电路结构示意图。
37.图4是本发明的时差测量模块电路图。
38.图5是本发明的壳体使用结构示意图。
39.图6是本发明的gis局放检测及定位装置原理图。
40.图7是本发明的图5变形的结构示意图。
41.图8是本发明的超声信号滤波电路示意图。
42.其中：1、按键；2、前壳；3、数据显示单元；4、板间连接单元；5、数据处理单元；6、信号调理单元；7、储能单元；8、后壳；9、前连接柱；10、卡合端脚槽；11、后凸起卡舌；12、下凹端面；13、屏幕安装口；14、前面卡槽；15、卡脚；16、卡口；17、定位通孔；18、侧卡槽；19、插接座；20、耳孔；21、定位孔柱；22、底连接孔；23、充电接口；24、定位凹槽；25、定位插脚。
具体实施方式
43.如图1-8，本发明通过配置三路特高频采集通道和一路超声采集通道及相对应的传感器实现gis局放巡检功能，利用其中相邻两路特高频采集通道及两个特高频传感器实现gis局部放电精确定位功能。人机交互界面简单易懂，操作方法方便明了，具有设备单一，操作方便，功能强大等优点。
44.如图1-4，小型化局放巡检定位装置包括接收单元、阈值触发单元、高频信号处理单元、超声波信号处理单元；
45.接收单元包括高频信号接收单元及超声波信号接收单元；
46.超声波信号接收单元电连接有超声波信号处理单元；
47.高频信号接收单元分别电连接有阈值触发单元及高频信号处理单元；
48.阈值触发单元分别电连接有阈值调整单元及时差测量单元；
49.阈值调整单元、时差测量单元、高频信号处理单元及超声波信号处理单元电连接有数据处理单元；数据处理单元电连接有显示单元；
50.装置还具有储能单元，用于给各个单元模块供电。
51.高频信号接收单元包括1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元、3号特高频信号接收单元；
52.阈值触发单元包括1号特高频信号阈值触发单元、2号特高频信号阈值触发单元和3号特高频信号阈值触发单元；
53.高频信号处理单元包括1号特高频信号处理单元、2号特高频信号处理单元及3号特高频信号处理单元；
54.1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元和3号特高频信号接收单元为三个相同的有源特高频传感器，用于对原始信号进行滤波和放大，并提供频带和增益选择。
55.1号特高频信号阈值触发单元、2号特高频信号阈值触发单元及3号特高频信号阈值触发单元，用于检测对应特高频信号阈值并发出触发信号。
56.3组特高频信号阈值触发单元信号频率输入范围最少要满足300mhz-3ghz，以保证特高频信号接收单元输入的信号不会被衰减。
57.如图2-3所示，特高频信号阈值触发单元电路包括电阻r1、r2、r3，电容c1、c2、c3、c4、c5，芯片u41、u42、u3，滤波器f1、f2、f3、f4；其中，u41、u42、r1、f1、f2、f3和f4对输入的特高频信号进行初级处理，去除大部分干扰信号，u41和u42为射频模拟开关，其4脚5脚的v1与v2用于控制u41和u42两个模拟开关的开断，以实现接收到的特高频信号通过不同的路径，达到去除不同的干扰信号的目的；r2、r3、c1、c2、c3、c4、c5和u3用于接受阈值调整单元输出的阈值，当接收并传输到u3的特高频信号阈值超过阈值调整单元输出的阈值时，u3会产生一个脉冲触发信号传输给时差测量单元。
58.1号特高频信号处理单元、2号特高频信号处理单元和3号特高频信号处理单元，分别用于对1号特高频信号接收单元、2号特高频信号接收单元和3号特高频信号接收单元所接受到的信号进行放大、滤波和检波；
59.超声波信号处理单元，用于处理超声波信号接收单元接收到的信号，对其信号进行放大、滤波等处理。超声波信号接收单元采用无源接触式超声传感器。
60.阈值调整单元用于为三路特高频信号阈值触发单元提供不同的阈值以使三路特高频信号阈值触发单元分别使其达到触发。
61.时差测量单元用于测量相邻特高频信号阈值触发单元发出的触发信号的时差。
62.时差测量单元测量可以达到皮秒级精度，以保证时差测量的准确性。具体的时差测量单元电路图如图4所示：时差测量单元电路包括r5、r6、r7、r9、r12、r13、r15、c12、c13、x1、x2、u4和u6；其中x1和x2为两种不同频率的晶体振荡器，x1为高速振荡器，为u4芯片提供高速时钟单元进行校准，同时作为时间测量单元的一部分，x2为32.768khz振荡器，其作为一个基准时钟来控制高速时钟起振和进行时钟校准作用。u6、r12和r13组成一个施密特触发器，r5、r6、r7用于使能u4，使u4的31脚q1和32脚q2可以接收到两个特高频信号阈值触发单元所发出的触发信号，提供皮秒级精度。当两路触发信号都接到后，u4根据时钟信号自动测出两路触发信号的时间差，并将时间差信息传给数据处理单元。
63.数据处理单元为高性能mcu，用于处理三路特高频和一路超声信号数据以及时差测量单元的时间数据，以及对相关数据进行存储。
64.显示单元为本发明装置的屏幕，用于显示三路特高频，一路超声的波形、幅值等各种相关图谱或图谱组合和局放定位信息。
65.储能单元为高性能锂电池，用于对本发明提供电源，使本发明具有更长的使用时间。
66.作为另一实施例，本装置结构示意图如图1-8所示，包含扣合形成外壳体的前壳2及后壳8；在外壳体中安装有板间连接单元4，在板间连接单元4上安装有通过前壳2外露的数据显示单元3，在数据显示单元3上卡扣有按键1；在板间连接单元4上电连接有数据处理单元5、信号调理单元6及储能单元7；
67.作为一实施例，在前壳2上设置有屏幕安装口13，用于外露数据显示单元3；在屏幕安装口13下方设置有用于外露按键1的窗口，卡槽14用于按键和板间连接单元(4)连接；
68.在前壳2内壁上设置有若干前连接柱9，在后壳8上设置有对应底连接孔22，以便从底连接孔22外侧面插入螺栓与前连接柱9的中空螺孔连接；
69.在前壳2上端一角设置有卡合端脚槽10，在后壳8上端设置有下凹端面12，相对于前壳2与后壳8的外边缘，下凹端面12内陷设置；下凹端面12具有若干通孔，以露出信号调理单元6对应的接口；下凹端面12内陷设置，减少接口的外露出量。
70.下凹端面12一角具有后凸起卡舌11，后凸起卡舌11插入卡合端脚槽10，实现配合与方向识别，避免装错方向；
71.在数据显示单元3背面设置有若干卡脚15，在板间连接单元4具有与卡脚15卡接的卡口16；
72.在板间连接单元4上分布有若干定位通孔17及侧卡槽18；定位通孔17用于穿过与前连接柱9连接的螺栓；
73.在数据处理单元5上设置有插接座19，以与板间连接单元4对应接口插接；
74.在信号调理单元6上设置有穿过与前连接柱9连接的螺栓的耳孔20，在信号调理单元6上设置有定位孔柱21，在数据处理单元5上设置有与定位孔柱21连接的定位插脚25；
75.在后壳8上设置有下部壁设置有充电接口23及定位凹槽24。
76.作为一实施例，信号调理单元6内置特高频信号处理模块、超声波信号处理模块及输入端分别与特高频信号处理模块的输出端、超声波信号处理模块的输出端电连接的滤波放大模块；信号调理单元6的信号输入端子作为同轴电缆输入端，特高频信号处理模块输入连接有若干有源的特高频传感器，超声波信号处理模块输入连接有无源的超声传感器；
77.滤波放大模块包括与特高频信号处理模块电连接的特高频信号滤波电路及与超声波信号处理模块电连接的超声信号滤波电路；
78.信号调理单元6输出端电连接数据处理单元5输入端，以传送局放信息及时间差信息；信号调理单元6电连接有数据显示单元3；
79.特高频信号和超声信号经过信号调理单元6将对应信号进行滤波放大，并合理控制相应信号的滤波频带与增益。之后将处理后的信号传输给数据处理单元5，数据处理单元5同时数据进行处理、保存，并通过数据显示单元3将相应的信息显示出来，是信息更加直观的展现。板间连接单元4，用于将数据显示单元3和数据处理单元5电连接，构成一个整体，使装置更加稳固储能单元7为8.4v6400mah的大容量锂电池，确保工作时间更长。前壳2和后壳8共同组成外壳用于固定各个模块，使装置更加牢靠，便于携带和使用。按键1用与操控装置使用，进行功能选择与测量保存等一系列操作，使装置使用更加人性化。
80.作为一实施例，其中信号调理单元6通过同轴电缆同时处理若干特高频信号和1路超声信号，并将信号进行滤波、放大和检波，并计算相邻两路特高频信号到达的时间差，然后，传输到数据处理单元5，其中若干特高频信号滤波频带包含低频带、高频带和全频带三种频带范围；1路超声包含10khz-80khz、80khz-200khz两种频带范围。
81.作为一实施例，如图4，特高频信号滤波电路包括模拟开关u41、u42,滤波器f1-f4；模拟开关u41、u42,滤波器f1-f4用于采集特高频信号的三种不同频带；
82.在模拟开关u41中，脚2接地，脚j1接入j111n对应的频带，j3接入j131n对应的频带，脚4、5分别接入控制信号v1、v2，脚6接入电压3.3v，脚7、8、10、12接地，脚9通过对应电阻接入j121n对应的频带，脚11通过rfc接口接数据处理单元5；
83.在模拟开关u42中，脚2接地，脚j1接入j121n对应的频带，脚3通过串接形成二级滤波的滤波器f3、f4接j131n对应的频带，接入脚4、5分别接入控制信号v1、v2，脚6接入电压3.3v，脚7、8、10、12接地，脚9通过串接形成二级滤波的滤波器f1、f2接j111n对应的频带；
84.作为一实施例，如图5，超声信号滤波电路包括作为频带选择开关的模拟开关u1、u2，电容c14、c24、c-c10、电感l1-l10及电阻r14、r24；
85.模拟开关u1、u2，电容c14、c24、c34、c44、c54、c6-c10、电感l1-l5及电阻r14，共同组成采集超声波信号的80khz-200khz频带；电容c6、c7、c8、c9、c10、电感l6、l7、l8、l9、l10和电阻r24共同组成了超声波信号的10khz-80khz频带；
86.电容c14、c24、c34、c44、c54、c6-c10、电感l1-l5及电阻r14形成第一滤波单元；电容c6-c10、电感l6-l10及电阻r24形成第二滤波单元；
87.在模拟开关u1中，脚5接地，脚4接-5v且通过对应电容接地，脚13接+5v且通过对应
电容接地，脚1、16分别接入对应的超声信号；
88.在模拟开关u2中，脚1、16分别通过通道band1、band0接数据处理单元5；脚3、脚14分别接入对应的第一滤波单元及第二滤波单元；
89.数据处理单元5型号是stm32f407高性能mcu
90.超声信号滤波电路包括模拟开关u1、u2；滤波器f1、f2、f3、f4共同组成了特高频信号的三种不同频带；超声信号滤波电路如图5，其中两个模拟开关u1、u2作为频带选择开关，电容c14、c24、c34、c44、c54、电感l1、l2、l3、l4、l5和电阻r14共同组成了超声波信号的80khz-200khz频带，电容c6、c7、c8、c9、c10、电感l6、l7、l8、l9、l10和电阻r24共同组成了超声波信号的10khz-80khz频带。
91.数据处理单元5将接收到的信号进行数字化处理，并根据信号处理单元6输入的时间差信号自动计算放电点位置，同时将相关数据进行存储，数据显示单元3显示放电波形、放电幅值、放电位置等相关信息。
92.本发明信号调理单元具有4路独立通道，包含若干特高频信号通道和1路超声波信号通道，其中特高频通道具有低频段、高频段和全频段三种频带可以选取；超声波通道具有10khz-80khz、80khz-200khz两种频带可以选择。本发明可以测量相邻两路特高频信号的时间差，可实现对gis局部放电的位置定位。数据显示单元可以显示局放信号的prpd图谱、prps图谱，波形幅值及故障点位置相关信息。
93.各个实施例可以合理组合或单独使用。