部分放電檢測設(shè)備和方法
【專利摘要】部分放電檢測設(shè)備和方法。一種部分放電檢測設(shè)備(500)，包括：支承結(jié)構(gòu)(3)；第一天線(1)，被配置成接收至少部分地與電物體(100)的部分放電相關(guān)聯(lián)的電磁信號(Sd)并產(chǎn)生第一電信號(Sin1)，該第一天線對第一接收方向有第一接收有效面積；以及第二天線(2)，被配置成接收電磁噪聲信號(Sn)并產(chǎn)生產(chǎn)生第二電信號(Sin2)；該第一天線和第二天線被安排成使第二天線對所述第一接收方向，有小于所述第一接收有效面積的第二接收有效面積。該設(shè)備還包含第一處理模塊(600)，被配置成從所述第一電信號和第二電信號產(chǎn)生代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電信號(Sout)。
【專利說明】部分放電檢測設(shè)備和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及部分放電檢測技術(shù)。部分放電檢測，尤其在諸如中壓或高壓電纜、電纜接頭、架空線路絕緣子、中壓和高壓配電箱、使用GIS (氣體絕緣開關(guān)設(shè)備)的高壓和超高壓電纜等電部件和設(shè)備中，用于檢測和測量部分放電。

【背景技術(shù)】
[0002]術(shù)語部分放電，意指當電學(xué)部件存在各種類型缺陷時，最終在電學(xué)部件的電介質(zhì)(絕緣)材料中，導(dǎo)致電介質(zhì)破壞，出現(xiàn)電荷不需要的再組合。這時，在電介質(zhì)材料的諸部分中產(chǎn)生脈沖電流，并引起電磁波傳播通過有關(guān)電學(xué)系統(tǒng)的電源或地下電纜，并輻射通過各種周圍媒體(電介質(zhì)材料、金屬、空氣、等等)。
[0003]文獻W0-A-2009-150627尤其描述一種完全絕緣和自供電的小尺寸的部分放電檢測裝置，它允許以最高的安全性進行測量，無需直接連接到正在考察的系統(tǒng)。該裝置包括適合起電場傳感器作用的并包含與第二導(dǎo)體合作的第一平面形導(dǎo)體(即，接地平面)寬帶天線，第二導(dǎo)體的外形向著第一平面形導(dǎo)體會聚在一個點或一條線上，所述第二導(dǎo)體比要檢測的場波長小約兩個數(shù)量級，因此該寬帶天線在從約0.1MHz到約10MHz的頻帶中是不諧振的。例如，第二導(dǎo)體有空心球的形狀。電子寬帶放大器能夠被用于調(diào)整天線的阻抗并放大被拾取的信號，用于弱信號檢測。寬帶放大器有最小頻帶，落在從約0.5MHz到60MHz的范圍中。偏帶濾波(off-band filtering)由具有數(shù)十MHz的截止頻率的第一級或第二級濾波器完成。
[0004] 申請人:已經(jīng)注意到，通過實施無線和無接觸檢測，頗大量的環(huán)境噪聲也被接收；這些噪聲能夠比電部件的部分放電產(chǎn)生的小脈沖信號更響，由此降低該感測方法的精度。
[0005]文獻US7183774公開一種采用被放在電器的插座中的UHF天線檢測在該電器中的部分放電的方法。該方法包含分析被該天線拾取的電磁信號的頻譜，以及識別該頻譜內(nèi)一個或多個關(guān)心的頻率。為識別關(guān)心的頻率，由天線接收的信號的頻譜被與參考頻譜比較。該方法包含對兩個可用頻譜每一頻率上的最大峰值和平均值，計算該兩個頻譜之間振幅差值的步驟。
[0006]文獻JP-A-07-027814描述一種用于電源裝備的絕緣監(jiān)控裝置，它通過監(jiān)控電暈放電的產(chǎn)生，監(jiān)控該電學(xué)裝備的絕緣狀態(tài)。該裝置由電暈檢測天線、噪聲檢測天線構(gòu)成，該電暈檢測天線檢測當電源裝備中出現(xiàn)電暈放電時產(chǎn)生的電磁波，該噪聲檢測天線檢測外部噪聲波。此外，該裝置還裝備有信號處理電路，用于移除包含在電暈檢測信號中的噪聲信號。該處理電路由兩個放大器和差動放大器組成。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 申請人:已經(jīng)注意到，文獻JP-A-07-027814描述的技術(shù)不確保滿意的噪聲消除。 申請人:已經(jīng)處理了采用拾取部分放電信號的天線設(shè)計部分放電檢測設(shè)備的問題，該設(shè)計允許檢測具有與同一天線上接收的噪聲信號的振幅相當?shù)恼穹牟糠址烹娒}沖。
[0008] 申請人:發(fā)現(xiàn)，兩個天線按如下方式放置(在遠處或附近位置中)，以致對部分放電信號的假設(shè)入射方向，一個天線呈現(xiàn)比另一個天線的有效面積更小的相應(yīng)有效面積，這樣可以提供滿意的信噪比S/N值。尤其是，向著假設(shè)的部分放電源取向的天線的信號，被減去第二天線的信號。
[0009]按照第一方面，本發(fā)明涉及部分放電檢測設(shè)備，包括:
[0010]第一天線，被配置成接收至少部分地與電物體的部分放電相關(guān)聯(lián)的電磁信號，并產(chǎn)生第一電信號；該第一天線對第一接收方向有第一接收有效面積；
[0011]第二天線，被配置成接收電磁噪聲信號，并產(chǎn)生第二電信號；該第一天線和第二天線被安排成使第二天線對所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面積的第二接收有效面積；和
[0012]第一處理模塊,被配置成接收所述第一電信號和第二電信號，并產(chǎn)生代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電信號。
[0013]有利的是，第一天線和第二天線中的至少之一是定向天線?？扇〉氖?，第一天線和第二天線二者都是定向天線。
[0014]有利的是，第一天線和第二天線被放置在共用的支承結(jié)構(gòu)上。該共用的支承結(jié)構(gòu)能夠是第一天線或第二天線之一的一部分。
[0015]可取的是，在本發(fā)明的設(shè)備中，第一天線對不同于所述第一接收方向的第二接收方向有第三有效面積；而第二天線對第二接收方向有第四有效面積，所述第四有效面積等于或大于第三有效面積。如此，第二天線比第一天線更噪聲敏感。
[0016]可取的是，在本發(fā)明的設(shè)備中，第一天線例如被安排在支承結(jié)構(gòu)上，以便在包含在第一半空間中的第一輻射圖中有至少90 %的接收功率；而第二天線例如被安排在相同的支承結(jié)構(gòu)上，以便在包含在相對于把第一半空間和第二半空間分開的參考平面，與第一半空間相對著的第二半空間中的第二輻射圖中有至少90 %的接收功率。
[0017]更可取的是，第一天線例如被安排在支承結(jié)構(gòu)上，以便對于位于第一半空間上的入射方向呈現(xiàn)相應(yīng)接收增益的最大值，而第二天線被安排，例如被構(gòu)建并被安裝在同一支承結(jié)構(gòu)上，以便對于位于第一半空間上的另外入射方向呈現(xiàn)相應(yīng)接收增益的最大值。
[0018]在第一天線和第二天線二者都是定向天線并有大體上非重疊接收圖的情形下，第一天線可取地包含第一天線導(dǎo)體，以及被配置成作為第一天線導(dǎo)體的接地平面工作的平面形導(dǎo)體。
[0019]可取的是，第一天線有球形形狀。
[0020]可取的是，第二天線是貼片天線或環(huán)形天線。
[0021]在本發(fā)明的實施例中，本發(fā)明設(shè)備的共用支承結(jié)構(gòu)包括平面部分，該平面部分包含:其上安裝第一天線導(dǎo)體的第一側(cè)，以及與第一側(cè)相對著的其上安裝所述第二天線導(dǎo)體的第二側(cè)。
[0022]可取的是，該支承結(jié)構(gòu)包括含有第一處理模塊的印刷電路板。
[0023]可取的是，該印刷電路板包括被連接到第一天線和第二天線的電端子，以及把第一天線導(dǎo)體機械連接到該印刷電路板的支承元件。
[0024]可取的是，本發(fā)明設(shè)備的第一處理模塊包括差值模塊，被配置成產(chǎn)生所述差值電信號。該差值模塊能夠選自有源電子部件、電壓變壓器、或中心抽頭電壓變壓器。
[0025]在有差值模塊時，第一天線被構(gòu)建成通過電容耦合檢測代表向電物體供應(yīng)的電壓的趨勢的同步電信號。
[0026]有利的是，本發(fā)明的設(shè)備還包含同步模塊，被配置用于放大所述同步電信號和提供被放大的同步電信號。
[0027]在優(yōu)選實施例中，所述第一處理模塊還包括被連接到第一天線的第一高通濾波模塊，以及被連接到第二天線的第二高通濾波模塊，第一高通濾波模塊和第二高通濾波模塊被配置成從所述第一電信號和第二電信號去耦同步電信號。
[0028]在差值模塊是有源電子部件的情形下，所述有源電子部件包括按非倒相負反饋配置的運算放大器。該運算放大器有利地包括:被配置成接收所述第一電信號的非倒相端子；被配置成接收所述第二電信號的倒相端子；以及被配置成提供代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電信號的輸出端子。
[0029]在本發(fā)明的另一個實施例中，該設(shè)備還包含采集與分析裝置，該裝置包括:數(shù)模變換器，被構(gòu)建成從差值電信號產(chǎn)生多個對應(yīng)的抽樣；采集觸發(fā)器模塊，用于從所述多個抽樣選擇采集抽樣；存儲器，被配置成存儲選擇的采集抽樣；處理器，被構(gòu)建用于產(chǎn)生要發(fā)送到采集觸發(fā)器模塊和存儲器的命令信號。
[0030]可取的是，該測量模塊被構(gòu)建用于從同步模塊接收被放大的同步電信號，并向處理器提供電參數(shù)。
[0031]該采集與分析裝置可取地還包含收發(fā)器模塊，該收發(fā)器模塊被構(gòu)建用于向/從外部處理器模塊發(fā)送/接收數(shù)據(jù)/命令。
[0032]在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的設(shè)備有第一天線和第二天線，第一天線被配置成接收具有包含在0.1MHz-lOOMHz范圍中的頻率的信號；第二天線被配置成接收具有包含在0.1MHz-lOOMHz范圍中的頻率的信號。
[0033]另一方面，本發(fā)明涉及一種部分放電檢測方法，包括:
[0034]定位第一定向天線，以便對第一接收方向有第一接收有效面積；
[0035]由第一天線接收至少部分地與電物體的部分放電相關(guān)聯(lián)的電磁信號；
[0036]由第一天線產(chǎn)生與接收的電磁信號對應(yīng)的第一電信號；
[0037]定位第二定向天線，以便對所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面積的第二接收有效面積；
[0038]由第二天線接收電磁噪聲信號；
[0039]由第二天線產(chǎn)生與所述接收的電磁噪聲信號對應(yīng)的第二電信號；
[0040]處理所述第一電信號和第二電信號，以便產(chǎn)生代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電號。
[0041]在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書中，所謂“定向天線”，是指沿某些方向比其他方向更有效地輻射或接收電磁波的天線。尤其是，所謂“定向天線”，是指具有大于OdB，可取的是大于IdB的前/后功率增益比(Fixmt/Back rat1)的天線。以分貝表達的前/后增益參數(shù)，是與輻射圖主瓣相關(guān)聯(lián)的增益參數(shù)和與該輻射圖的反向瓣相關(guān)聯(lián)的增益參數(shù)之間的比率。天線的增益參數(shù)是從遠場源由天線在天線的射束軸上產(chǎn)生的功率與由假想無損耗各向同性天線產(chǎn)生的功率的比率，該各向同性天線對來自所有方向的信號同等靈敏。
[0042]在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書中，關(guān)于天線，所謂“信號的接收方向”或“信號的入射方向”，是指假設(shè)的信號的來自方向。
[0043]在本說明書和權(quán)利要求書中，所謂天線的“有效面積”，是指在每一入射方向上，天線多么有效地接收電磁波功率的度量。天線的有效面積，是依賴于表征天線方向性的天線性能的另一個參數(shù)，該天線性能是該天線的方向性。在本說明書中，術(shù)語“有效面積”和“方向性”二者將被用作表征從天線的特定入射方向接收功率的能力的交替參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]更多的特征和優(yōu)點，將從下面的優(yōu)選實施例和它的替代例子的說明而變得更為明顯，替代例子是作為參照附圖的例子方式給出的，附圖中:
[0045]圖1示出部分放電采集系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)包括第一天線、第二天線、以及差值模塊；
[0046]圖2示意示出可供所述差值模塊采用的有源電子部件；
[0047]圖3示意示出可供所述差值模塊采用的中心抽頭初級電壓變壓器；
[0048]圖4示出第一天線的第一輻射圖和第二天線的第二輻射圖；
[0049]圖5是采用運算放大器的差值模塊的實施例；
[0050]圖6示出所述部分放電采集系統(tǒng)中包含的同步模塊的實施例；
[0051]圖7示出包含在所述部分放電采集系統(tǒng)中的采集與分析裝置的實施例；
[0052]圖8A和8B示出所述部分放電采集系統(tǒng)的具體實施例的兩個不同視圖；
[0053]圖9示出用圖8A和8B的部分放電采集系統(tǒng)獲得的實驗結(jié)果。

【具體實施方式】
[0054]圖1示出電物體100和部分放電采集系統(tǒng)500，部分放電采集系統(tǒng)500包括部分放電檢測設(shè)備400和任選的采集與分析裝置300。
[0055]電物體100能夠是任何種類的部件、裝置、設(shè)備、或系統(tǒng)，它能夠產(chǎn)生部分放電電磁脈沖，且例如是:中壓或高電壓電纜、電纜接頭、架空線路絕緣子、中壓或高壓配電箱、使用GIS(氣體絕緣開關(guān)設(shè)備)的高壓和超高壓電纜、電動機或發(fā)電機或中壓或高壓變壓器。
[0056]部分放電采集系統(tǒng)500是電子設(shè)備，可用于檢測、測量和/或分析由像電物體100的電學(xué)源(electrical source)產(chǎn)生的部分放電。尤其是，部分放電采集系統(tǒng)500能夠是便攜式的并被包含在圖上沒有示出的箱中。
[0057]部分放電采集系統(tǒng)500被配置成放置在電物體100的鄰近，以便按照無線和非接觸模式接收與電物體100發(fā)射的部分放電脈沖對應(yīng)的放電電磁信號sd。還觀察到，能夠干擾與部分放電脈沖對應(yīng)的電磁信號的檢測的電磁噪聲信號Sn能夠出現(xiàn)在其中采用了部分放電采集系統(tǒng)500的區(qū)域中。
[0058]待檢測的放電信號Sd，能夠是具有包含在0.1MHz到10MHz范圍中的頻率的電磁波脈沖。噪聲信號Sn通常具有包含在相同的0.1MHz到10MHz的范圍中的頻率。
[0059]部分放電檢測設(shè)備400(為簡單計，下文簡稱“檢測設(shè)備”)包括:第一天線I和第二天線2，作為例子，按照本發(fā)明第一實施例，二者能夠被安裝在共用的支承結(jié)構(gòu)3上。第一天線I被配置成接收放電信號Sd，但也能夠接收不希望的電磁噪聲信號Sn。
[0060]更詳細地說，關(guān)于輻射的第一組入射方向，第一天線I被構(gòu)建成呈現(xiàn)出具有第一值或多個第一值A(chǔ)effVdrt的第一有效面積Aeff115尤其是，第一組入射方向?qū)?yīng)于放電信號Sd的入射方向。
[0061]第二天線2被配置成接收出現(xiàn)在其中采用了部分放電采集系統(tǒng)500的區(qū)域中的電磁噪聲信號Sn。在某些情形下，第二天線2還能夠接收放電信號Sd。然而，第二天線2被構(gòu)建成呈現(xiàn)出第二有效面積Aeff2，該Aeff2對第一組入射輻射方向有小于第一天線I的所述第一值A(chǔ)eff1^1的第二值或多個第二值A(chǔ)eff2_drt:
[0062]AeffVdrPAeff^ri (I)
[0063]尤其是,第一值A(chǔ)effwrt至少是第二值A(chǔ)eff2_drt的十倍。
[0064]對于第一組入射輻射方向，關(guān)系式(I)意味著第一天線I比第二天線2對放電信號&更敏感。
[0065]關(guān)于第二組入射輻射方向，第一天線I呈現(xiàn)出具有第三值或多個值A(chǔ)eff1^2的第一有效面積Aeff1，而第二天線2呈現(xiàn)出具有第四值或多個第四值A(chǔ)eff2_drd^第二有效面積Aeff2。尤其是,第二組入射方向?qū)?yīng)于電磁噪聲信號Sn的入射方向。
[0066]按照具體的實施例，部分放電檢測設(shè)備400被配置，以便對于第一天線I和第二天線2，關(guān)于第二組入射方向，使下面的關(guān)系式成立:
[0067]Aeff2_dr2 彡 AeffVdr2 ⑵
[0068]按照關(guān)系式(2)，第四值A(chǔ)eff2_d,2等于或大于第三值A(chǔ)eff^215尤其是，第四值A(chǔ)eff2_dr2至少是第三值A(chǔ)effVdr2的十倍。
[0069]對第二組入射輻射方向，關(guān)系式(2)意味著第二天線2比第一天線I，對電磁噪聲信號Sn是同樣敏感或更敏感。
[0070]按照第一個例子，第一天線I和/或第二天線2是定向天線。尤其是，第一天線I和第二天線2呈現(xiàn)不同的三維輻射圖。尤其是，部分放電檢測設(shè)備400按如下方式被設(shè)計，以致第一天線I能夠提供放電信號Sd的敏感和精確的檢測，因此第一天線I被設(shè)計，以便對第一組入射方向獲得第一有效面積AefT1呈現(xiàn)最大值。
[0071]此外，部分放電檢測設(shè)備400按如下方式被設(shè)計，以致第二天線2能夠提供噪聲信號Sn的檢測，因此第二天線2被設(shè)計，以便對第二組入射方向獲得第二有效面積Aeff2呈現(xiàn)最大值。
[0072]可取的是，第一天線I具有的方向性有包括在3dB和30dB之間的前/后增益參數(shù)；更可取的是，該前/后增益參數(shù)被包括在6dB和1dB之間。第二天線2具有的方向性具有的前/后增益參數(shù)大于第一天線I的前/后增益參數(shù)，且可取的是包括在1dB和30dB之間；更可取的是，第二天線2的前/后增益參數(shù)被包括在IldB和20dB之間。
[0073]舉例說，第一天線I能夠是如下天線之一:小貼片天線、環(huán)形天線、偶極子和超寬帶天線。能夠被用作第一天線I的特殊球形天線將在下文描述。
[0074]第二天線2能夠是，舉例說，類似于第一天線I的貼片天線、環(huán)形天線、偶極子、超寬帶天線或球形天線。按照圖1所示的第一實施例，部分放電檢測設(shè)備400還包括差值模塊600，它有:第一輸入端子4，借助第一導(dǎo)體線路5被連接到第一天線I的第一輸出端子6 ；以及第二輸入端子7，借助第二導(dǎo)體線路8被連接到第二天線2的第二輸出端子9。
[0075]此外，第一天線I被配置成接收放電信號Sd和不需要的噪聲信號Sn，并把它們轉(zhuǎn)換成可在第一導(dǎo)電線路5上使用的第一接收的電信號Sinl (如電流)。第二天線2被配置成接收噪聲信號Sn并且也接收放電信號Sd的一部分，并把它們轉(zhuǎn)換成可在第二導(dǎo)電線路8上使用的第二接收的電信號Sin2 (如另外的電流)。
[0076]圖4作為例子，示出第一天線I的第一輻射圖RDl和第二天線2的第二輻射圖RD2，就像當?shù)谝惶炀€I和第二天線I和2被定位以便為了檢測而操作時那樣。尤其是，圖4示出第一天線I的第一輻射圖的豎直截面，以及第二天線2的第二輻射圖的另一個豎直截面。豎直截面是豎直平面和相應(yīng)圖之間的截面，豎直平面例如是垂直于地面的平面。本領(lǐng)域的熟練人員清楚，天線的輻射圖大體上與同一天線的接收圖相同。按照圖4所示的例子，第一圖RDl大體上位于第一半空間中，而第二圖RD2大體上位于，關(guān)于參考平面，如，平行于地面的平面，相對著的半空間中。
[0077]尤其是，第一天線I的第一輻射圖和第二天線2的第二輻射圖，大體上不彼此重疊，且尤其是，第一天線I對位于第一半空間中的入射方向(朝向預(yù)期的部分放電源)，呈現(xiàn)接收增益的最大值。第二天線2對位于與第一半空間相對著的第二半空間中的入射方向，呈現(xiàn)接收增益的最大值。
[0078]可取的是，第一天線I被安排在支承結(jié)構(gòu)3上，以便有包含在第一半空間中的第一輻射圖的至少90%的接收功率，而第二天線2被安排在支承結(jié)構(gòu)3上，以便有包含在與第一半空間相對著的第二半空間中的第二輻射圖的至少90%的接收功率。舉例說，第一天線I和第二天線2 二者呈現(xiàn)20dB的前/后增益參數(shù)，并且尤其是它們沿不同的且可取的是相反的方向取向。
[0079]圖1的差值模塊600被配置成產(chǎn)生代表第一電接收信號Sinl和第二電接收信號Sin2之間差值的差值輸出信號S-。差值模塊600被配備用于差值輸出信號Swt的第三輸出端子10。
[0080]按照圖2所示例子，差值模塊600能夠包括有源電子裝置，例如運算放大器11或適用于產(chǎn)生差值輸出信號Stjut的另一種類型的分立電子有源部件。采用運算放大器11的差值模塊600的具體實施例將在下文描述。
[0081]按照圖3所示另一個例子，差值模塊600能夠包括無源電子裝置，例如電變壓器12，適合于產(chǎn)生差值輸出信號S-。該電變壓器12是高頻變壓器。按照圖3所示例子，以中心抽頭配置的高頻變壓器12包含有兩個末端端子的第一繞組13，適合各自接收第一電接收信號Sinl和第二電接收信號Sin2，而中心端子15被連接到電接地端GND。高頻變壓器12的第二繞組14與第一繞組13相互耦合，并被配備用于差值輸出信號Stjut的差值信號端子40和被連接到電接地的接地端子GND。
[0082]按照圖1所示實施例，部分放電檢測設(shè)備400還能夠被配備同步模塊200，它被配置用于在第三輸入端子16上接收第一同步電信號Ssynl，并且在第四輸出端子17上提供第二同步電信號Ssyn2。第一同步電信號Ssynl代表向正在測試的電物體100供應(yīng)的AC(交流)電壓的性能，并且按照一個實施例，通過借助第一天線對由通過電物體100的電壓產(chǎn)生的電源電磁信號Ssup進行無線和無接觸的檢測，該第一同步電信號Ssynl能夠被獲得。按照本實施例，第三輸入端子16被連接到第一連接線路5，以便接收也包含第一同步電信號Ssynl的第一接收的電信號Sinl，而且尤其是，第一天線I被設(shè)計成作為電容耦合傳感器工作，以便從電源電磁信號Ssup檢測該第一同步電信號Ssynl。在這種情況下，第一天線I被設(shè)計成給出與AC (交流)電壓的適當電容耦合，該AC電壓正在向例如有適當耦合表面的電物體100饋電。
[0083]按照另一個實施例，第一同步電信號Ssynl能夠被可與第三輸入端子16連接的同步傳感器18檢測，該同步傳感器18例如是用于無線和無接觸檢測的另外天線、或使之與電物體100接觸或使之與以供應(yīng)給電物體100 —樣的電壓工作的另一個電部件接觸的其他類型傳感器。
[0084]按照另一個實施例，關(guān)于差值模塊600，它還能夠被構(gòu)建成適合處置第一接收的電信號Sinl和第二接收的電信號Sin2，且因此它也能夠包括放置在運算放大器11或電變壓器12之前的高通濾波模塊和任選的均衡模塊。
[0085]圖5涉及其中采用運算放大器11的情況下的差值模塊600的例子。該差值模塊600包括有連接到第一輸入端子4的相應(yīng)輸入的第一高通濾波模塊19。作為例子，第一高通濾波器模塊19能夠包含與第一電阻器Rl串聯(lián)的第一電容器Cl。該高通濾波器模塊19的輸出被連接到任選的第一均衡模塊20，該第一均衡模塊20還經(jīng)由第一節(jié)點25被連接到運算放大器11的非倒相端子“ + ”。第一節(jié)點25被連接到第三電阻器R3，該第三電阻器還被連接到接地端子GND。
[0086]圖5的差值模塊600還包括有連接到第二輸入端子7的相應(yīng)輸入的第二高通濾波器模塊21。作為例子，第二高通濾波器模塊21能夠包含與第二電阻器R2串聯(lián)的第二電容器C2。第一高通濾波器模塊19和第二高通濾波器模塊21，被構(gòu)建成分別從第一接收的電信號Sinl和第二接收的電信號Sin2去耦在較低頻率上的第一同步電信號Ssynl。
[0087]第二高通濾波器模塊21的輸出被連接到任選的第二均衡模塊22，第二均衡模塊22還經(jīng)由第二節(jié)點26被連接到運算放大器11的倒相端子運算放大器11被配備:用于電源電壓Vl的第一電源端子32、連接到接地端子GND的第二電源端子33、以及用于差值輸出信號Srat的第五輸出端子24,差值輸出信號Srat能夠是輸出電壓V—。第五輸出端子24通過輸出電阻器Rtjut被連接到第三輸出端子10。
[0088]輸出電壓Vrat由施加于非倒相端子“ + ”和倒相端子“一”的電壓的差值，乘以運算放大器11的增益因子Atjp給出。尤其是，運算放大器11被配置成呈現(xiàn)的帶寬至少包含第一天線的帶寬，例如范圍從0.1MHz到10MHz的帶寬。運算放大器11能夠包含一個或多個差動放大器，各借助差動配置的晶體管對實現(xiàn)。多個放大級能夠被包含在運算放大器11中，以達到希望的放大器增益。第一電阻器R1、第二電阻器R2和反饋電阻器Rf表明各自能夠被選擇的電阻值，以設(shè)計運算放大器11的增益因子Atjp,并分別與第一天線I和第二天線2的阻抗匹配。
[0089]此外，按照一具體實施例，運算放大器11是按非倒相負反饋配置，且反饋電阻器Rf被連接在第五輸出端子24和第二節(jié)點26之間，第二節(jié)點26又被連接到倒相端負反饋配置允許獲得差值模塊600可預(yù)測的性能。第一均衡器20和第二均衡器21能夠被用于補償?shù)谝惶炀€I和第二天線2的頻率響應(yīng)的可能差別。
[0090]操作時，第一天線I與第二天線2被同時采用。第一天線I按照它的有效面積圖，拾取放電信號sd、噪聲信號Sn成分以及電源電磁信號Ssup,并產(chǎn)生第一接收的電信號sinl。第二天線2按照它相應(yīng)的有效面積圖,拾取噪聲信號Sn和放電信號Sd的一部分,并產(chǎn)生第二接收的電信號Sin2。第二天線2還能夠拾取電源電磁信號Ssup。
[0091]第一接收的電信號Sinl和第二接收的電信號Sin2被饋送到差值模塊600。例如參照圖5的實施例，第一接收的電信號Sinl和第二接收的電信號Sin2，分別被第一高通濾波模塊19和第二高通濾波模塊21濾波。任選的第一均衡模塊20和第二均衡模塊22作用在第一接收的電信號Sinl和第二接收的電信號Sin2上，以便均衡第一天線I和第二天線2的頻率響應(yīng)差別，并且獲得第一輸入信號S1和第二輸入信號S2。
[0092]應(yīng)當指出，多虧上面描述的關(guān)于第一天線I和第二天線2的有效面積的條件，第一輸入信號S1*載的放電信號Sd成分大于由基本上代表噪聲Sn成分的第二輸入信號S2承載的放電信號Sd成分。
[0093]第一輸入信號S1被饋送至運算放大器11的非倒相端子“ + ”而第二輸入信號S2被饋送至運算放大器11的倒相端子“ 一”。運算放大器11完成第一輸入信號S1與第二輸入信號S2之間的差值運算，產(chǎn)生輸出的差值信號Stjut，其中噪聲成分被縮減或大體上被移除。運算放大器11允許從第一輸入信號S1中減去第二輸入信號S2中存在的噪聲成分。
[0094]圖6示出同步模塊200的實施例，它包括放大器模塊27，諸如高增益緩沖放大器，有被連接到第三輸入端子16的輸入和被連接到低通濾波器模塊29的第六輸出端子28。高增益緩沖放大器27還配備用于電源電壓Vl的第三電源端子30，以及被連接到接地端子GND的第四電源端子31。舉例說，高增益緩沖放大器27是電壓放大器并有大于100的增益。此外，高增益緩沖放大器27呈現(xiàn)的輸入一輸出阻抗>1ΜΩ，并能夠有低于IkHz的總帶寬。作為例子，低通濾波器模塊29包含被連接在第六輸出端子28與第三節(jié)點34之間的第四電阻器R4，以及被連接在第三節(jié)點34與接地端子GND之間的第三電容器C3。第三節(jié)點34被連接到第四輸出端子17。
[0095]采集與分析裝置300能夠被包含在還含有部分放電檢測設(shè)備400的外殼中，或者能夠被包含在分開的外殼中。圖7示意示出采集與分析裝置300的實施例，它包括任選的寬帶可編程放大器71 (PGA)，寬帶可編程放大器71有被連接到差值模塊600的第三輸出端子10的輸入，和被連接到模數(shù)變換器72的相應(yīng)的輸出。采集與分析裝置300還包含控制模塊73，諸如，場可編程門陣列(FPGA)，它被構(gòu)建成控制寬帶可編程放大器71并從模數(shù)變換器72(ADC)接收數(shù)據(jù)。寬帶可編程放大器71能夠被編程，以便借助由控制模塊73提供的偏移信號Stjff和增益信號Sga，把偏移值和放大增益值給予差值輸出信號Stjut,由此產(chǎn)生被放大的輸出信號S_t。
[0096]舉例說，寬帶可編程放大器71允許從約_5dB到+40dB范圍的連續(xù)增益變化。模數(shù)變換器72被構(gòu)建成通過由控制模塊73產(chǎn)生的時鐘信號CK被同步，并產(chǎn)生被發(fā)送到控制模塊73的被變換的數(shù)據(jù)DTA。模數(shù)變換器，例如能以8比特的分辨率每秒變換250兆抽樣。該抽樣頻率允許以4ns的時間分辨率采集差值電信號S-。已經(jīng)觀察到，大多數(shù)部分放電脈沖常常比0.5μ s更長，采集與分析裝置300允許采集脈沖波形，并以包括在200與300之間的抽樣數(shù)量表示它。
[0097]尤其是，控制模塊73包含諸如微處理器的處理單元74 (PU)，以及諸如RAM (隨機存取存儲器)的存儲器75 (M)。更具體地說，該存儲器75能夠是循環(huán)緩沖器。處理單元74被連接到:定時模塊77 (TM)和被配置成接收第二同步電信號Ssyn2的同步邏輯模塊76 (SINL)。同步邏輯模塊76被構(gòu)建成測量第二同步電信號Ssyn2的相位，并把該測量值傳送到處理單元74。
[0098]此外，輸入/輸出端口 77允許把由處理單元74產(chǎn)生的輸出命令Comm，以偏移信號Stjff和增益信號Sga的形式，傳送到寬帶可編程放大器71?？刂颇K73還被配備觸發(fā)器模塊78 (TRLM)和被配置成產(chǎn)生地址的地址發(fā)生模塊79 (ADD-GEN)，這些地址是在處理單元74控制下，把新數(shù)據(jù)寫入存儲器75中和讀出存儲器75中存儲的數(shù)據(jù)所必需的。
[0099]觸發(fā)器模塊78被配置成,僅僅對被放大的輸出信號S_t的選定值,諸如,僅僅對具有的振幅(即，絕對值)大于閾值水平的正的或負的脈沖，觸發(fā)從寬帶可編程放大器71出來的被放大輸出信號S_t的抽樣的存儲。觸發(fā)器邏輯模塊78能夠是包括一個或多個模擬比較器的邏輯模塊，以便比較由模數(shù)變換器提供的抽樣值與一個或多個閾值。
[0100]此外，控制模塊73包括主接口模塊80 (INTF)，主接口模塊80允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞瞻l(fā)器81(TR)，例如，US/以太網(wǎng)(US/Ethernet)收發(fā)器，該收發(fā)器81被配置成通過有線或無線連接線路BD，與另外的(舉例說，在采集系統(tǒng)500外部的)處理器82交換數(shù)據(jù)/命令。該外部處理器被配置成處理和分析接收的數(shù)據(jù)，例如允許在監(jiān)控器上顯示放電脈沖性能或用于隨后的處理和查詢的存儲。
[0101]控制模塊73還能夠被配備與處理單元74連接的提取模塊83(如，協(xié)處理器C0-P)，該提取模塊83被配置成執(zhí)行提取，尤其是，從存儲器79中存儲的數(shù)據(jù)中實時提取脈沖特征。由協(xié)處理器提取的可能的脈沖特征的例子是:峰值和極性、相位、能量、持續(xù)時間和威伯爾參數(shù)(Weibull parameter)的粗略估算。
[0102]在控制模塊73操作時，采集被啟動并且處理單元74產(chǎn)生激活觸發(fā)器模塊78的信號，觸發(fā)器模塊78產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過讀取被放大的輸出信號S_t的抽樣相對于第二同步信號Ssyn2的相位角，允許存儲選定的抽樣。收集的數(shù)據(jù)能夠被發(fā)送到外部處理器82。
[0103]部分放電采集系統(tǒng)500還能夠包含一個或多個電池，以便向上述模塊供應(yīng)電壓。
[0104]圖8A和8B示出部分放電采集系統(tǒng)500優(yōu)選實施例的兩個不同視圖，該部分放電采集系統(tǒng)500已經(jīng)由 申請人:實現(xiàn)，并包括第一天線1、第二天線2和支承結(jié)構(gòu)3的具體實施例。更詳細地說，第一天線I是定向天線，且尤其是寬帶的、非諧振的天線，包括第一天線導(dǎo)體90和用作接地平面的平面導(dǎo)體91。第一天線導(dǎo)體90被相對于平面導(dǎo)體91電隔離，且它們作為第一天線I的兩極操作。尤其是，第一天線導(dǎo)體90是球形形狀的，并包含諸如金屬或聚合物材料的導(dǎo)電材料的空心球。該球形形狀的第一天線導(dǎo)體90，例如有包括在3和30cm之間，可取的是在5和20cm之間的直徑。
[0105]第一天線導(dǎo)體90由絕緣的支承93支承，支承93被固定在支承結(jié)構(gòu)3上，按照已做成的例子，支承結(jié)構(gòu)3是包含電子電路的印刷電路板(PCB)，對應(yīng)于差值模塊600、同步模塊200和采集與分析模塊300。接地平面91被放置在面對天線導(dǎo)體90的支承結(jié)構(gòu)3的第一側(cè)，并按金屬片層實現(xiàn)。
[0106]按照已做成的例子，第二天線2包括能夠是第一天線I同一接地平面91的相應(yīng)接地平面，以及第二天線導(dǎo)體94。第二天線導(dǎo)體94是電學(xué)上的小天線，被設(shè)計成如同第一天線導(dǎo)體90 —樣獲得類似的電特征，且在關(guān)心的頻帶中是非諧振的。尤其是，第二天線導(dǎo)體94能夠是小的偶極子、環(huán)形的或螺旋形的天線。在圖8A和8B給出的實施例中，第二天線導(dǎo)體94是貼片天線，在支承結(jié)構(gòu)3的與第一側(cè)相對著的第二側(cè)中實現(xiàn)。按照一例子，貼片天線94由一定面積的銅做成,該面積覆蓋1/4和1/2之間的支承結(jié)構(gòu)3,當1.6mm厚的FR4片層被用于制作印刷電路板3時，該支承結(jié)構(gòu)3還作為印刷電路板起作用。這樣提供與第一天線導(dǎo)體90類似的電特征。印刷電路板3在兩側(cè)被配備電端子，用于接觸第一天線導(dǎo)體90和第二天線導(dǎo)體94。
[0107]圖8A和8B所示實施例，允許非常緊湊和結(jié)實的實施方案，確保合適的互補輻射圖，并且不影響第一天線導(dǎo)體90的頻率響應(yīng)，因此不使接收的部分放電脈沖Sd畸變。由于接地平面91的存在，如圖4所示，第一天線I和第二天線2的輻射圖是定向的，所以向相反的半空間延伸。這樣分別為第一天線I和第二天線2的部分放電信號Sd和環(huán)境噪聲5?提供顯露(exposit1n)和靈敏度,呈現(xiàn)良好性能。
[0108]按照另外的實施例，第一天線導(dǎo)體90還能夠有另外的兩維或三維的形狀，諸如平面形狀，如:三角形、月角(cusp)形或盤形。第一天線導(dǎo)體90能夠類似于專利申請W0-A-2009-150627中描述的天線。
[0109]圖9示出用部分放電采集系統(tǒng)500進行的測試結(jié)果，該部分放電采集系統(tǒng)500是按照參考圖8A和8B描述的實施例實現(xiàn)的。實驗設(shè)施采用了用Tektronix AFG3102任意波形發(fā)生器實現(xiàn)的模擬部分放電源，被設(shè)置以便產(chǎn)生脈沖信號的規(guī)則圖形(周期I μ S，上升/下降時間10/20ns)，被連接到1cm長偶極子天線。該實驗采用的第一天線I包含球形形狀的第一天線導(dǎo)體90，具有7cm的直徑。
[0110]部分放電采集系統(tǒng)500被放置在離模擬的H)源約20cm，把第一天線I指向它。由于存在開關(guān)變換器(switching converter)和電機,測試是在極其噪雜的環(huán)境中進行的。
[0111]Tektronix DS03034數(shù)字示波器(四通道、帶寬350MHz)被連接到第一和第二天線每一個的第一輸出端子6和第二輸出端子9,并在第三輸出端子10接收差值電信號Sdiff。
[0112]三個得到的波形被示于圖9:上部波形Wn是第二天線2的輸出、中央波形Wpd是第一天線I的輸出、下部波形Wd是部分放電采集系統(tǒng)500的輸出。應(yīng)當指出，第一天線I和第二天線2 二者接收到強的噪聲脈沖串(大于200mVpp)，顯著地大于接收的H)脈沖。如所預(yù)料，由于第二天線2的方向性，在從第二天線2接收的波形wn(上部波形)中，ro脈沖不可見，雖然它們能夠在第一天線波形Wpd中被識別，但相對地被噪聲埋藏。應(yīng)當指出，噪聲脈沖串按相同方式被兩個天線檢測。就像能夠看到那樣，在部分放電采集系統(tǒng)500的輸出處取得的差值波形Wd，卻有極大地改進了的信/噪比，事實上，ro脈沖清晰可見且噪聲被強烈衰減(注意20mV的豎直刻度)。
[0113]關(guān)于部分放電檢測系統(tǒng)500的另外實施例，第一天線I和/或第二天線2，能夠在便攜式盒子外部，該盒子包含部分放電檢測設(shè)備400并分別由第一連接線路5和第二連接線路9連接到差值模塊600，這些線路是對應(yīng)的電纜。按照該實施例，第一天線I和第二天線2中的至少之一是定向天線。
[0114]可取的是，如圖1所示，第一天線I被容納在包括部分放電檢測設(shè)備400的盒子中，而第二天線2在部分放電檢測設(shè)備400外部并能夠被移動，以便被適當?shù)厝∠?。按照該?yōu)選實施例，第二天線2是定向天線，例如有如圖4所示的第二輻射圖RD2。
[0115]按照該優(yōu)選實施例，部分放電檢測設(shè)備400被定位，以便使第一天線I朝電物體100取向，用于接收部分放電信號Sd，因此對部分放電信號Sd的入射方向，呈現(xiàn)第一接收有效面積?？梢苿拥牡诙炀€2被取向，以便接收電磁噪聲信號Sn并且對部分放電信號Sd的入射方向，呈現(xiàn)第二接收有效面積，該第二接收有效面積小于所述第一接收有效面積。第一天線I被取向成對部分放電信號Sd比第二天線2更靈敏。第二天線2被取向成對電磁噪聲信號Sn比第一天線I更靈敏。移動第二天線2的可能性，允許與由第一天線I接收的部分放電信號Sd的功率量相比，降低由第二天線2接收的部分放電信號Sd的功率量。由第一天線I和第二天線2產(chǎn)生的電信號的處理類似于上面參考圖1的部分放電檢測設(shè)備400描述的處理。
【權(quán)利要求】
1.一種部分放電檢測設(shè)備,包括: 第一天線(I)，被配置成接收至少部分地與電物體(100)的部分放電相關(guān)聯(lián)的電磁信號(sd)，并產(chǎn)生第一電信號(Sinl);該第一天線對第一接收方向有第一接收有效面積； 第二天線(2)，被配置成接收電磁噪聲信號(Sn)，并產(chǎn)生第二電信號(Sin2);該第一天線和該第二天線被安排成使第二天線對所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面積的第二接收有效面積；和 第一處理模塊(600)，被配置成接收所述第一電信號和所述第二電信號，并產(chǎn)生代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電信號(Stjut)。
2.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該第一天線(I)和該第二天線(2)被放置在共用的支承結(jié)構(gòu)⑶上。
3.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中該第一天線(I)和該第二天線(2)中的至少之一是定向天線。
4.權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中該第一天線和該第二天線二者都是定向天線。
5.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 第一天線(I)對不同于所述第一接收方向的第二接收方向有第三有效面積； 第二天線(2)對第二接收方向有第四有效面積； 其中，第二天線的第四有效面積等于或大于第一天線的第三有效面積。
6.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 第一天線(I)被安排，以便在包含在第一半空間中的第一輻射圖(RDl)中有至少90%的相應(yīng)的接收功率； 第二天線(2)被安排，以便在包含在與第一半空間相對著的第二半空間中的第二輻射圖(RD2)中有至少90%的對應(yīng)的接收功率。
7.權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中: 第一天線被安排在該支承結(jié)構(gòu)上，以便對位于第一半空間的入射方向呈現(xiàn)相應(yīng)接收增益的最大值；和 第二天線被安排在該支承結(jié)構(gòu)上，以便對位于第一半空間的另外的入射方向呈現(xiàn)相應(yīng)接收增益的最大值。
8.權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中第一天線(I)包含: 第一天線導(dǎo)體(90);和 平面導(dǎo)體(91)，被配置成作為第一天線導(dǎo)體的接地平面工作。
9.權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中第二天線還包含:第二天線導(dǎo)體(94)，其中所述平面導(dǎo)體(91)被配置成也作為第二天線導(dǎo)體的接地平面工作。
10.權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中第一天線導(dǎo)體(94)是球形形狀的。
11.權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中第二天線導(dǎo)體是貼片天線。
12.權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述支承結(jié)構(gòu)(3)包括平面部分，該平面部分包含: 其上安裝第一天線導(dǎo)體(90)的第一側(cè)；和 與第一側(cè)相對著的第二側(cè)，其上安裝所述第二天線導(dǎo)體(94)。
13.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述支承結(jié)構(gòu)(3)包括含有所述第一處理模塊(600)的印刷電路板。
14.權(quán)利要求11或13所述的設(shè)備，其中: 所述印刷電路板包括連接到第一天線(I)和第二天線(2)的電端子；和 支承元件(93)，把第一天線導(dǎo)體(90)機械連接到該印刷電路板。
15.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一處理模塊(600)包括差值模塊，該差值模塊被配置成產(chǎn)生所述差值電信號(S?！?，并屬于由下列構(gòu)成的組:有源電子部件(11)、電壓變壓器(12)、中心抽頭電壓變壓器。
16.權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中:所述第一天線被構(gòu)建成通過電容耦合檢測代表向電物體(100)供應(yīng)的電壓的趨勢的同步電信號(Ssynl)。
17.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中所述第一處理模塊(600)還包括: 第一高通濾波模塊(19)，被連接到第一天線；和 第二高通濾波模塊，被連接到第二天線； 其中該第一高通濾波模塊和該第二高通濾波模塊，被配置成從所述第一電信號(Sinl)和第二電信號(Sin2)去耦同步電信號。
18.權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述有源電子部件包括: 按非倒相負反饋配置的運算放大器，且包括: 非倒相端子，被配置成接收所述第一電信號(Sinl)； 倒相端子，被配置成接收所述第二電信號(Sin2);和 輸出端子(24)，被配置成提供代表第一電信號和第二電信號之間差值的差值電信號(S0Ut) ?
19.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，還包含同步模塊(200)，被配置用于放大所述同步電信號(Ssynl)并提供被放大的同步電信號(Ssyn2)。
20.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包含采集與分析裝置(300)，該裝置包括: 數(shù)模變換器(72)，被構(gòu)建成從所述差值電信號(Stjut)產(chǎn)生多個對應(yīng)抽樣； 采集觸發(fā)器模塊(78)，用于從所述多個抽樣選擇采集抽樣； 存儲器(75)，被配置成存儲選擇的采集抽樣； 處理器(74)，被構(gòu)建成產(chǎn)生要發(fā)送到采集觸發(fā)器模塊(78)和存儲器(75)的命令信號。
21.權(quán)利要求19和20所述的設(shè)備，還包含測量模塊(76)，被構(gòu)建成接收所述被放大的同步電信號(Ssyn2)并向所述處理器(74)提供電參數(shù)。
22.權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述采集與分析裝置(300)還包含收發(fā)器模塊(81)，該收發(fā)器模塊被構(gòu)建成向/從外部處理器模塊(82)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)/命令。
23.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一天線被配置成接收具有包含在0.1MHz-lOOMHz范圍中的頻率的信號，而第二天線被配置成接收具有包含在0.1MHz-lOOMHz范圍中的頻率的信號。
24.—種部分放電檢測方法，包括: 定位第一天線(I)，以便對第一接收方向有第一接收有效面積； 由第一天線接收至少部分地與電物體(100)的部分放電相關(guān)聯(lián)的電磁信號(Sd)； 由第一天線產(chǎn)生與該接收的電磁信號(Sd)對應(yīng)的第一電信號(Sinl)； 定位第二天線(2)，以便對所述第一接收方向有小于所述第一接收有效面積的第二接收有效面積；第一天線和第二天線中的至少之一是定向天線， 由第二天線接收電磁噪聲信號(Sn)； 由第二天線產(chǎn)生與所述接收的電磁噪聲信號(Sn)對應(yīng)的第二電信號(Sin2)； 處理所述第一電信號和第二電信號，以便產(chǎn)生代表第一電信號與第二電信號之間差值的差值電信號(SJ。
【文檔編號】G01R31/12GK104380125SQ201280073918
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月14日
【發(fā)明者】R·坎德拉, A·迪·斯特法諾, G·菲絲賽麗, G·C·吉阿考尼亞 申請人:普睿司曼股份公司