包括电容耦合电场传感器的局部放电获取系统专利检索-输出电压电路专利检索查询-专利查询网

包括电容耦合 电场 传感器的局部放电获取系统

阅读：5发布：2024-01-12

专利汇可以提供包括电容耦合电场传感器的局部放电获取系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且局部放电检测设备(400)包括电场传感器 (401)，该电场传感器(401)包括：第一电极 (404)，配置为通过电容耦合检测由电对象(103)生成的局部放电信号 (SPD)以及提供对应第一电信号 (S1PD)，以及第二电极(405)，与第一电极隔离以及构造为检测环境噪声以及提供对应第二电信号(S1N)。检测设备还包括构造为朝向外部分析装置(300)传播从电场传感器(401)获得的输出信号 (S5PD)的传输线路(403)以及连接至第一电极和第二电极并且构造为处理第一电信号和第二电信号以及向传输线路(403)提供输出信号的电子模块 (402)。电子模块被构造为使电场传感器从传输线路去耦以及避免电场传感器与传输线路的谐振。，下面是包括电容耦合电场传感器的局部放电获取系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种局部放电检测设备(400)，包括：
电场传感器(401)，包括：
第一电极(404)，被配置为通过电容耦合检测由电对象(103)生成的局部放电信号(SPD)以及提供对应的第一电信号(S1PD)，以及
第二电极(405)，与所述第一电极(404)隔离以及被构造为检测环境噪声以及提供对应的第二电信号(S1N)；
传输线路(403)，被构造为朝向外部分析装置(300)传播从所述电场传感器(401)获得的输出信号(S5PD)；以及
 电子模块(402)，被连接至所述第一电极和所述第二电极(404、405)以及被构造为处理所述第一电信号和所述第二电信号(S1PD、S1N)以及向所述传输线路(403)提供所述输出信号；
其中所述电子模块(402)被构造为在通过所述传输线路(403)传播输出信号(S5PD)时使所述电场传感器(401)从所述传输线路(403)去耦以及基本上避免所述电场传感器与所述传输线路(403)的谐振，并且所述电子模块(402)包括差分放大器(412、418)，所述差分放大器被电连接至所述第一电极和所述第二电极(404、405)以及具有与从所述差分放大器看到的输出负载无关的输入阻抗。
2.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电子模块(402)显示大于
1kΩ的相应输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中：
所述第一电极(404)被构造为提供包括噪声分量的所述第一电信号(S1PD)，以及所述差分放大器(418)被构造为放大通过所述第一电信号(S1PD)与所述第二电信号(S1N)获得的差信号，以基本上去除所述噪声分量。
4.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电子模块(402)还包括：
高通滤波模块(411)，被连接至所述第一电极(404)和第二电极(405)，以对所述第一电信号和第二电信号(S1PD、S1N)进行滤波以及向具有被构造为产生第一放大的局部放电信号(S3PD)的相应输出的所述差分放大器(412)提供对应的第一滤波信号(S2PD)和第二滤波信号(SHN)。
5.根据权利要求4所述的局部放电检测设备(400)，其中所述高通滤波模块(411)被构造为显示由0.1Hz的下限频率和包括在10MHz-100MHz范围中的上限频率限定的带宽。
6.根据权利要求4所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电子模块(402)还包括：
输出滤波模块(413)，被构造为对所述放大的局部放电信号(S3PD)进行滤波以及产生第二放大的局部放电信号(S4PD)；以及
阻抗匹配模块(414)，被构造为接收所述第二放大的局部放电信号(S4PD)以及在所述传输线路(403)上提供传输局部放电信号(S5PD)。
7.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电场传感器(401)被构造为在操作中将所述第一电极(404)放置在距所述电对象第一距离处以及将所述第二电极(405)放置在距所述电对象第二距离处；其中第二距离大于所述第一距离。
8.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述第一电极(404)还被构造为从所述电对象(103)检测表示供应所述电对象(103)的AC 电压的同步检测信号(S1AC)；以及
所述电子模块(402)被配置为处理所述同步检测信号(S1AC)以及在所述传输线路(403)上提供输出同步检测信号(S4AC)。
9.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电场传感器(401)还包括布置在所述第一电极(404)与所述第二电极之间的绝缘层(406)。
10.根据权利要求9所述的局部放电检测设备(400)，其中：
所述第一电极和第二电极(404、405)由平坦的导电片制成；
所述第一电极与第二电极(404、405)之间的距离被包括在1mm-10mm范围中。
11.根据权利要求1所述的局部放电检测设备(400)，其中所述第一电极(404)显示由低于10pF的电容限定的与所述第二电极(405)的电容耦合。
12.根据权利要求6所述的局部放电检测设备(400)，其中所述传输线路(403)包括下列线路中的至少一个：传输对、双绞线、同轴电缆。
13.根据权利要求8所述的局部放电检测设备(400)，其中所述传输线路(403)包括：
第一双绞线(420)，被构造为传播所述传输局部放电信号(S5PD)；以及
第二双绞线(425)，被构造为传播所述输出同步检测信号(S4AC)。
14.根据权利要求7所述的局部放电检测设备(400)，其中所述电场传感器(401)包括保持所述第一电极(404)、所述第二电极(405)和所述电子模块(402)的盒(429)；所述第一电极(404)被配置为对于低于10mm的所述第一距离的值显示与所述电对象(103)的电容耦合。
15.一种用于获取局部放电信号的方法，包括：
提供电场传感器(401)，包括电容地耦合至电对象(103)的第一电极(404)和与所述第一电极(404)隔离的第二电极(405)；
由所述第一电极检测由所述电对象(103)生成的局部放电信号(SPD)以及提供对应的第一电信号(S1PD)，
由所述第二电极检测环境噪声以及提供对应的第二电信号(S1N)；
处理所述第一电信号和第二电信号(S1PD、S1N)以及提供要在传输线路(403)上传播的输出信号；
在通过所述传输线路(403)传播输出信号(S5PD)时使所述电场传感器(401)从所述传输线路(403)去耦以基本上避免所述电场传感器(401)与所述传输线路(403)的谐振；
通过所述传输线路(403)传播所述输出信号(S5PD)；
处理从所述传输线路(403)接收的所述输出信号(S5PD)以提供局部放电幅度值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中处理所述第一电信号和第二电信号包括：从所述第一电信号减去所述第二电信号。

说明书全文

包括电容耦合 电场 传感器的局部放电获取系统

技术领域

[0001] 本发明涉及局部放电检测和获取系统，以及特别地涉及局部放电传感器。

背景技术

[0002] 局部放电检测特别地用于识别和测量电组件和装置中的局部放电，诸如：中压、高电压或者超高电压电缆、电缆接头、架空线路绝缘体、中压和高电压开关板盒、使用GIS(气体绝缘开关设备)的高电压和超高电压电缆。

[0003] 术语局部放电旨在指示电子组件的电介质(绝缘)材料中发生的电荷的非期望复合，当后者具有各种类型的缺陷时，最终导致电介质破坏。在这里，在电介质材料的部分中生成脉冲电流以及该脉冲电流使得电磁波传播通过相关电力系统的电力电缆或者接地电缆，以及辐射穿过各种周围介质(电介质材料、金属、空气等等)。

[0004] 为了对AC(交流电流)电组件执行局部放电测量，必须检测相位基准信号，即，在相位和频率上与AC电组件的AC电压供电同步的信号。

[0005] 在提供关于相位基准信号的所检测局部放电脉冲的表示的获取和分析设备中对所检测的局部放电信号和相位基准信号进行处理，这允许对测试中的电对象进行最终诊断。

[0006] 文档WO-A-2009-150627特别描述了小尺寸的、完全绝缘的以及自供电的局部放电检测设备，其允许以最高安全性执行测量而不需要直接连接至检查中的系统。该局部放电检测设备还可以检测通过拾取放电产生组件的供应电压获得的同步信号。

[0007] 文档EP0984289描述了用于气体绝缘装置(GIS)的局部放电检测器，其设置有天线单元、同轴电缆和连接至同轴电缆的远程测量单元。

[0008] K.W.Lee等人在2003年6月1日-5日在名古屋的Proceedings of the International Conference of Properties and applications of Dielectric Materials的文档“Design and application of electric-field sensor for measuring PD signals in high voltage equipments”描述了局部放电电容器传感器，该局部放电电容器传感器包括连接至输入端子的第一铝片以及连接至输出端子的第二铝片和放置在两个片之间的聚酯膜。所描述的具有大约1400pF的电容的电容器传感器示出9.8MHz的谐振频率。

发明内容

[0009] 申请人观察到已知局部放电电场传感器没有参照所检测局部放电脉冲的形状的保留提供令人满意的性能。特别地，申请人注意到现有技术没有解决借助于传输线路朝向获取和分析装置传输所检测的局部放电脉冲时的性能问题。

[0010] 事实上，申请人观察到传输线路具有天然电感(或者电容性)行为以及可能与电场传感器谐振，因此使所检测的感测到的局部放电脉冲畸变。

[0011] 因此，已经发现，在不使电场传感器受到传输线路本身的天然电感(或者电容性)行为影响的情况下，远离其谐振频率操作电场传感器以及随后通过传输线路向获取和分析装置传输所检测的局部放电脉冲是方便的。

[0012] 申请人已经发现包括构造为使电场传感器从传输线路去耦的电子电路的局部放电电场传感器允许避免传输线路与电场传感器的谐振。

[0013] 根据第一方面，本发明涉及局部放电检测设备，包括：

[0014] 电场传感器包括：第一电极，配置为通过电容耦合检测由电对象生成的局部放电信号以及提供对应第一电信号，以及第二电极，与第一电极隔离以及构造为检测环境噪声以及提供对应第二电信号；

[0015] 传输线路，构造为朝向外部分析装置传播从电场传感器获得的输出信号；以及[0016] 电子模块，连接至第一电极和第二电极以及构造为处理第一电信号和第二电信号以及向传输线路提供输出信号；其中电子模块被构造为使电场传感器从传输线路去耦以便基本上避免电场传感器与传输线路的谐振。

[0017] 在实施例中，所述电子模块包括：差分放大器，电连接至第一电极和第二电极，以及具有与从所述差分放大器看到的输出负载无关的输入阻抗。特别地，当输出负载的变化不引起输入阻抗的显著变化时，电子电路的输入阻抗旨在与相同电子电路的输出负载无关。优选地，电子模块显示大于1kΩ的输入阻抗。特别地，第一电极被构造为提供包括噪声分量的第一电信号，以及差分放大器被构造为放大从第一电信号与所述第二电信号获得的差信号，以基本上去除噪声分量。

[0018] 特别地，所述电子模块还包括：高通滤波模块，连接至第一电极和第二电极，以对第一电信号和第二电信号进行滤波以及向具有构造为产生第一放大局部放电信号的相应输出的差分放大器提供对应的第一滤波信号和第二滤波信号。特别地，高通滤波模块被构造为显示由0.1MHz的下限频率以及包括在10MHz-100MHz范围中的上限频率限定的带宽。

[0019] 有利地，所述电子模块还包括：输出滤波模块，构造为对放大的局部放电信号进行滤波以及产生第二放大局部放电信号；以及阻抗匹配模块，构造为接收第二放大局部放电信号以及在传输线路上提供传输局部放电信号。

[0020] 根据本发明的实施例，电场传感器被构造为在操作中将第一电极放置在距电对象第一距离处以及将第二电极放置在距电对象第二距离处；其中第二距离大于第一距离。

[0021] 有利地，所述第一电极还构造为从电对象检测同步检测信号，表示供应电对象的AC电压；以及电子模块被配置为处理同步检测信号以及在传输线路上提供输出同步检测信号。

[0022] 有利地，所述电场传感器还包括布置在第一电极与第二电极之间的绝缘层。

[0023] 根据实施例，第一电极和第二电极由平坦的导电片制成；第一电极与第二电极之间的距离包括在1mm-10mm范围中。优选地，第一电极显示由低于10pF的电容限定的与第二电极的电容耦合。

[0024] 根据特定实施例，所述传输线路包括下列线路中的至少一个：传输对、双绞线、同轴电缆。有利地，传输线路包括第一双绞线，构造为传播传输局部放电信号以及第二双绞线，构造为传播输出同步检测信号，优选地，第一双绞线和第二双绞线包括在单个电缆中。

[0025] 特别地，电场传感器包括容纳第一电极、第二电极和电子模块的盒；第一电极(404)被配置为对于低于10mm的所述第一距离的值显示与电对象(103)的电容耦合。

[0026] 根据第二方面，本发明涉及用于获取局部放电信号的方法，包括：

[0027] -提供电场传感器，包括电容地耦合至电对象的第一电极和与第一电极隔离的第二电极；

[0028] -由所述第一电极检测由电对象生成的局部放电信号以及提供对应第一电信号，[0029] -由所述第二电极检测环境噪声以及提供对应第二电信号；

[0030] -处理第一电信号和第二电信号以及提供要在传输线路上传播的输出信号；

[0031] -使电场传感器从传输线路去耦以基本上避免电场传感器与传输线路的谐振；

[0032] -通过传输线路传播输出信号；

[0033] -处理从传输线路接收的输出信号以提供局部放电幅度值。

[0034] 特别地，处理第一电信号和第二电信号包括从第一电信号减去第二电信号。附图说明

[0035] 另外的特征和优点将通过参照附图以示例方式给出的优选实施例以及其替换方案的下列描述变得更加显而易见，在附图中：

[0036] 图1示出了电装置的示例以及包括检测装置和分析设备的局部放电获取系统的特定实施例；

[0037] 图2示出了可在所述检测装置中使用的电场传感器的实施例，该电场传感器连接至电子电路模块，该电子电路模块又连接至传输线路；

[0038] 图4示意性地示出了可在所述局部放电获取系统中使用的分析设备300的示例；

[0039] 图5A和图5B涉及关于局部放电脉冲检测的实验结果。

具体实施方式

[0040] 在下列描述中，相同的附图标记描绘在不同附图中时用于相似的示例性元件。

[0041] 图1示出了电装置100的示例以及包括检测装置400和分析设备300的局部放电获取系统500的特定实施例。局部放电获取系统500是可用于检测、测量和/或分析由电源(如，电装置100本身)产生的局部放电的电子装置。电装置100可以包括任何种类的电组件、设备、装置或者系统，诸如示例：中压或者高电压电缆、电缆接头、架空线路绝缘体、中压或者高电压开关板盒、中压或者高电压终端、使用GIS(气体绝缘开关设备)的高电压和超高电压电缆、电动机或者发电机或者中压或者高压变压器。

[0042] 特别地，电装置100包括借助于第一电缆102馈以AC(交流电流)电压的第一电设备101，诸如，通过示例的方式，如图1所示的中压或者高压终端(MV/HV终端)。根据所描述的实施例，电装置100还包括第二电设备103，诸如例如，使第一电缆102与第二电缆104接合的电缆接头或者跨接线接头。作为示例，高电压终端101和/或电缆接头103可以产生以及放射由AC电压产生的以及与AC电压同步的同步信号SAC。典型地，AC电压具有包括在1Hz至大约
1000Hz之间的频率。另外，在特定情况下，高电压终端101和/或电缆接头103可以产生局部放电信号SPD。局部放电信号SPD包括具有0.1MHz至100MHz范围中包括的频率的电磁波脉冲。

[0043] 如图1所示，检测装置400包括电场传感器401和传感器盒429中容纳的电子电路模块402以及传输线路403。参照图2，电场传感器401包括第一导电电极404和第二导电电极405，根据示例由相应导电片制成，诸如，作为示例具有低于0.05mm的厚度(优选地包括在
0.01mm与0.05mm之间)的金属片。根据示例，第一电极404和第二电极405两者具有扁平的矩形或者四边形形状。作为示例，第一导电电极404和第二导电电极405两者可以由铜片、铝片或者聚合物片制成。特别地，根据特定实施例，第一导电电极404(在下文中也称为“第一电极”)示出了100mm的长度以及25mm的宽度，第一导电电极404可以与第二导电电极405(在下文中也称为“第二电极”)相同。由于较小尺寸降低灵敏度，较大尺寸增大灵敏度，因此可以观察到第一电极404和第二电极405的尺寸影响电场传感器401的灵敏度。第一电极404和第二电极405可以具有包括在0.1cm2与200cm2之间的范围中的相应面积。根据另一个示例，第一电极404和第二电极405两者可以是由导电塑料或者硅酮材料(作为示例)制成的导电聚合物片或者半导电聚合物片。

[0044] 参照图2所示的特定实施例，第一电极404与第二电极405相对，以及优选地，绝缘层406插入在第一电极404与第二电极405之间。绝缘层406还充当第一电极404和第二电极405的支承基座。作为示例，绝缘层406包括较大百分比的空气以显示低介电常数，即，接近1的介电常数。特别地，塑料泡沫和/或气泡包裹箔片可以用于形成绝缘层406。绝缘层406可以显示包括到范围1mm-10mm中的厚度，优选地3mm-7mm，更优选地厚度为5mm。根据另一个示例，可以将第一电极404和第二电极405放置在绝缘层406的相同侧上，但在它们之间有空隙(例如，大约5mm)，以避免电接触。

[0045] 有利地，电场传感器401被设计为在第一电极404与第二电极405之间产生非常低的电容耦合。特别地，即使电场传感器401可以显示本征电容器行为，它也被设计为减少或者消除该行为。作为示例，电场传感器401在第一电极404与第二电极405之间显示低于10pF的电容，优选地低于8pF，例如，可能的电容值为5pF。另一方面，由于第一电极404和第二电极405优选地感测由于周围环境而产生的相似电场，因此用以减小电容耦合的第一电极404与第二电极405之间的过大距离并不方便。特别地，如将在稍后更清楚的，第一电极404与第二电极405之间的距离影响信噪比：较大距离降低信噪比。上面已经参照绝缘层406的厚度指示了第一电极404与第二电极405之间合适的距离值。申请人注意5mm的距离值对于第一导电电极404和第二导电电极405显示25×100mm的尺寸的示例尤其方便。

[0046] 根据优选实施例，第一电极404和第二电极405(用金属片或者导电聚合物片实现)具有矩形形状、有大约25×100mm以及由轻聚乙烯炮沫或者具有非常低的介电常数(尽可能接近1，与空气相同)的其它等效绝缘材料的绝缘体层406分隔。在该情况下，电场传感器401非常柔软以及可以容易地弯曲，通过将导电橡胶用于第一电极404和第二电极405，它的质量进一步提高。

[0047] 电场传感器401是能够感测附近电场的变化的无源设备。特别地，电场传感器401被配置为检测与作为示例由电缆接头103产生的局部放电信号SPD相关联的电场变化。优选地，电场传感器401被配置为还检测与由电缆接头103产生的同步信号SAC相关联的电场变化。根据实施例，电场传感器401可以感测具有范围从0.1Hz到至少100MHz的频带中的频率的信号，以允许检测与AC电压相关联的局部放电信号和同步信号两者。

[0048] 根据所描述的实施例，第一电极404被选择以检测局部放电信号SPD和同步信号SAC，而第二电极405被选择以提供作为示例可通过检测来自环境的电磁场和噪声SEMN获得的电压基准信号。考虑到电缆接头103是测试中的对象，在操作中，将在距电缆接头103第一距离d1处放置第一电极404，该第一距离d1低于第二电极405与电缆接头103之间的第二距离d2：d1

[0049] 可以观察到如果第二电极405被选择以检测局部放电信号SPD和同步信号SAC，则第二电极405被选择以提供电压基准信号：将第二电极405比第一电极404更靠近电缆接头103放置(d2

[0050] 用于检测局部放电信号SPD和同步信号SAC的电极(例如，第一电极404)被配置为非常靠近测试中的电对象(即，电缆接头103)放置，以及优选地电场传感器盒429与电对象本身的绝缘护套或者绝缘材料直接接触。作为示例，第一电极405距测试中的电对象(例如，电缆接头103)的距离低于10mm，优选地，低于5mm，更优选地低于3mm。

[0051] 图3示意性地示出了电子电路模块402的示例，该电子电路模块402包括电连接至第一电极404的第一输入端子407以及电连接至第二电极405的第二输入端子408。第一输入端子407被配置为接收与由第一电极404检测的局部放电信号SPD相对应的局部放电检测信号S1PD。第二输入端子408被配置为接收与由第二电极405检测的来自周围环境的电磁噪声SEMN(图1)相对应的基准/噪声检测信号S1N。

[0052] 电磁噪声SEM典型地具有0.1MHz至100MHz范围中包括的频率。特别地，第一输入端子407还可以被配置为接收与也由第一电极404检测的同步信号SAC相对应的同步检测信号S1AC。另外，电磁噪声SEMN也可以由第一电极404检测，以提供可以被看作与由第二电极405提供的基准/噪声检测信号S1N基本上相同的相应基准/噪声检测信号。

[0053] 更详细地，图3所示电子电路模块402设置有局部放电电路组件409和同步电路模块410。局部放电电路组件409包括：高通滤波模块411、第一放大模块412、第一输出滤波模块413和阻抗匹配模块414。

[0054] 局部放电电路组件409的高通滤波模块411连接至第一输入端子407以接收局部放电检测信号S1PD、同步检测信号S1AC和基准/噪声检测信号S1N。高通滤波模块411还连接至第二输入端子408以接收基准/噪声检测信号S1N，而由于第二电极405距电缆接头103的较大距离以较低电力接收局部放电检测信号S1PD和同步检测信号S1AC。高通滤波模块411是配置为从其输入处的信号提取高频分量的无源滤波器以及作为示例显示0.1MHz的转角频率：使得高通滤波模块411消除或者衰减具有低于0.1MHz的频率的信号分量。

[0055] 根据图3的示例，高通滤波模块411包括第一高通滤波器，该第一高通滤波器包括连接在第一输入端子407与第一节点N1之间的第一电容器C1。第一节点N1连接至第一电阻器R1，该第一电阻器R1还连接至接地端子GND。第一高通滤波器C1-R1被配置为从第一输入端子407处的信号提取局部放电检测信号S1PD以及拒绝同步检测信号S1AC，以提供经滤波的局部放电信号S2PD(例如，电压信号)。

[0056] 另外，高通滤波模块411包括第二高通滤波器，该第二高通滤波器包括连接在第二输入端子408与第二节点N2之间的第二电容器C2。第二节点N2连接至第二电阻器R2，该第二电阻器R2还连接至接地端子GND。第二高通滤波器C2-R2被配置为从噪声检测信号S1N提取高频分量，以提供第一过滤噪声信号SHN(例如，电压信号)。特别地，高通滤波模块411具有从电场传感器401看去高于1kΩ以及优选地包括在1kΩ-10MΩ的范围中的阻抗。

[0057] 第一放大模块412设置有第一高阻抗差分放大器418，该第一高阻抗差分放大器418具有连接至第一节点N1的非反相输入“+”以及连接至第二节点N2的反相输入“-”。第一高阻抗差分放大器418被配置为放大其输入处的信号(诸如经滤波的局部放电信号S2PD(还携带环境噪声分量)和第一过滤噪声信号SHN)之间的差，以在对应输出上提供放大的局部放电信号S3PD。第一放大模块412包括例如包括在1-10范围中的增益。

[0058] 第一高阻抗差分放大器418示出了允许参照高频信号(即，局部放电检测信号S1PD)将连接至电子电路模块402的输入的电场传感器401从连接至电子电路模块402的输出的传输线路403去耦(即，分离)的结构。该去耦避免电场传感器401与传输线路403直接地连接以及可能谐振，以避免电场传感器401显示对局部放电内容的谐振频率响应。特别地，第一高阻抗差分放大器418显示相对于工作频率恒定的输入阻抗。另外，优选地，输入阻抗(即，在输入端子处看到的阻抗)与相同第一高阻抗差分放大器418的输出负载(即，放大器负载，其是从高阻抗差分放大器418的输出端子看到的阻抗)无关。特别地，输出负载的变化不引起输入阻抗的变化。以这种方式，多亏第一高阻抗差分放大器418的存在，使得电场传感器401不受传输线路403的电感行为的影响。

[0059] 优选地，第一高阻抗差分放大器418显示高输入阻抗和低输出阻抗。例如，第一高阻抗差分放大器418显示高于1MΩ的输入阻抗。另外，例如，第一高阻抗差分放大器418的输出阻抗低于50Ω，优选地低于10Ω。根据该示例，在输入电子电路模块402处看到的阻抗高于1kΩ。这些阻抗值确保电场传感器401的操作不受电子电路模块402的影响。

[0060] 例如，第一高阻抗差分放大器418的频率带宽根据具体应用显示0.1MHz的下限频率以及包括在10MHz-100MHz范围中的上限频率。特别地，对于电缆上的局部放电测量，可以采用50MHz的上限频率；对于电动机上的局部放电测量，可以采用20MHz的上限频率以及关于变压器或者其它电设备，100MHz的上限频率是可取的。高阻抗差分放大器418可以包括具有单个输出的运算放大器，在差分配置中具有晶体管对。

[0061] 第一输出滤波模块413被配置为执行低通滤波(例如，从20MHz到100MHz)以减小由第一放大模块412放大的噪声以及产生输出局部放电信号S4PD。根据图3的示例，第一输出滤波模块413包括连接在第一放大模块412的输出与第三节点N3之间的第三电阻器R3，该第三节点N3借助于第三电容器C3连接至接地端子GND。第三节点N3借助于第一感应器L1连接至第四节点N4以及通过第四电容器C4连接至接地端子GND。多亏第一感应器L1，可以以快速响应使局部放电信号SPD衰减。

[0062] 阻抗匹配模块414连接在输出滤波模块413与传输线路403之间以及被配置为提供确保输出局部放电信号S4PD朝向传输线路403满意的电力传输的阻抗适配。优选地，阻抗匹配模块414还被配置为提供从单端配置到差分配置的转换。根据图3所示的示例，阻抗匹配模块414包括电子变压器419，该电子变压器419包括初级绕组W1和次级绕组W2。初级绕组W1连接在输出滤波模块413的第四节点N4与接地端子GND之间。特别地，次级绕组W2连接至具有例如100Ω的阻抗(差分)的传输线路403的局部放电传输线路420。电子变压器419的次级绕组W2被构造为向局部放电传输线路420提供传输局部放电信号S5PD。

[0063] 现在参照同步电路模块410，该同步电路模块410包括：低通滤波模块415、第二放大模块416和第二输出滤波模块417。低通滤波模块415连接至第一输入端子407以接收局部放电检测信号S1PD和同步检测信号S1AC(还包括环境分量)以及连接至第二输入端子408以接收噪声检测信号S1N。低通滤波模块415是配置为从其输入处的信号提取低频率分量的无源滤波器以及显示例如10kHz的转角频率：这样低通滤波模块415衰减或者消除具有高于10kHz的频率的信号分量(即，局部放电信号SPD)。

[0064] 根据图3的示例，低通滤波模块415包括第一低通滤波器，该第一低通滤波器包括连接在第二输入端子408与第五节点N5之间的第四电阻器R4。第五节点N5连接至第五电容器C5，该第五电容器还连接至接地端子GND。第一低通滤波器R4-C5被配置为从噪声检测信号S1N提取低频率分量，以提供第二过滤噪声信号SLN(例如，电压信号)。低通滤波模块415还包括第二低通滤波器，该第二低通滤波器包括连接在第一输入端子407与第六节点N6之间的第五电阻器R5，该第六节点N6借助于第六电容器C6连接至接地端子GND。第一低通滤波器R5-C6被配置为从第一输入端子407处的信号提取同步检测信号S1AC以及拒绝局部放电检测信号S1PD，以提供经滤波的同步检测信号S2AC。优选地，低通滤波模块415显示等于或者大于10MΩ的输入阻抗。

[0065] 第二放大模块416设置有第二高阻抗差分放大器421，该第二高阻抗差分放大器421具有连接至第六节点N6的非反相输入“+”以及连接至第五节点N5的反相输入“-”。第二高阻抗差分放大器421被配置为放大经滤波的同步检测信号S2AC(还包括环境噪声内容)与第二滤波噪声信号SLN之间的差以及在对应输出上提供放大的同步信号S3AC。第二高阻抗差分放大器421显示例如包括在100-1000范围中的增益以及等于或者大于10MΩ的输入阻抗。

[0066] 例如，第二高阻抗差分放大器421的频率带宽等于或者低于1kHz。可以观察到，对于同步检测信号S1AC的频率，电场传感器401不与传输线路403谐振。然而，第二高阻抗差分放大器421的阻抗允许将电场传感器401从传输线路403去耦。第二高阻抗差分放大器421可以包括具有单个输出的相应运算放大器，在差分配置中具有晶体管对。

[0067] 第二输出滤波模块417被配置为执行低通滤波(例如，1kHz)以减小由第二放大模块416输出的潜在上限频率噪声以及产生输出同步信号S4AC。根据图3的示例，第二输出滤波模块417包括连接在第二放大模块416的输出与第七节点N7之间的第六电阻器R6，该第七节点N7借助于第七电容器C7连接至接地端子GND。

[0068] 根据特定实施例，检测装置400包括辅助传感器模块422(AUX，图3)，该辅助传感器模块422构造为提供来自检测装置400的另外的和有价值的判断性信息。辅助传感器模块422可以集成到电子电路模块402中以及包括温度传感器和霍耳效应电流传感器(未示出)。
温度传感器和霍耳效应电流传感器是直接提供辅助传感器输出信号SAUX的单块集成电路，其可以连接至输出电缆。

[0069] 例如，电子电路模块402还包括电力供应模块423，配置为向电子电路模块402的有源组件提供稳定供应电压Vcc。电子电路模块402可连接至分析设备300或者其它电源以接收电供应电压Vdd以及根据示例包括具有连接至第九节点N9的端子的滤波组件(诸如第二感应器L2)，该第九节点N9通过第八电容器C8连接至接地端子GND。另外，电力供应组件423包括电压调节器模块424，配置为产生稳定供应电压Vcc以及还连接至第九电容器C9，该第九电容器C9连接至接地端子。

[0070] 根据特定实施例，电子电路模块402集成到双层标准FR4PCB中或者Kapton柔性印刷电路上的印刷电路板430(图2)中，以提高可弯性和柔软度。如本领域技术人员已知的，FR-4是由具有耐燃性(自熄性)的环氧树脂粘合剂的织造玻璃纤维布组成的复合材料。例如，电子电路模块402显示大约30×30mm的总尺寸。例如，稳定供应电压Vcc是等于5V的DC电压以及电供应电压Vdd是等于9V的DC电压。电压调节器电路可以是简单的齐纳二极管或者线性电压调节器，诸如7805或者LM317集成电路。

[0071] 另外，根据特定实施例，将电场传感器401和电子电路模块402封装在塑料或者硅橡胶模具盒429中，以获得机械强度以及与水和灰尘的隔离(模具可以是IP67)。通常，模具盒429具有近似医疗贴片的形状以及可以通过使用合适的胶在一侧上形成粘合剂(以粘至测试中的对象)

[0072] 现在参照传输线路403(图1)，该传输线路403使电子电路模块402连接至分析设备300。特别地，传输线路403被构造为从电子电路模块402向分析设备300传输传输局部放电信号S5PD、输出同步信号S4AC和辅助传感器输出信号SAUX。另外，根据所描述的示例，传输线路
403被配置为从分析设备300向电力供应组件423提供电供应电压Vdd。

[0073] 传输线路403可以采用下列传输线路中的一个或者多个：传输对、双绞线、同轴电缆。由于双绞线允许保留信号带宽以及减少电磁干扰，因此优选地采用双绞线。例如，传输线路403具有包括在5m-20m之间(优选地包括在5m-10m中)的长度。

[0074] 根据所描述的示例，将阻抗匹配模块414连接至分析设备300的局部放电传输线路420是第一双绞线，第一双绞线包括各自连接至电子变压器419的次级绕组W2的另一个端子的两个导体。因此，根据该示例，传输局部放电信号S5PD是差分信号。

[0075] 参照输出同步信号S4AC，传输线路403优选地包括第二双绞线425，第二双绞线425使第二输出滤波模块417连接至分析设备300。特别地，第二双绞线425包括连接至第七节点N7以接收输出同步信号S4AC的第一导体以及连接至接地端子GND的第二导体。因此，根据该示例，输出同步信号S4AC是单端信号。

[0076] 另外，传输线路403包括至少第三双绞线426，第三双绞线426用以传播辅助传感器输出信号SAUX。传输线路403还包括第四双绞线427，第四双绞线427用以朝向电力供应组件423差分地传送电供应电压Vdd(优选地由分析设备300提供)。在电力供应组件423的一侧处，第四双绞线427的导体连接至第二感应器L2以及第四双绞线427的另一个导体连接至接地端子GND。

[0077] 传输线路403可以是容纳多个传输线路的单个电缆或者可以包括分开的电缆。优选地，传输线路403(包括上面提到的第一双绞线420、第二双绞线425、第三双绞线426和第四双绞线427)是单个电缆。例如，该单个电缆是4对标准双绞线电缆，诸如ANSI/TIA/EIA-568-A，即，以太网Cat5e或者Cat6电缆(例如，非屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP、贴箔双绞线FTP或者其它)。从许多观点来看选择这些类型的单个电缆是有利的，因为它们是具有低成本以及显示下列特性的标准电缆：充分的频率性能(例如，截止频率>100MHz)、标准并且精确的阻抗值(100欧姆)、良好的抗扰度、使用差分信令和屏蔽的可能性。传输线路403的导体由对应连接器连接至电子电路模块402和分析设备300。例如，可以使用RJ-45连接器和
8P8C模块式插座。

[0078] 另外，电场传感器401被构造为在局部放电信号SPD的带宽(0.1MHz-100MHz)中显示平坦频率响应。特别地，电场传感器401的频率响应幅度显示低于其平均幅度5％以及优选地低于3％的变化。

[0079] 图4示出了分析设备300的示例，分析设备300配置为从从第一双绞线420接收传输局部放电信号S5PD以及执行处理步骤以产生表示传输局部放电信号S5PD的多个数字样本。特别地，分析设备300被配置为以包括在32个与256个之间的样本数量表示脉冲波形传输局部放电信号S5PD。例如，分析设备300被构造为执行模拟数字转换、选择、获取和同步处理步骤。

[0080] 根据图示示例，分析设备300包括连接至第一双绞线420的第一输入端口301、连接至第二双绞线425的第二输入端口302、连接至第三双绞线426的第三输入端口303以及连接至第四双绞线427的第四输入端口304。例如，第一输入端口301包括差分至单端转换器，差分至单端转换器配置为将已经以差分形式接收的传输局部放电信号S5PD转换成单端信号。第一输入端口301的差分至单端转换器可以包括终端电阻器(例如，具有100Ω的电阻)和变压器或者差分至单端放大器。可以将类似于第一输入端口301的差分至单端转换器的差分至单端转换器包括到第二输入端口302和第三输入端口303中。

[0081] 另外，第二输入端口302和第三输入端口303可以包括相应的滤波和缓冲设备，该相应的滤波和缓冲设备可以用RC低通滤波器实现。第四输入端口304提供电供应电压Vdd。可以借助于线性电压调节器由低电压(3-5V DC)或者电力供应网为包括到第四输入端口
304中的设备供电。

[0082] 分析设备300还包括可选宽频带可编程放大器71，该可选宽频带可编程放大器71具有连接至第一双绞线420的输入和连接至模拟-数字转换器72(ADC)的相应输出。分析设备300还包括控制模块73(诸如，现场可编程门阵列(FPGA))，该控制模块73构造为控制宽频带可编程放大器71以及从模拟-数字转换器72接收数据。宽频带可编程放大器71可以被编程以借助于由控制模块73提供的偏移信号Soff和增益信号Sga给予放电输出信号Sd-out偏移值和放大增益值。

[0083] 宽频带可编程放大器71允许例如从大约-5dB到+40dB范围的连续增益变化。模拟-数字转换器72被构造为通过由控制模块73生成的时钟信号CK同步以及生成要发送至控制模块73的转换数据DTA。模拟-数字转换器72例如能够以8比特的分辨率每秒转换250兆的样本。该采样频率允许以4ns的时间分辨率获取放电电信号Sd-out。可以观察到大多数局部放电脉冲通常大于0.5μs。特别地，控制模块73包括处理单元74(PU)(诸如微处理器)、存储器75(M)(诸如RAM(随机存取存储器))和同步逻辑模块76(SINL)。更特别地，存储器75可以是环形缓冲器。处理单元74连接至提供时钟信号的定时模块87(TM)。同步逻辑模块76被配置为从第二双绞线425接收输出同步信号S4AC、从输出同步信号S4AC提取所传送的定时信息(诸如，AC电压的周期和相位)以及向处理单元74传递信息。

[0084] 输入/输出端口77允许在偏移信号Soff和增益信号Sga的形式下向宽频带可编程放大器71传递由处理单元74生成的输出命令Comm。控制模块73还设置有触发模块78(TRLM)以及地址生成模块79(ADD-GEN)，该地址生成模块79被配置为在处理单元74的控制下生成将新数据写入存储器75以及读取存储器75中存储的数据需要的地址。仅针对放大输出信号Saout的样本，诸如仅针对具有大于阈值电平的幅度(即，绝对值)的正或者负脉冲，触发模块78被构造为执行放电信号获取过程以及被配置为触发离开宽频带可编程放大器71的放大输出信号Saout的样本的存储。触发逻辑模块78可以是包括用以将由模拟-数字转换器提供的样本值与一个或者多个阈值进行比较的一个或者多个比较器的逻辑模块。

[0085] 另外，控制模块73包括允许到收发器81(TR)(诸如，USB/以太网收发器)的数据传递的主机接口模块80(INTF)，该收发器81被配置为通过有线或者无线连接线路BD与例如在局部放电获取系统500以外的另外的处理器(未示出)交换数据/命令。外部处理器被配置为执行处理所接收数据的分析，允许例如表示显示器上的放电脉冲行为或者对于后续处理和查询的存储。特别地，另外的处理器允许显示和分析可以通过使用输出同步信号S4AC进行相位参考的局部放电脉冲波形和参数。

[0086] 控制模块73还可以设置有连接至处理单元74的提取模块83(例如，协处理器CO-P)，提取模块83配置为执行提取，特别地从存储器79中存储的数据实时提取脉冲特征。由协处理器提取的可能的脉冲特征示例有：峰值和极性、相位、能量、持续时间和威布尔参数的粗糙度估计。

[0087] 分析设备300还被配置为例如借助于用于将特定辅助传感器的信号路由至随后的放大和转换级的可选多路复用器(未示出)对辅助传感器输出信号SAUX进行调节、放大、数字形式转换、处理、存储、传输。

[0088] 在操作中，包括电场传感器401和电子电路模块402的盒429(图1)被安置为使得与电缆接头103的电隔离部分直接接触。盒429可以被安置在地表面下方以及由胶固定至电缆接头103。可以在距电缆接头103 5-20m的距离处放置用传输线路403连接至盒429的分析设备300。可以中断馈给第一电缆和第二电缆102和104的电力以允许盒429固定至电缆接头103以及随后接通，以启动检测、获取和分析步骤。控制电路模块402的有源组件(诸如，第一放大模块412和第二放大模块416)接收从电供应电压Vdd获得的稳定供应电压Vcc。

[0089] 靠近电缆接头103安置的第一电极404检测局部放电信号SPD、同步信号SAC和电磁噪声SEMN的一部分以及在第一端子407(图2)上提供分别对应的局部放电检测信号S1PD、同步检测信号S1AC和基准/噪声检测信号S1N。比第一电极404更远离电缆接头103的第二电极405主要检测电磁噪声SEMN以及在第二端子408(图2)上提供对应基准/噪声检测信号S1N。

[0090] 高通滤波模块411在其输入处执行高频分量提取，以提供经滤波的局部放电信号S2PD和第一滤波噪声信号SHN。第一高阻抗差分放大器418执行经滤波的局部放电信号S2PD与第一滤波噪声信号SHN之间的差的放大，以去除由经滤波局部放电信号S2PD携带的噪声分量以及输出放大的局部放电信号S3PD。由第一输出滤波模块413对放大的局部放电信号S3PD进行低通滤波，获得输出局部放电信号S4PD。输出局部放电信号S4PD转换成传输局部放电信号S5PD以及从而以差分形式在第一双绞线420上进行传输。在检测局部放电信号SPD的过程中执行第一双绞线420上的传输。

[0091] 如之前还指示的，传播具有电感行为的传输局部放电信号S5PD(根据示例，双绞线420)的传输线路403可以与示意图示为电容器的电场传感器401谐振。该谐振行为可以使与局部放电信号SPD相关联的所检测的脉冲畸变。使用构造为使电场传感器401与传输线路403分开的第一放大模块412允许避免第一双绞线420与电场传感器401谐振。由于检测装置400在0.1MHz-100MHz的带宽中不包括谐振分量，因此检测装置400显示非谐振行为。

[0092] 低通滤波模块415在其输入处执行低频分量提取，以提供经滤波的同步检测信号S2AC和第二滤波噪声信号SLN。第二高阻抗差分放大器421执行经滤波的同步检测信号S2AC与第一滤波噪声信号SLN之间的差的放大，以去除由经滤波同步检测信号S2AC携带的噪声分量以及输出放大的同步信号S3AC。由第二输出滤波模块417对放大的同步信号S3AC进行低通滤波，以获得输出同步信号S4AC。在第二双绞线425上传输输出同步信号S4AC。在第三双绞线426上传输与由辅助传感器模块422检测的信号相对应的辅助传感器输出信号SAUX。

[0093] 分析设备300接收传输局部放电信号S5PD和输出同步信号S4AC以及对它们进行处理以通过参照AC电压SAC的相位值的幅度样本存储和/或表示局部放电信号SPD。

[0094] 申请人制造了类似于上面描述类型的局部放电获取系统500并且对它的性能进行了测试。特别地，已经由信号发生器生成了如图5A所示20ns的脉冲以模拟局部放电脉冲。已经用宽带天线对所生成的脉冲进行了传输以及用类似于图2的电场传感器的电场传感器401对所生成的脉冲进行了检测、所生成的脉冲已经由电子电路模块402处理以及通过双绞线420传输到分析设备300。图5B示出了如由分析设备300再现的脉冲波形：保留脉冲波形，以证明非谐振行为。

[0095] 多亏非谐振行为，局部放电获取系统500可以提供高信号质量，该高信号质量可以由差分处理进一步提高。另外，局部放电获取系统500可以对传输线路上的信号的畸变提供高检测灵敏度和抗扰性。另外的优点与还检测AC电压和其它物理量的可能性关连。可以用确保有限重量的材料制成所描述的电场传感器以及其平坦形状允许测试中的电对象的可弯性。

标题	发布/更新时间	阅读量
低电压调节器	2020-05-08	826
一种LED驱动电源	2020-05-08	528
一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统	2020-05-08	964
无定子电压电流传感器的DFIG-DC系统定子功率及频率控制方法	2020-05-08	398
一种用于焦化煤气鼓风机的电源应急系统及其方法	2020-05-08	479
一种电流回收系统及其控制方法	2020-05-08	475
电源控制电路及电源控制方法	2020-05-11	611
用于功率变换电路的变频控制电路和磁浮列车的发电系统	2020-05-08	803
移动电源以及移动电源的充电方法	2020-05-11	536
一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法	2020-05-11	182

包括电容耦合电场传感器的局部放电获取系统

包括电容耦合电场传感器的局部放电获取系统

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：