現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，包括后臺控制平臺和遠端測量裝置；后臺控制平臺包括上位機和第一光發(fā)射接收模塊；上位機與第一光反射接收模塊連接；所述遠端測量裝置包括第二光發(fā)射接收模塊、標準信號產(chǎn)生模塊、標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器、超聲換能器、標準傳聲器、寬頻聲發(fā)射采集模塊、數(shù)字編碼器和遠端電池供電模塊；本發(fā)明提供的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，加強了對超聲波局放檢修測量數(shù)據(jù)準確性、可靠性的技術管控能力，可有效監(jiān)督運行中的帶電檢測儀器和在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)的可靠性，加強對超聲波局放在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性的監(jiān)督。
【專利說明】
現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及計量領域，特別是一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)場環(huán)境與實驗室環(huán)境有著極大的不同，如溫度、濕度、電磁干擾和輻射等干擾容易引起測量誤差的變化，現(xiàn)場環(huán)境對電氣裝置的影響如圖1.1。目前我國在電力設備局部放電檢測領域，超聲波檢測局部放電量法已經(jīng)得到大規(guī)模的普及與應用，然而作為局部放電檢測工作基礎的超聲波局放檢測儀在“現(xiàn)場使用環(huán)境下”測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性方面，仍然存在著性能參數(shù)參差不齊、標準化程度低等諸多問題，在很大程度上影響了超聲波局放檢測技術的標準化、規(guī)范化、實用化發(fā)展。
[0003]如圖1所示，圖1為現(xiàn)場環(huán)境對被試設備的影響來源示意圖，超聲波局放測量數(shù)據(jù)在準確性和可靠性等方面存在的問題主要表現(xiàn)在:
[0004](I)測量數(shù)據(jù)的準確性差，歷史數(shù)據(jù)和相鄰數(shù)據(jù)無法比較；
[0005](2)測量數(shù)據(jù)的可靠性差，由于在線監(jiān)測設備的穩(wěn)定差性差，導致測量結果的可靠性差；
[0006](3)電磁兼容可靠性差，測量結果甚至基本功能在施加電磁兼容性試驗環(huán)節(jié)后出現(xiàn)較大偏差，部分試品不能正常工作；
[0007](4)現(xiàn)場條件和實驗室條件差別很大，許多帶電檢測儀器和在線監(jiān)測裝置在投運前沒有經(jīng)過“現(xiàn)場使用環(huán)境下”的嚴格考核，設備投運后可用性低，有的甚至嚴重影響了一次設備的安全運行。
[0008]超聲波局部放電檢測儀是通過檢測超聲波信號，提取包括幅值、頻率、波形等特征量的方法，來判斷電力設備是否發(fā)生了局部放電現(xiàn)象以及確定包括放電類型和放電位置在內(nèi)的一系列信息的新型測量手段，隨著近年來超聲波在金屬探傷等領域的成熟應用，超聲波局部放電檢測技術在電力設備狀態(tài)監(jiān)測和檢修領域也逐漸推廣開來。目前的超聲波局部放電檢測儀從結構上來講，分為前端的傳感頭和后續(xù)的信號放大采集部分;從功能上來講，主要包括判斷局部放電的發(fā)生與否、放電量大小、放電位置和放電類型；從輸入信號來看，以20kHz?200kHz范圍內(nèi)的小幅值、短脈沖信號為主;從輸出角度來看，主要輸出的是將包括靈敏度、頻率、放電位置在內(nèi)的數(shù)字量顯示出來，其中小部分的局部放電檢測儀可以將檢測到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后存儲，并且還可以導出。然而，由于超聲波局部放電檢測技術起步較晚，相關技術還不夠成熟，造成超聲波局部放電檢測儀質(zhì)量良莠不齊，并且，針對超聲波局部放電檢測儀的相關測試方法與校準規(guī)范也還尚未建立，這就令人不得不質(zhì)疑超聲波局部放電檢測儀測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，限制了超聲波局部放電檢測技術在電力設備狀態(tài)檢修中的繼續(xù)推廣；目前國內(nèi)在超聲計量研究領域的研究成果僅限于對連續(xù)波的計量，而對超聲波局放時產(chǎn)生的非連續(xù)的超聲波信號的計量研究較少，市場上大量使用的超聲波局放測試儀的計量性能無法得到有效的評估和判斷。
[0009]由于變電站低壓側母線及其分路出現(xiàn)故障(三相短路、相間短路等)的概率增大，弱低壓側未安裝母差保護，開關動作延遲，可能造成主變壓器低壓側繞組變形燒毀，使主變壓器絕緣遭到破壞，影響主變壓器壽命，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來較大安全隱患。因此提前判斷低壓側母線各分路的絕緣狀況，開展開關柜局部放電在線監(jiān)測工作，對判斷開關柜內(nèi)部的絕緣狀況起到很好的輔助作用。作為電網(wǎng)設備的樞紐，電力變壓器的運行狀況直接影響電網(wǎng)的可靠性。據(jù)運行經(jīng)驗，大部分變壓器故障都是由于絕緣損傷引發(fā)的。變壓器的結構相對其他電力設備復雜很多，由于在設計制造上、運輸安裝過程中，或多或少會存在一些絕緣缺陷，這些缺陷在長期的運行中會產(chǎn)生局部放電并經(jīng)過積累將造成嚴重的變壓器故障。局部放電試驗已成為電力設備出場試驗和例行試驗中衡量絕緣狀況的重要手段。然而，離線試驗一般都是在故障出現(xiàn)后或定期進行，缺乏長期有效的跟蹤監(jiān)督;另外，離線試驗的條件也與設備運行時的狀況有較大的差異，不能準確反映運行狀態(tài)。局部放電的在線監(jiān)測是在運行過程中對局部放電參數(shù)進行監(jiān)測的一種手段，它能夠?qū)崿F(xiàn)長期跟蹤監(jiān)督，更能準確反映在電力設備在運行過程中的實際狀況。同時在線監(jiān)測大大減少了停電帶來的損失。因此，在線監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。
[0010]所以亟需一種超聲波局放帶電檢測儀計量系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的就是提供一種超聲波局放帶電檢測儀計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效監(jiān)督運行中的帶電檢測儀器和在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)的可靠性。
[0012]本發(fā)明的目的是通過這樣的技術方案實現(xiàn)的:
[0013]本發(fā)明提供的一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，包括后臺控制平臺和遠端測量裝置;所述后臺控制平臺包括上位機和第一光發(fā)射接收模塊;所述上位機與第一光反射接收模塊連接;所述遠端測量裝置包括第二光發(fā)射接收模塊、標準信號產(chǎn)生模塊、標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器、超聲換能器、標準傳聲器、寬頻聲發(fā)射采集模塊、數(shù)字編碼器和遠端電池供電模塊；
[0014]所述第二光發(fā)射接收模塊通過光纖與第一光發(fā)射接收模塊連接，用于接收上位機指令與發(fā)出遠端測量裝置的測量數(shù)據(jù)；
[0015]所述第二光發(fā)射接收模塊與標準信號產(chǎn)生模塊連接;所述標準信號產(chǎn)生模塊依次與標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器和超聲換能器連接；
[0016]所述超聲換能器分別與標準傳聲器和線監(jiān)測裝置連接；
[0017]所述，并將微弱信號輸入到微弱信號調(diào)理電路，并輸出信號至編碼器；
[0018]所述寬頻聲發(fā)射采集模塊用于采集在線監(jiān)測裝置和標準傳聲器輸出信號的差分采樣信號;所述差分采樣信號通過數(shù)字編碼器與第二光反射接收模塊連接；
[0019]所述遠端電池供電模塊分別與遠端測量裝置中的各模塊連接。
[0020]進一步，所述寬頻功率放大模塊輸出頻率為20kHz-200kHz的信號；輸出功率為20ff-40ffo
[0021 ]進一步，所述第一光發(fā)射接收模塊包括第一光發(fā)射器和第一光接收器;所述第二光發(fā)射接收模塊包括第二光發(fā)射器和第二光接收器；
[0022]所述第一光發(fā)射器分別與上位機和第二光接收器連接；
[0023]所述第一光接收器分別與上位機和第二光發(fā)射器連接；
[0024]所述第二光接收器與標準信號產(chǎn)生模塊連接；
[0025]所述第二光發(fā)射器與數(shù)字編碼器連接。
[0026]進一步，所述標準傳聲器與設置于GIS管道上的壓電晶體連接；
[0027]所述在線監(jiān)測裝置與設置于GIS管道上的被測傳感器連接；
[0028]所述標準儀器與設置于GIS管道上的標準傳感器連接。
[0029]進一步，所述寬頻聲發(fā)射采集模塊采用差分聲發(fā)射采集卡。
[0030]進一步，所述超聲波標準信號源包括FPGA控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和電壓放大器；
[0031]所述FPGA控制器一端與第二光接收器連接;所述FPGA控制器另一端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接;所述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端依次與低通濾波器和電壓放大器連接。
[0032]本發(fā)明還提供了一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量方法，包括以下步驟:
[0033]利用標準信號產(chǎn)生模塊輸出聲源信號；
[0034]計算被測在線監(jiān)測裝置輸出信號幅值與標準傳聲器輸出信號幅值之比；
[0035]將幅值之比的最大值作為信號頻率的主諧振頻率；
[0036]將超聲波信號頻率調(diào)至主諧振頻率；
[0037]獲取設置于GIS管道上的測傳感器的位置；
[0038]測量上和下限截止頻率；
[0039]測量在線監(jiān)測裝置的靈敏度；
[0040]計算局放測試儀響應的遲滯時間；
[0041 ] 計量標準的計量溯源。
[0042]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
[0043]本發(fā)明提供的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量方法，加強了對超聲波局放檢修測量數(shù)據(jù)準確性、可靠性的技術管控能力，可有效監(jiān)督運行中的帶電檢測儀器和在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)的可靠性，并有助于對入網(wǎng)工作進行技術把關，有效推進超聲波局放檢測儀器和在線監(jiān)測裝置的計量檢測技術、計量檢測裝備、生產(chǎn)制造標準、采購訂貨標準、交接試驗標準和周檢試驗標準的進步，有助促進生產(chǎn)行業(yè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的技術薄弱點，更加明確產(chǎn)品的標準化制造方向、關鍵技術發(fā)展方向，以更加適應電力生產(chǎn)部門的狀態(tài)檢修工作需求。加強對超聲波局放在線監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性的監(jiān)督，有效提高事故預判和排查能力，進一步提高安全生產(chǎn)水平和檢修工作效率。
[0044]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0045]本發(fā)明的【附圖說明】如下。
[0046]圖1為現(xiàn)場環(huán)境對被試設備的影響來源示意圖。
[0047]圖2為加低通濾波電路仿真圖。
[0048]圖3a為R = 4.99k，C = 68nF，上限頻率469Hz示意圖。
[0049]圖3b 為 R = 4.99k，C = 4.7nF，上限頻率 6.78kHz 示意圖。
[0050]圖4為加TVS管電路仿真圖。
[0051 ]圖5為超聲波局放在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場計量標準原理圖。
[0052]圖6為超聲波標準信號源硬件結構圖。
[0053]圖7為功率放大模塊電路原理圖。
[0054]圖8為電光轉(zhuǎn)換模塊原理圖。
[0055]圖9為光電轉(zhuǎn)換模塊原理圖。
[0056]圖10為接觸式測量結構圖。
[0057]圖11為量值傳遞示意圖。
[0058]圖12為靈敏度的比較法校準裝置框圖。
[0059]圖13為電信號采集系統(tǒng)幅值溯源圖。
[0060]圖14為電信號采集系統(tǒng)頻率溯源圖。
【具體實施方式】
[0061 ]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0062]實施例1
[0063]如圖所示，本實施例提供的一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，包括后臺控制平臺和遠端測量裝置;所述后臺控制平臺包括上位機和第一光發(fā)射接收模塊;所述上位機與第一光反射接收模塊連接;所述遠端測量裝置包括第二光發(fā)射接收模塊、標準信號產(chǎn)生模塊、標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器、超聲換能器、標準傳聲器、寬頻聲發(fā)射采集模塊、數(shù)字編碼器和遠端電池供電模塊；
[0064]所述第二光發(fā)射接收模塊通過光纖與第一光發(fā)射接收模塊連接，用于接收上位機指令與發(fā)出遠端測量裝置的測量數(shù)據(jù)；
[0065]所述第二光發(fā)射接收模塊與標準信號產(chǎn)生模塊連接;所述標準信號產(chǎn)生模塊依次與標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器和超聲換能器連接；
[0066]所述超聲換能器分別與標準傳聲器和線監(jiān)測裝置連接；
[0067]所述，并將微弱信號輸入到微弱信號調(diào)理電路，并輸出信號至編碼器；
[0068]所述寬頻聲發(fā)射采集模塊用于采集在線監(jiān)測裝置和標準傳聲器輸出信號的差分采樣信號;所述差分采樣信號通過數(shù)字編碼器與第二光反射接收模塊連接；
[0069]所述遠端電池供電模塊分別與遠端測量裝置中的各模塊連接。
[0070]所述寬頻功率放大模塊輸出頻率為20kHz-200kHz的信號;輸出功率為20W-40W。[0071 ]所述第一光發(fā)射接收模塊包括第一光發(fā)射器和第一光接收器;所述第二光發(fā)射接收模塊包括第二光發(fā)射器和第二光接收器；
[0072]所述第一光發(fā)射器分別與上位機和第二光接收器連接；
[0073]所述第一光接收器分別與上位機和第二光發(fā)射器連接；
[0074]所述第二光接收器與標準信號產(chǎn)生模塊連接；
[0075]所述第二光發(fā)射器與數(shù)字編碼器連接。
[0076]所述標準傳聲器與設置于GIS管道上的壓電晶體連接；
[0077]所述在線監(jiān)測裝置與設置于GIS管道上的被測傳感器連接；
[0078]所述標準儀器與設置于GIS管道上的標準傳感器連接。
[0079]所述寬頻聲發(fā)射采集模塊采用差分聲發(fā)射采集卡。
[0080]所述超聲波標準信號源包括FPGA控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和電壓放大器；
[0081]所述FPGA控制器一端與第二光接收器連接;所述FPGA控制器另一端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接;所述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端依次與低通濾波器和電壓放大器連接。
[0082]本實施例還提供了一種現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量方法，包括以下步驟:
[0083 ]利用標準信號產(chǎn)生模塊輸出聲源信號；
[0084]計算被測在線監(jiān)測裝置輸出信號幅值與標準傳聲器輸出信號幅值之比；
[0085]將幅值之比的最大值作為信號頻率的主諧振頻率；
[0086]將超聲波信號頻率調(diào)至主諧振頻率；
[0087]獲取設置于GIS管道上的測傳感器的位置；
[0088]測量上和下限截止頻率；
[0089]測量在線監(jiān)測裝置的靈敏度；
[0090]計算局放測試儀響應的遲滯時間；
[0091 ] 計量標準的計量溯源。
[0092]實施例2
[0093]本實施例提供的超聲波局放帶電檢測儀計量系統(tǒng)，超聲波在線監(jiān)測設備主要由聲電轉(zhuǎn)換、前置放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理顯示等四個基本部分組成，電氣設備發(fā)生局部放電的過程中，當發(fā)生局部放電時，放點區(qū)域的分子間將產(chǎn)生劇烈的碰撞，產(chǎn)生一連串的脈沖。利用安裝在電力設備上的超聲波傳感器來檢測局部放電發(fā)生時由電子間劇烈碰撞產(chǎn)生的超聲波信號，通過對超聲波幅值大小，相位分布以及頻譜分析可實現(xiàn)對局部放電的檢測。同時在電力設備箱壁上不同位置安裝多個超聲波傳感器，并比較分析各信號的時延可實現(xiàn)局部放電源的定位。
[0094]在實際工況下，超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置檢測的核心量值是超聲波信號的幅值和頻率，根據(jù)這兩個特征量，結合其內(nèi)置的一系列算法，能夠判斷局部放電發(fā)生與否、放電類型等等信息，因此，針對超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場計量標準也應當將這兩個量值作為核心量值來進行量值溯源，本溯源體系就是以脈沖正弦波的幅值與頻率作為溯源的核心量值來建立的。
[0095]將聲發(fā)射傳感器和信號放大采集部分分開溯源。
[0096]聲發(fā)射傳感器目前大都采用《GB/T19801-2005無損檢測聲發(fā)射檢測聲發(fā)射傳感器的二級校準》中的比較法，與中國計量院的標準聲發(fā)射傳感器進行溯源；
[0097]而信號采集部分則可以采用JJG(航天)34-1999《交流數(shù)字電壓表檢定規(guī)程》中的校準方法，采用標準源法進行溯源。
[0098]超聲波局部放電在線監(jiān)測計量標準針對的是在現(xiàn)場帶電運行情況下的超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置，目的是對帶電狀態(tài)下的超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置的測量數(shù)據(jù)準確性與可靠性進行校準。
[0099]采用的方法是以標準傳聲器為核心的標準表法，針對目前超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置所測量超聲波頻率與幅值這兩個核心量進行校準，建立超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置的溯源體系，提高超聲波局部放電檢測儀的計量可靠性。
[0100]分析現(xiàn)場環(huán)境下與實驗室環(huán)境的差異性:
[0101]相較于實驗室用超聲波局部放電檢測儀，超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置所在的現(xiàn)場環(huán)境更加復雜，有大量的現(xiàn)場噪聲干擾以及電磁干擾，這就要求校準裝置本身需要有很強的抗干擾能力；同時，由于現(xiàn)場安裝要求，傳感器所在的遠端測量裝置需要安裝在高壓側附近，而上位機的分析平臺則需要在操作控制臺附近，這之間存在物理距離，這就要求遠端測量裝置需要獨立進行供能；超聲波在SF6中的衰減為26dB/m，高于空氣中的衰減強度，同時GIS管道的直徑要求源與傳感器之間的距離要高于實驗室環(huán)境下的超聲波局放檢測儀計量標準中的距離，聲波的衰減與傳播距離呈指數(shù)關系，所以要求標準源輸出功率比實驗室環(huán)境下要高得多；最后，現(xiàn)場環(huán)境下，超聲波信號可能會和環(huán)境中的噪聲混疊，并且基于前述的衰減問題，超聲波信號透過GIS管道后可能已經(jīng)衰減的很弱，針對這樣的寬頻微弱信號，還需要增加前置放大器，對信號進行放大降噪處理，提高信噪比。
[0102]本裝置的目的是為了對現(xiàn)有的超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置建立相應的計量標準，目前的超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置主要的監(jiān)測物理量是超聲波的頻率、幅值、波形等信息，這些特征量也是反映電力設備內(nèi)部局部放電量、放電位置、放電類型等信息的關鍵特征量，同時結合超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測信息，對本裝置的參數(shù)指標設計如下:
[0103]準確度:標準中對準確度的要求為通頻帶內(nèi)誤差不超過10%，根據(jù)準確度等級的要求，對計量標準裝置的準確度要求則是在通頻帶內(nèi)誤差不超過3% ;
[0104]靈敏度:標準中對靈敏度的要求為峰值靈敏度不小于60dB(V/(m/s))，平均靈敏度不小于40dB(V/(m/s))，然而，根據(jù)調(diào)研結果，有一些廠家的超聲波局部放電監(jiān)測裝置的峰值靈敏度達到了80dB(V/(m/s))，這就對計量標準的靈敏度提出了更高的要求，本裝置設計目標為峰值靈敏度能夠達到120dB(V/(m/s))，均值靈敏度達到60dB(V/(m/s))。對于工作于現(xiàn)場的超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置計量標準來說，高靈敏度就意味著降噪難度的增大，因此，本裝置還需要考慮降噪處理環(huán)節(jié)。
[0105]檢測頻帶:標準對超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置的頻帶要求如下:用于SF6氣體絕緣電力設備的超聲波檢測儀，一般在20kHz?80kHz范圍內(nèi)；對于充油電力設備的超聲波檢測儀，一般在80kHz?200kHz范圍內(nèi)；對于非接觸方式的超聲波檢測儀，一般在20kHz?60kHz范圍內(nèi)?？紤]到本裝置應當具有較好的通用性，裝置本身的設計頻帶為20kHz?200kHz，該頻帶范圍提高了超聲波信號源與電聲轉(zhuǎn)換的難度，需要采用一些新結構與方法來完成上述部分。
[0106]脈沖頻率誤差:標準對檢測儀頻率測量要求規(guī)定如下:測試儀檢測頻率應提供在頻率測量范圍的測試中心頻率值，在其測量范圍內(nèi)，準確度等級應不低于5%。根據(jù)準確度等級相關規(guī)定，本計量標準裝置應當在20kHz?200kHz的測量范圍內(nèi)，準確度等級不低于1.5%。
[0107]線性度誤差:標準對于線性度誤差要求如下:線性度誤差不大于±20%，根據(jù)準確度等級相關規(guī)定，本計量標準裝置的線性度誤差不大于±6%。
[0108]穩(wěn)定性:標準對于穩(wěn)定性要求為:局部放電超聲波檢測儀連續(xù)工作I小時后，注入恒定幅值和頻率的正弦波信號時，其響應值的變化不應超過±20%。根據(jù)準確度等級相關規(guī)定，本計量標準裝置的穩(wěn)定性要求則為時間間隔為I小時的兩次測量中，注入恒定幅值和頻率的正弦波信號時，其響應值的變化不應超過± 6 %。
[0109]時間性能:標準中并未對超聲波檢測儀的時間性能做相關規(guī)定，但是超聲波檢測儀通過多個超聲探頭測得的時間差，就能夠?qū)植糠烹娢恢眠M行定位，因此，通過校準超聲波檢測儀的響應時間離散性，就能夠?qū)ζ涠ㄎ环烹娢恢眠@一測量信息的準確性進行檢測。
[0110]a)加低通濾波電路:低通濾波電路可以濾除信號中的高頻成分。采用RC無源低通濾波，仿真電路圖如圖2所示。圖2為加低通濾波電路仿真圖；
[0111]仿真中通過調(diào)整濾波電路的參數(shù)來改變其上限頻率值，仿真結果如圖所示。圖3a為R = 4.99k，C = 68nF，上限頻率469Hz不意圖；圖3b為R = 4.99k，C = 4.7nF，上限頻率6.78kHz示意圖；
[0112]加低通濾波電路可有效降低高頻感應輸出的幅值。圖中可以看出，隨著RC濾波電路上限截止頻率的增大，其濾高頻的效果也變差。對于設計的標準器，當RC濾波電路的上限截止頻率達到6.78kHz時，經(jīng)濾波電路輸出的暫態(tài)電壓峰值也有4V，此時已超過A/D轉(zhuǎn)換器的額定輸入的2倍(額定值為2V，對應的一次電流為12000A)，即使A/D轉(zhuǎn)換器沒有飽和，其輸出的值也過大，將會導致繼保設備誤動作。因此，在設置低通濾波器時，應在充分考慮被測對象頻率范圍的前提下，適當降低濾波器的上限頻率。
[0113]b)加瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)管:TVS管在承受一個高能量的瞬態(tài)過電壓時，其工作阻抗可立即降到一個很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預定的水平。ATP-EMTP中雖沒有TVS管的模型，但可以通過其中的MOV Type 92元件構建。仿真電路圖如下圖所示。由于A/D轉(zhuǎn)換其輸出額定值為2V，峰值為2.828V，考慮TVS管要能使正常情況的電壓無衰減的通過并考慮一定裕量，選取TVS管的鉗位電壓為5V。圖4為加TVS管電路仿真圖，可以看出，TVS管可以將電壓值鉗制在5V以下。
[0114]設計原理和設計:測儀計量標準有著很大的區(qū)別，需要做到更高的抗干擾性能，更大的輸出功率，更高的靈敏度以及應對現(xiàn)場實際安裝情況，這就使得超聲波局部放電在線監(jiān)測裝置計量標準的結構與實驗室超聲波局部放電檢測儀計量標準有所區(qū)別。
[0115]圖5為超聲波局放在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場計量標準原理圖；超聲波局放在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場核查標準主要由后臺控制平臺和遠端測量裝置兩部分構成。其中，后臺控制平臺起遠距離控制和數(shù)據(jù)接收、分析與顯示作用;遠端測量裝置主要起標準信號的產(chǎn)生、發(fā)射和測量信號的數(shù)字化、光發(fā)射等作用。
[0116]從硬件結構上來說，后臺控制平臺主要包括上位機與光發(fā)射接收模塊，上位機主要作用為發(fā)出指令，控制標準超聲信號源產(chǎn)生對應頻率與幅值的正弦信號，由于遠端測量裝置需要靠近被測試在線監(jiān)測裝置與GIS管道，為了減小外界電磁干擾、減小傳輸?shù)恼`碼率以及做好電氣隔離，采用光纖傳輸上位機指令和接收遠端測量裝置傳輸數(shù)據(jù)，因此，還需要有光發(fā)射模塊和光接收模塊。
[0117]遠端測量裝置主要包括光發(fā)射接收模塊、標準信號產(chǎn)生模塊、標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器、超聲換能器、標準傳聲器、寬頻聲發(fā)射采集模塊、數(shù)字編碼器以及遠端電池供電模塊。光發(fā)射接收模塊主要是接收上位機指令與發(fā)出遠端測量裝置測量結果;標準信號產(chǎn)生模塊核心是由FPGA以及外圍電路構成的，其主要作用是接收上位機指令，采用DDS方式產(chǎn)生對應所需頻率與幅值的正弦信號的離散數(shù)字量;標準信號調(diào)理模塊針對前端輸入的離散數(shù)字量，通過D/A卡進行轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生模擬量，由于模擬量中還含有高次諧波，因此，需要采用高精度、低漂移的濾波器對其進行濾波；寬頻功率放大模塊是針對前端輸入的標準的小信號進行功率放大，用來驅(qū)動后續(xù)的超聲換能器，頻帶要求較高;阻抗匹配器主要作用是匹配超聲換能器阻抗，提高超聲換能器接收到的功率，需要在寬頻帶內(nèi)達到阻抗匹配，保證功率傳輸穩(wěn)定;超聲換能器目前主要為壓電晶體結構，其主要作用是在寬頻帶范圍內(nèi)將電信號穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化為聲信號，并且在電功率穩(wěn)定的前提下需要保證聲信號的同樣穩(wěn)定;標準傳聲器也是采用壓電晶體結構，針對現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境與噪聲干擾，需要采用高靈敏度傳感器;寬頻聲發(fā)射采集模塊主要針對在線監(jiān)測裝置和標準傳聲器的輸出信號進行高精度的差分采樣，并輸出信號至編碼器;數(shù)字編碼器主要將前端的并行數(shù)字信號編碼后進行輸出，便于后續(xù)光發(fā)射模塊的電光轉(zhuǎn)換。
[0118]綜上所述，用于現(xiàn)場在線監(jiān)測裝置具有以下優(yōu)點:
[0119]a)寬頻帶強功率功放模塊，由于信號源輸出信號為20kHz-200kHz范圍，因此，功率放大器需要能夠放大20kHz-200kHz范圍的信號，同時針對現(xiàn)場實際情況，超聲波局放在線監(jiān)測裝置的傳感頭一般都附著在GIS管道上，計量裝置的超聲功率源需要產(chǎn)生足夠穿透GIS管道的強度的信號，聲波在SF6氣體中衰減呈指數(shù)形式，其系數(shù)為26dB/m，因此在管道直徑Im的情況下，僅考慮氣體中衰減，需要功率是10W，考慮超聲波信號在穿透兩層GIS管壁過程中會有衰減，則需要功率放大器能夠提供20W的功率。
[0120]b)寬頻帶前端放大器，由于現(xiàn)場的GIS對超聲波強度衰減遠高于實驗室環(huán)境下的空氣衰減，傳感器輸出信號為mV級，這對后續(xù)的采集顯然是不匹配的，因此需要加上前端放大器，對信號進行放大后再采集，并且放大過程中還需要考慮提高信噪比的問題。
[0121]c)寬頻差分聲發(fā)射采集卡，由于在現(xiàn)場環(huán)境下標準傳聲器位置固定，并且聲波信號在SF6中衰減遠比空氣中大，GIS管道的直徑限制了聲源與傳感器之間的距離要比實驗室計量裝置的距離大，因此，標準傳聲器采集到的信號可能會很小，并且噪聲也會比實驗室環(huán)境下的大，為提高信噪比，除了提高傳感器的靈敏度以外，還需要對傳聲器輸出的小信號進行前端放大以及去噪處理，同時，對處理后的信號需要使用高速的差分采集卡進行采集；
[0122]d)數(shù)字編碼器，由于現(xiàn)場遠端采集卡輸出信號為并行的高速率信號，采樣率高達lOMS/s，為了簡化現(xiàn)場接線，只能采用一根光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，因此需要對這些并行數(shù)據(jù)進行重新編碼，使得其能夠高速率的串行輸出，并且還要保證輸出的準確性。針對這樣高速率高傳輸準確性的要求，需要研究一種數(shù)字編碼協(xié)議，使得測量前端的數(shù)據(jù)能夠快速準確的傳輸?shù)胶笈_。
[0123]e)光發(fā)射接收模塊，由于前端的采樣率高達lOMS/s，所以前端數(shù)據(jù)量很大，原來應用于傳統(tǒng)計量裝置中的光發(fā)射接收系統(tǒng)可能無法適應這樣的高速率轉(zhuǎn)換，因此需要對原有的光發(fā)射接收方法進行改進。
[0124]f)供能模塊，由于現(xiàn)場裝置測量采集部分集成在遠端，靠近GIS管道，故需要采用電池進行供電，考慮到實際校準時還需要進行穩(wěn)定性的測試，因此，電池容量以及供能的穩(wěn)定性都需要解決。
[0125]超聲波標準信號源，采用FPGA控制核心與D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，總體技術方案與實驗室超聲波局部放電計量標準一致，將20kHz?200kHz的正弦波波形數(shù)據(jù)存入FPGA中，采用上位機選擇相應波形參數(shù)輸出，輸出數(shù)字量經(jīng)由D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，并且對模擬量進行低通濾波，濾除由于離散數(shù)字量轉(zhuǎn)化為連續(xù)模擬量時產(chǎn)生的高次諧波，圖6為超聲波標準信號源硬件結構圖；功放芯片選擇是APEX公司的PA09芯片，該芯片可輸出±38V電壓，電流最尚可到2A。
[0126]圖7為功率放大模塊電路原理圖；阻抗匹配器的作用是在寬頻帶上對超聲換能器進行阻抗的匹配，從而減小由于換能器本身阻抗參數(shù)導致的無功功率損失，提高能量轉(zhuǎn)換的效率，穩(wěn)定超聲換能器的輸入功率。為了使超聲換能器在20kHz?200kHz的頻帶范圍內(nèi)都能獲得最大的傳輸功率增益TPG，需要在所需的頻帶范圍內(nèi)對換能器進行寬帶阻抗匹配。在進行阻抗匹配的過程中，我們要先用阻抗分析儀對超聲換能器在頻帶范圍內(nèi)的阻抗特性進行測量。然后采用簡化實頻法進行阻抗匹配，通過最優(yōu)化算法得到一個匹配網(wǎng)絡。
[0127]超聲換能器選擇PAC公司的S9208，s9208的工作諧振頻率為500kHz，工作頻帶為20-1 OOOkHz，峰值靈敏度為 45dB/V/(m/s)。
[0128]標準傳聲器選擇PAC公司的D9241A和R15D共同組成，其中D9241A負責20kHz-1OOkHz的頻帶范圍，RKD負責100kHz-200kHz的頻帶范圍。D9241A的諧振頻率為30kHz，峰值靈敏度為SSdB/V/U/shRiro的諧振頻率為75kHz，峰值靈敏度為69dB/V/(m/s)。這兩個超聲波傳感器均為差分式超聲波傳感器，可以在輸出信號中自行濾除外界環(huán)境噪聲影響。
[0129]前端放大器選取NF公司的SA-200F3，該前端放大器工作頻帶為DC?700kHz范圍，滿足頻帶要求，輸出信號可達到±5V，同時還能夠較好的抑制噪聲。
[0130]差分聲發(fā)射采集卡選取NI公司PC1-6115數(shù)據(jù)采集卡。NIPC1-6115具有每通道101^/8的采樣速率、8個±0.2￥到±42￥的輸入范圍、板載抗混疊濾波器、2路12位模擬輸出、2個24位計數(shù)器/定時器和8條通用數(shù)字I/O線，適合各種應用。
[0131]光接收發(fā)射作用是接收光信號，轉(zhuǎn)化為電信號輸出以及接收電信號，轉(zhuǎn)化為光信號輸出，其中，光發(fā)射器采用HFBR1414為核心，同時還需要一系列的外圍信號調(diào)制電路;光接收器采用HFBR2412為核心，對接收到的信號還需要進行解調(diào)，才能夠還原為原來的電信號。圖8為電光轉(zhuǎn)換模塊原理圖；圖9為光電轉(zhuǎn)換模塊原理圖。
[0132]遠端電池供能，由于遠端測量裝置功耗較大，初步估算為30W，在進行穩(wěn)定性測試時需要持續(xù)工作一段時間，擬采用大容量電池進行功能。同時，由于測量裝置部分需要穩(wěn)定的電壓，否則會影響包括A/D在內(nèi)的測量裝置精度，所以，供能部分對穩(wěn)壓提出了較高要求。
[0133]接觸式的主諧振頻率與非接觸式有所不同，SF6中為20kHz?80kHz，油中主諧振頻率為150kHz，圖10為接觸式測量結構圖；圖11為量值傳遞示意圖；圖12為靈敏度的比較法校準裝置框圖；圖中，I為標準傳感器;2為待測傳感器;3為壓電晶體。
[0134]測量方案與非接觸式類似，保證聲源輸出信號幅值穩(wěn)定，調(diào)整頻率，尋找局放檢測儀的主諧振頻率，以被測在線監(jiān)測裝置輸出信號幅值與標準傳聲器輸出信號幅值之比為參考值，該值最大時，信號頻率即為主諧振頻率。由于GIS管道上本身已經(jīng)安裝好被測傳感器，該傳感器對準的位置即監(jiān)測位置，若將其取下校準，則會在再次安裝回管道時影響在線監(jiān)測設備后續(xù)的正常工作，而且在帶電情況下拆裝難度很大，因此考慮將檢測裝置的信號源與標準傳聲器都安裝在GIS管道上進行校準測試，保證被測的在線監(jiān)測設備能夠在后續(xù)繼續(xù)穩(wěn)定工作，在校準時盡量小的影響被試裝置也是帶電校驗時應當做到的目標。標準傳聲器應選擇在20?200kHz范圍內(nèi)頻率響應平坦的換能器，國標中采用的是NBS錐形換能器，但該換能器在10kHz?IMHz范圍內(nèi)頻率響應平坦，故需要挑選一款在20kHz?200kHz范圍內(nèi)頻率響應平坦的傳聲器。
[0135]接觸式線性度檢測:將超聲波信號頻率調(diào)至主諧振頻率，調(diào)整輸出幅值，以在線監(jiān)測裝置滿量程時激勵信號電壓值為U，從0.1U?U之間均勻取10個點，進行激勵，檢測在線監(jiān)測裝置與標準傳聲器輸出幅值之比為參考值。
[0136]接觸式帶寬檢測:以主諧振頻率為基準頻率，在線監(jiān)測裝置與標準傳聲器輸出信號幅值之比為I，在保證激勵信號幅值不變的前提下，降低激勵信號頻率，直至在線監(jiān)測裝置測得信號與標準傳聲器測得信號之比為基準頻率下的0.512，測得下限截止頻率，同理可測上限截止頻率。
[0137]接觸式靈敏度檢測:由聲源信號發(fā)生器產(chǎn)生一個幅值穩(wěn)定、頻率為主諧振頻率的正弦超聲波信號，由標準傳聲器輸出來推算輸出信號的聲強，將被測儀器輸出值與聲強信號比值作為超聲波局放在線監(jiān)測裝置的靈敏度。
[0138]接觸式平均靈敏度檢測:由聲源信號發(fā)生器產(chǎn)生一系列幅值穩(wěn)定、頻率以主諧振頻率為基準，頻率范圍一定的正弦超聲波信號，由標準傳聲器輸出來推算輸出信號的聲強，將被測儀器輸出值與聲強信號比值作為超聲波局放檢測儀的靈敏度，計算其平均靈敏度大小。
[0139]接觸式脈沖波形檢測:由聲源信號發(fā)生器產(chǎn)生一主諧振頻率信號，信號持續(xù)一個周期，觀察測得信號頻率以及測得信號持續(xù)時間、幅值等相關特征量，針對GIS中自由顆粒存在與否的檢測。
[0140]接觸式波形遲滯檢測:聲源信號發(fā)生器產(chǎn)生一方波信號，信號持續(xù)一個周期，觀測在線監(jiān)測設備輸出的波形，經(jīng)過計算得出局放測試儀響應的遲滯時間。
[0141]計量標準的計量溯源:本計量標準裝置從量值傳遞的角度劃分，是由電信號轉(zhuǎn)聲信號、聲信號轉(zhuǎn)電信號以及電信號測量三部分組成，根據(jù)國家計量技術規(guī)范JJF1337-2012《聲發(fā)射傳感器校準規(guī)范(比較法)》，聲信號傳感器溯源圖如下:
[0142]高電壓計量站有精密脈沖幅度測量儀和頻率計，這里使用標準表法，來對待測的電信號采集系統(tǒng)進行校準，電信號采集系統(tǒng)溯源如圖13為電信號采集系統(tǒng)幅值溯源圖；圖14為電信號采集系統(tǒng)頻率溯源圖。
[0143]由于超聲波局放檢測不僅僅是依靠單獨一個傳感器實現(xiàn)的放電量的檢測，在定位的時候，需要的不僅僅是一個傳感器的單獨工作，需要的是一個傳感器陣列的協(xié)同工作，主要是依據(jù)在不同位置的超聲波傳感器接收到信號的時間差來計算聲源位置，
[0144]因此，在針對超聲波局放檢測裝置的校準中，還應當考慮超聲波局放檢測裝置的時間性能，本計量標準將整個標準裝置拆分為兩部分進行溯源，最后進行不確定度的合成，聲發(fā)射傳感器與標準參考傳感器采用比較法進行溯源，電信號的放大采集系統(tǒng)則與高電壓計量站的精密脈沖幅度計和頻率計進行溯源，解決目前超聲波局部放電檢測標準量具缺失的問題。
[0145]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍當中。
【主權項】
1.現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:包括后臺控制平臺和遠端測量裝置;所述后臺控制平臺包括上位機和第一光發(fā)射接收模塊;所述上位機與第一光反射接收模塊連接;所述遠端測量裝置包括第二光發(fā)射接收模塊、標準信號產(chǎn)生模塊、標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器、超聲換能器、標準傳聲器、寬頻聲發(fā)射采集模塊、數(shù)字編碼器和遠端電池供電模塊； 所述第二光發(fā)射接收模塊通過光纖與第一光發(fā)射接收模塊連接，用于接收上位機指令與發(fā)出遠端測量裝置的測量數(shù)據(jù)； 所述第二光發(fā)射接收模塊與標準信號產(chǎn)生模塊連接;所述標準信號產(chǎn)生模塊依次與標準信號調(diào)理模塊、寬頻功率放大模塊、阻抗匹配器和超聲換能器連接； 所述超聲換能器分別與標準傳聲器和線監(jiān)測裝置連接； 所述，并將微弱信號輸入到微弱信號調(diào)理電路，并輸出信號至編碼器； 所述寬頻聲發(fā)射采集模塊用于采集在線監(jiān)測裝置和標準傳聲器輸出信號的差分采樣信號;所述差分采樣信號通過數(shù)字編碼器與第二光反射接收模塊連接； 所述遠端電池供電模塊分別與遠端測量裝置中的各模塊連接。2.如權利要求1所述的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:所述寬頻功率放大模塊輸出頻率為20kHz-200kHz的信號;輸出功率為20W-40W。3.如權利要求1所述的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:所述第一光發(fā)射接收模塊包括第一光發(fā)射器和第一光接收器;所述第二光發(fā)射接收模塊包括第二光發(fā)射器和第二光接收器； 所述第一光發(fā)射器分別與上位機和第二光接收器連接； 所述第一光接收器分別與上位機和第二光發(fā)射器連接； 所述第二光接收器與標準信號產(chǎn)生模塊連接； 所述第二光發(fā)射器與數(shù)字編碼器連接。4.如權利要求1所述的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:所述標準傳聲器與設置于GIS管道上的壓電晶體連接； 所述在線監(jiān)測裝置與設置于GIS管道上的被測傳感器連接； 所述標準儀器與設置于GIS管道上的標準傳感器連接。5.如權利要求1所述的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:所述寬頻聲發(fā)射采集模塊采用差分聲發(fā)射采集卡。6.如權利要求1所述的現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量系統(tǒng)，其特征在于:所述超聲波標準信號源包括FPGA控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和電壓放大器； 所述FPGA控制器一端與第二光接收器連接;所述FPGA控制器另一端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接;所述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端依次與低通濾波器和電壓放大器連接。7.現(xiàn)場環(huán)境下超聲波局部放電計量方法，其特征在于:包括以下步驟: 利用標準信號產(chǎn)生模塊輸出聲源信號； 計算被測在線監(jiān)測裝置輸出信號幅值與標準傳聲器輸出信號幅值之比； 將幅值之比的最大值作為信號頻率的主諧振頻率； 將超聲波信號頻率調(diào)至主諧振頻率； 獲取設置于GIS管道上的測傳感器的位置；測量上和下限截止頻率；測量在線監(jiān)測裝置的靈敏度；計算局放測試儀響應的遲滯時間；計量標準的計量溯源。
【文檔編號】G01R35/00GK105911499SQ201610504948
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】梁星, 侯興哲, 周孔均, 吳華, 周瑋, 周全, 趙福平, 陳文禮, 米思蓓, 李永福, 王三強
【申請人】國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院