动态跟踪消干扰高频耦合局部放电检测装置及方法
技术领域
本发明涉及动态跟踪消干扰高频耦合局部放电检测装置及方法，属检测技 术领域。。本发明适用于换流变电站带电检测局部放电试验，主要用于在不同 的换流站运行环境下，对运行的换流变压器进行局部放电带电检测，利用本装 置能够消换流站的阀厅产生的干扰，提高高频局放检测抗干扰能力，提高带电 局部放电试验的效率，保证局部放电带电检测数据准确，灵敏度高。
背景技术
带电局放试验是换流变压器尤其是换流变压器绝缘状态检测重要项目之 一，在现场开展换流变压器局放试验时，换流站经常部分或全部带电，局放试 验的背景干扰很大且成分比交流变电站复杂的多，给换流变压器现场局放试验 的开展带来很大干扰。
现场干扰主要来自换流阀产生的电磁噪声干扰，是直流高压换流站中最主 要的骚扰源。在换流阀运行期间引起的电磁骚扰是在换流器阀体的晶闸管触发 和关断过程中产生，这种持续的骚扰噪声是换流站电磁骚扰环境最主要的骚扰 源。在换流阀换相过程中，闸管中会发生一个快速的电压击穿过程，换流阀端 电压的剧烈变化同时伴随流过换流阀电流的迅速增大，换流阀开关产生的一系 列暂态电磁噪声沿换流电路传播，通过直接的电气连接或耦合进入敏感设备， 就产生了传导电磁骚扰现象。在换流站产生的干扰有12个脉冲，脉动干扰信 号通过大地和空间辐射到局部放电测量系统，导致局部放电测量背景幅值过 大，局部放电脉冲被12脉动干扰信号所掩盖，无法提取真正的局部放电信号， 从而引起局部放电测量的误差。目前，一般采用开窗等人为技术手段剔除背景 干扰，试验结果判断的主观性较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种动态跟踪消干扰高频耦 合局部放电检测装置及方法。针对以上情况，本专利分析换流变压器局放试验 的典型干扰信号类别，干扰信号来源，干扰信号传输路径，明确典型干扰信号 的特点、幅频特性、统计图谱特征等，克服了现有消干扰技术的不足，保证局 部放电测量的准确性，提高换流变压器现场局放试验效率。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种动态跟踪消干扰高频耦合局部放电检测装置，包括高频电流互感器、 保护模块、工频提取模块、高频提取模块、锁相同步单元、通道调理模块、CPU 处理单元及无线通讯单元；
高频电流互感器输出端连接有保护模块的输入端；保护模块输出端分两 路，一路依次经过工频提取模块与锁相同步单元到CPU处理单元一输入端； 另一路依次经过高频提取模块与通道调理模块到CPU处理单元另一输入端；
CPU处理单元输出端电连接无线通讯单元的输入端；
高频电流互感器同时耦合高频电流信号与工频电流信号；
高频电流信号与工频电流信号经过保护模块后，其中一路，工频提取模块 提取有效的工频电流信号，工频电流信号再经过整流器及放大器滤波放大后， 信号输入锁相同步单元；
锁相同步单元将工频电流整形，获得零相位触发信号，同时根据脉动干扰 信号的特点，将同步信号分频成时间间隔为N个脉冲，锁相同步单元将N个 脉冲进行相位锁定；N脉冲相位锁定信号输入给CPU处理单元；
另一路，高频提取模块将高频电流信号分离，分离的高频电流信号包括脉 动干扰信号与换流变压器内部绝缘放电信号，高频电流信号通过通道调理模块 将高频信号放大，放大后的高频信号，输入到CPU处理单元；
CPU处理单元同时获得高频信号和N脉冲相位信号；高频信号包含局部 放电信号及干扰信号；CPU处理单元先将高频信号转换成数字信号，在利用N 脉冲相位信号将数字化的高频信号进行插值运算，通过插值将高频信号中的干 扰信号消除掉，获得所需的局部放电信号；最后所需的局部放电信号通过串口 将数据传输给无线通讯模块，无线通讯模块将局部放电无线传输给后台系统。
作为上述技术方案的进一步改进：
高频脉冲电流信号包括换流站脉动干扰信号和换流变压器内部局部放电 信号；
保护模块包括气体放电管；
耦合高频电流信号与工频电流信号经过工频提取模块分离出工频电流，分 离出的工频电流经过锁相同步模块输出12个等间隔脉冲；在工频提取模块中：
工频电流提取电路包括工频电阻R1、R2及工频电容C1；工频电阻R1一 输出端通过工频电容C1接地，工频电阻R1一输出端通过工频电阻R2输出， 电路的滤波截止频带为100Hz，从而能够滤除100Hz以上的频率信号，保留 50Hz的工频信号；
工频放大器U1为低噪声高增益运算放大器，工频放大器U1的型号为 AD301，其输入端子1分别接工频电阻R2的输出端及通过反接工频二极管D6 接地，其输入端子2接地；其输出端子4接33V，其输出端3通过工频电阻R5 接地限压；50Hz的工频信号经过工频放大器U1进行放大200倍，保证工频 信号能够有效检出；
工频集成电路U2的型号为LM311，LM311芯片频率响应速度为kHz，经 过工频集成电路U2将工频信号调理成脉冲信号，放大后的工频信号通过工频 放大器U1其输出端3输出到工频集成电路U2输入端2；工频集成电路U2输 入端4接地，工频集成电路U2输入端3分别通过电阻R3接地且通过电阻R4 接电源33V；工频集成电路U2输出端1接地，输出端7通过电阻R6接电源 33V；输出端7通过工频电阻R2接CPU处理单元输入端；
工频芯片U3的型号为CD4069，工频芯片U3输入端2通过工频电容C2 接地，工频芯片U3输入端2通过工频电阻R7接工频集成电路U2输出端7；
脉冲信号经过集成电路U2输出端7输出到工频芯片U3输入端2，工频 芯片U3输入端6接地，工频芯片U3输入端7通过工频电阻R8接电源33V； 工频芯片U3端5通过工频电容C4接地，工频芯片U3输出端3分别通过工频 电阻R10接地且通过工频电容C5输出给CPU处理单元；
工频芯片U3将脉冲信号分频成12个等时间间隔的脉冲信号，脉冲时间间 隔为1.67ms，经过分频后，将12脉冲信号传输给CPU处理单元；
另一路由高频提取模块分离出高频信号，分离出的高频电流信号经过通道 调理模块将信号调理、滤波、放大；
带通滤波器包括高频提升变压器T1及高频电容C1，带通滤波频带为 1MHz-50MHz，其中高频提升变压器T1将信号提升2倍；
高频放大电路包括高频放大器U1、高频电容C2及高频电阻R3；高频放 大器U1正输入端3通过高频电容C3接地，负输入端2通过高频电感R2接地， 高频电容C2及高频电阻R3在输出端6与负输入端2之间并联；高频放大电 路将高频信号放大100倍；
高频检波电路包括高频电阻R5、高频电阻R6、高频二极管D1及高频电 容C6；高频放大器U1输出端6通过高频电容C5接入，高频电容C5输出端 分别通过高频电阻R5及高频电阻R6接地，高频电容C5输出端通过高频二极 管D1输出；高频二极管D1输出端分别通过高频电容C6及高频电阻R7接地； 高频检波电路其将高频信号频率降到20kHz；
跟随电路包括高频放大器U2及高频电阻R8；高频二极管D1输出端与高 频放大器U2正输入端3电连接；高频放大器U2输出端6通过高频电阻R8电 连接CPU处理单元输入端；
其中高频放大器U2型号为AD831，高频电阻R8电阻值为50欧姆，跟随 电路保证阻抗匹配；经过调理后的高频信号输入到CPU处理单元；
CPU处理单元将12脉冲信号和调理后的高频信号同步采集，并进行差值 运算，运算完成后CPU处理单元将换流站脉动干扰信号消除掉，保留换流变 压器内部的局部放电信号，CPU处理单元将消除干扰的局部放电信号通过无线 通讯模块将信号无线传输后台分析系统。
一种动态跟踪消干扰高频耦合局部放电检测方法，该方法包括以下步骤，
步骤一，首先，高频电流互感器同时耦合高频电流信号与工频电流信号； 然后，高频电流信号与工频电流信号经过保护模块后；其次，耦合高频电流信 号与工频电流信号经过工频提取模块分离出工频电流，分离出的工频电流经过 锁相同步模块输出12个等间隔脉冲；再次，经过分频后，将12脉冲信号传输 给CPU处理单元，同时，高频提取模块分离出高频信号，分离出的高频电流 信号经过通道调理模块将信号调理、滤波、放大，经过调理后的高频信号输入 到CPU处理单元；
步骤二，CPU处理单元将12脉冲信号和调理后的高频信号同步采集，并 进行差值运算，运算完成后CPU处理单元将换流站脉动干扰信号消除掉，保 留换流变压器内部的局部放电信号，CPU处理单元将消除干扰的局部放电信号 通过无线通讯模块将信号无线传输后台分析系统。
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。针对现有的高频局部放电检测装置在现场应 用中，阀厅的干扰信号无法消除，真实的放电信号被干扰覆盖，导致测量不准 确，检测数值无法读取，记录。动态跟踪消干扰高频耦合局部放电检测装置在 现场检测中能够有效的消除现场的干扰，提取真正的内部局部放电信号，保证 局部放电测量的准确性，提高换流变压器现场局放试验效率。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是本发明的CPU算法原理实现示意图。
图3是本发明的工频提取模块及锁相同步模块电路图。
图4是本发明的高频信号调理电路图。
图5是本发明的使用结构举例示意图。
图6是本发明的举例示意图。
具体实施方式
如图1-6，本发明装置工作原理如图1所示，本发明包括高频电流互感器、 保护模块、工频提取模块、高频提取模块、锁相同步单元、通道调理模块、CPU 处理单元及无线通讯单元；
高频电流互感器输出端连接有保护模块的输入端；保护模块输出端分两 路，一路依次经过工频提取模块与锁相同步单元到CPU处理单元一输入端； 另一路依次经过高频提取模块与通道调理模块到CPU处理单元另一输入端；
CPU处理单元输出端电连接无线通讯单元的输入端；
高频电流互感器同时耦合高频电流信号与工频电流信号；
高频电流信号与工频电流信号经过保护模块后，保护模块防止装置受到过 压、过流冲击。
其中一路，工频提取模块提取有效的工频电流信号，工频电流信号再经过 整流器及放大器滤波放大后，信号输入锁相同步单元；
锁相同步单元将工频电流整形，获得零相位触发信号，同时根据脉动干扰 信号的特点，将同步信号分频成时间间隔为1.67ms的12个脉冲，锁相同步单 元将12个脉冲进行相位锁定；12脉冲相位锁定信号输入给CPU处理单元；
另一路，高频提取模块将高频电流信号分离，分离的高频电流信号包括脉 动干扰信号与换流变压器内部绝缘放电信号，高频电流信号通过通道调理模块 将高频信号放大，以提高高频信号检测的灵敏度，放大后的高频信号，输入到 CPU处理单元；
CPU数据处理示意图如图2所示，CPU处理单元同时获得高频信号和12 脉冲相位信号；高频信号包含局部放电信号及干扰信号；CPU处理单元先将高 频信号转换成数字信号，在利用12脉冲相位信号将数字化的高频信号进行插 值运算，通过插值将高频信号中的干扰信号消除掉，获得真正的局部放电信号； 最后真正的局部放电信号通过串口将数据传输给无线通讯模块，无线通讯模块 将局部放电无线传输给后台系统。
本发明的工作原理与实施：
电路图如图1-3所示，本发明通过高频电流传感器(电流互感器)耦合电 流信号，电流信号包括工频电流信号和高频脉冲电流信号，其中高频脉冲电流 信号包括换流站脉动干扰信号和换流变压器内部局部放电信号；
电流信号经过保护模块，保护模块包括气体放电管TVP1、TVP2；气体放 电管限幅保护，避免过高的感应电压损坏后级电子器件。
电流信号经过工频提取模块分离出工频电流，分离出的工频电流经过锁相 同步模块输出12个等间隔脉冲；在工频提取模块中：
工频电流提取电路包括工频电阻R1、R2及工频电容C1；工频电阻R1一 输出端通过工频电容C1接地，工频电阻R1一输出端通过工频电阻R2输出， 电路的滤波截止频带为100Hz，从而能够滤除100Hz以上的频率信号，保留 50Hz的工频信号；
工频放大器U1为低噪声高增益运算放大器，工频放大器U1的型号为 AD301，其输入端子1分别接工频电阻R2的输出端及通过反接工频二极管D6 接地，其输入端子2接地；其输出端子4接33V，其输出端3通过工频电阻R5 接地限压；50Hz的工频信号经过工频放大器U1进行放大200倍，保证工频 信号能够有效检出；
工频集成电路U2的型号为LM311，LM311芯片频率响应速度为kHz，经 过工频集成电路U2将工频信号调理成脉冲信号，放大后的工频信号通过工频 放大器U1其输出端3输出到工频集成电路U2输入端2；工频集成电路U2输 入端4接地，工频集成电路U2输入端3分别通过电阻R3接地且通过电阻R4 接电源33V；工频集成电路U2输出端1接地，输出端7通过电阻R6接电源 33V；输出端7通过工频电阻R2接CPU处理单元输入端；
工频芯片U3的型号为CD4069，工频芯片U3输入端2通过工频电容C2 接地，工频芯片U3输入端2通过工频电阻R7接工频集成电路U2输出端7；
脉冲信号经过集成电路U2输出端7输出到工频芯片U3输入端2，工频 芯片U3输入端6接地，工频芯片U3输入端7通过工频电阻R8接电源33V； 工频芯片U3端5通过工频电容C4接地，工频芯片U3输出端3分别通过工频 电阻R10接地且通过工频电容C5输出给CPU处理单元；
工频芯片U3将脉冲信号分频成12个等时间间隔的脉冲信号，脉冲时间间 隔为1.67ms，经过分频后，将12脉冲信号传输给CPU处理单元。
电路图如图4所示，另一路由高频提取模块分离出高频信号，分离出的高 频电流信号经过通道调理模块将信号调理、滤波、放大。
带通滤波器包括高频提升变压器T1及高频电容C1，带通滤波频带为 1MHz-50MHz，其中高频提升变压器T1能够将信号提升2倍，它的频带特性 为宽频带，同时也能起到隔离和滤波作用。
高频放大电路包括高频放大器U1、高频电容C2及高频电阻R3；高频放 大器U1正输入端3通过高频电容C3接地，负输入端2通过高频电感R2接地， 高频电容C2及高频电阻R3在输出端6与负输入端2之间并联；高频放大电 路将高频信号放大100倍。
高频检波电路包括高频电阻R5、高频电阻R6、高频二极管D1及高频电 容C6；高频放大器U1输出端6通过高频电容C5接入，高频电容C5输出端 分别通过高频电阻R5及高频电阻R6接地，高频电容C5输出端通过高频二极 管D1输出；高频二极管D1输出端分别通过高频电容C6及高频电阻R7接地； 高频检波电路其将高频信号频率降到约20kHz，降低频率的目的是保证CPU 处理单元AD转化器采样率为1MHz的前提下能够完整的采集到高频信号的峰值，降低了CPU处理单元的成本，电路更具有广泛适用性。
跟随电路包括高频放大器U2及高频电阻R8；高频二极管D1输出端与高 频放大器U2正输入端3电连接；高频放大器U2输出端6通过高频电阻R8电 连接CPU处理单元输入端；
其中高频放大器U2型号为AD831，高频电阻R8电阻值为50欧姆，跟随 电路保证阻抗匹配。经过调理后的高频信号输入到CPU处理单元。
CPU处理单元将12脉冲信号和调理后的高频信号同步采集，并进行差值 运算，运算完成后CPU处理单元将换流站脉动干扰信号消除掉，保留换流变 压器内部的局部放电信号，CPU处理单元将消除干扰的局部放电信号通过无线 通讯模块将信号无线传输后台分析系统。
其中T1变压器的频带特性为宽频带，起到隔离和滤波作用。通道调理模 块，将高频信号放大100倍，并将高频信号频率降到约20kHz，保证CUP处 理单元采样的完整性。CPU处理单元进行插值运算，消除干扰信号，提取真 正放电信号，并通过无线通讯模块进行数据传输。T1变压器采用导磁率高、 损耗低磁性材料，保证同时耦合高频电流信号和工频电流信号。
如图5-图6所示，仅仅是实物图的举例说明而非限制于该结构。
本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列 举。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进 行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离 本发明实施例技术方案的精神和范围。
