高壓GIS局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)---畢業(yè)論文.docVIP

摘要SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）是高壓輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，有資料顯示，目前國(guó)內(nèi)高壓GIS市場(chǎng)份額已達(dá)500億元以上。局部放電可導(dǎo)致GIS絕緣劣化進(jìn)而引起電力系統(tǒng)大面積停電，其檢測(cè)技術(shù)以及如何降低檢測(cè)裝置成本一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究團(tuán)隊(duì)攻克了GIS局部放電檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，解決了基于超高頻法檢測(cè)GIS局部放電的技術(shù)瓶頸，成功研發(fā)出了性?xún)r(jià)比極高的GIS局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 通過(guò)安裝于GIS罐體上局部放電檢測(cè)傳感器對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行感知，當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，立刻發(fā)出報(bào)警短信并對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后利用先進(jìn)的濾波與抗干擾技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)街鳈C(jī)上實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的源識(shí)別。本作品是基于UHF法研制的，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS局部放電的在線監(jiān)測(cè)、帶電檢測(cè)和無(wú)線報(bào)警功能，系統(tǒng)分為兩套裝置：局部放電報(bào)警裝置和局部放電監(jiān)測(cè)裝置。局部放電報(bào)警裝置安裝在GIS罐體上，當(dāng)有局部放電產(chǎn)生時(shí)立刻發(fā)出報(bào)警短信，此時(shí)再在有局部放電的發(fā)生點(diǎn)換上局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置即可得到局部放電的波形。局部放電報(bào)警裝置成本相對(duì)較低，而檢測(cè)裝置成本相對(duì)較高，本作品的設(shè)計(jì)使得一個(gè)GIS站只需配置多套局部放電報(bào)警裝置和一套局部放電檢測(cè)裝置，在實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS局部放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，大大降低了成本。首先，簡(jiǎn)要介紹GIS局部放電的發(fā)展現(xiàn)狀以及局部放電的檢測(cè)技術(shù)的方法，并闡述了現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備的主要缺陷不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，價(jià)格高昂，指出本設(shè)計(jì)的研究意義與優(yōu)勢(shì)。然后，分析了傳感器的構(gòu)成，將天線和有源降頻電路集成在傳感器內(nèi)可以具有優(yōu)秀的信噪比并且極大的降低了整套采集系統(tǒng)的成本，在文章中分別闡述了天線和有源降頻電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。接著，詳細(xì)的闡述了局部放電報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分為軟硬件兩小節(jié)，并在第6章的整機(jī)測(cè)試中驗(yàn)證了該裝置的可靠性與有效性。再接著，詳細(xì)的闡述了局部放電監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，由調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行了選通、信號(hào)調(diào)理與AD轉(zhuǎn)換以8位數(shù)字信號(hào)形式輸出；在FPGA中，通過(guò)FIFO進(jìn)行一級(jí)緩存，SDRAM進(jìn)行二級(jí)緩存對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，完成了整個(gè)數(shù)據(jù)下位機(jī)采集過(guò)程。最后，進(jìn)行了本系統(tǒng)的通訊模塊硬件電路的設(shè)計(jì)，使用W5100芯片實(shí)現(xiàn)10/100M以太網(wǎng)底層硬件開(kāi)發(fā)，在FPGA中建立了SOPC，在NIOS II 系統(tǒng)中運(yùn)行以太網(wǎng)發(fā)送程序。又介紹了智能變電站IEC61850協(xié)議，并進(jìn)行了關(guān)于局部放電信息的建模，以便該高壓GIS局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能變電站中的使用。測(cè)試結(jié)果表明，本作品高壓GIS局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，能很好的監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)局部放電，滿足局部放電在線監(jiān)測(cè)的要求。關(guān)鍵詞：高壓GIS；局部放電；特高頻法；在線監(jiān)測(cè)目 錄摘要I目 錄III第1章 緒論11.1 研究背景與意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.3 GIS局部放電檢測(cè)方法61.4 本作品研究的主要內(nèi)容8第2章 寬動(dòng)態(tài)范圍的有源集成傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)92.1 寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器的天線設(shè)計(jì)92.1.1 GIS局部放電檢測(cè)用天線的要求92.1.2 蝶形天線102.1.3 天線的仿真132.1.4 天線的測(cè)試152.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路162.2.1 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的仿真162.2.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的設(shè)計(jì)172.2.3 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的測(cè)試20第3章 局部放電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)223.1 局部放電報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)223.1.1 超高頻（UHF）傳感器223.1.2 集成檢波器233.1.3 比較器233.1.4 GSM模塊243.1.5 單片機(jī)系統(tǒng)253.1.6 供電模塊263.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)273.2.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)273.2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)283.2.3 數(shù)據(jù)分析及處理29第4章 局部放電監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)314.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊314.1.1 頻分復(fù)用技術(shù)314.1.2 時(shí)分復(fù)用技術(shù)324.1.3 調(diào)理電路334.1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換344.1.5 過(guò)零檢測(cè)364.1.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試364.2 緩存模塊374.2.1 FPGA開(kāi)發(fā)過(guò)程384.2.2 FPGA系統(tǒng)硬件組成394.2.3 局部放電數(shù)據(jù)采集的FPGA實(shí)現(xiàn)404.2.4 數(shù)據(jù)緩存模塊測(cè)試44第5章 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與IEC61850建模465.1 以太網(wǎng)通訊物理層：465.1.1 W5100網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片465.1.2 硬件電路設(shè)計(jì)475.2 可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)475.3 以太網(wǎng)傳輸測(cè)試505.4 IEC61850建模515.4.1 IEC61850介紹515.4.2 局部放電模型構(gòu)建525.4.3 告警和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信的報(bào)告機(jī)制55第6章 整機(jī)測(cè)試576.1 試驗(yàn)平臺(tái)576.2 絕緣缺陷模型586.3 試驗(yàn)步驟586.6 測(cè)試結(jié)果596.6.1 局部放電報(bào)警裝置結(jié)果596.6.2 局部放電監(jiān)測(cè)裝置結(jié)果59第7章 作品的主要功能、技術(shù)指標(biāo)以及創(chuàng)新點(diǎn)617.1 主要功能617.2 主要技術(shù)指標(biāo)617.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)61第8章 應(yīng)用前景預(yù)測(cè)63參考文獻(xiàn)64附錄I 作品實(shí)物圖67附錄II 主要研究成果7375第1章 緒論1.1 研究背景與意義氣體絕緣開(kāi)關(guān)(Gas Isolated Switcher GIS)產(chǎn)生于上世紀(jì)60年代末期，是一種先進(jìn)的高壓斷路器。斷路器，VT，CT，隔離開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)，母線，套管，避雷器的部分或者全部電氣元件封閉在金屬外殼中，內(nèi)部充滿了高絕緣性和滅弧性質(zhì)的氣體（SF6居多）。這種封閉式的結(jié)構(gòu)?？梢苑乐棺冸娬救藛T接觸內(nèi)部高壓設(shè)備，外殼有良好的接地，漏電流將會(huì)被轉(zhuǎn)移到大地，極大減少觸電事故的發(fā)生概率，保障了變電站工作人員的人身安全。另外，GIS結(jié)構(gòu)密閉，工藝精良，具有很小的占地面積和較高的可靠性，在上世紀(jì)70年代開(kāi)始在我國(guó)開(kāi)始推廣使用。圖1.1 青海拉西瓦水電站750 kV開(kāi)關(guān)站GIS室在過(guò)去的四十多年的不斷摸索和實(shí)踐過(guò)程中，我國(guó)在高壓GIS的研制的檢測(cè)水平有了進(jìn)一步的提高?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的高壓GIS有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） GIS占地面積和空間體積?。篠F6氣體的優(yōu)良的絕緣性能使GIS內(nèi)的絕緣距離顯著減小。通常電氣設(shè)備的占地面積隨絕緣距離縮小而成平方比例的縮減，空間體積則隨絕緣距離縮小成立方比例縮減，電壓等級(jí)越高，這種優(yōu)勢(shì)越顯著。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，高壓GIS與常規(guī)敞開(kāi)式電器在占地面積與空間體積方面的比較如表1.1所示。表1.1敞開(kāi)式斷路器和GIS戰(zhàn)地面積比較電壓（KV）占地面積()空間體積(m)常規(guī)敞開(kāi)電器GIS縮小率常規(guī)敞開(kāi)電器GIS縮小率66123210100154435370.07780753310.0412751200660.038288004140.0145003706900.0241476969000.006（2） 安裝方便。高壓GIS的全部高壓電器組裝在充有SF6氣體的接地外殼內(nèi)，這樣就削弱了外界自然因素對(duì)內(nèi)部高壓電器的影響。在污染較為嚴(yán)重，海拔較高，自然條件較為惡劣的地區(qū)，高壓GIS的優(yōu)勢(shì)更加明顯。高壓GIS的組裝是將其分成幾個(gè)部分運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行組裝和密封等工作，所以其現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量相對(duì)較小，這樣就可以相應(yīng)減少了工程建設(shè)的時(shí)間。此外，高壓GIS外殼可以直接安置在地面上，就可以節(jié)約部分建設(shè)材料，經(jīng)濟(jì)效益較好。（3） 運(yùn)行可靠性高，維修率低。根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議資料，高壓GIS的故障率為0.01-0.02/站*年，約占所有高壓電氣設(shè)備的10%，高壓GIS的檢修周期約為1020年。此外，SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能，SF6斷路器的開(kāi)端性能較好，因此可靠性較高，檢查和維修周期較長(zhǎng)。例如：法國(guó)MG公司生產(chǎn)的SF6斷路器，允許累計(jì)開(kāi)斷電流達(dá)2000kA。日本富士公司的HF60系列的SF6斷路器額定開(kāi)斷電流為50kA，可以經(jīng)受70次開(kāi)斷考驗(yàn)，累計(jì)開(kāi)斷電流達(dá)到1700kA。高壓GIS的問(wèn)世是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的一次革命，更是高壓輸變電設(shè)備領(lǐng)域里一次重大的技術(shù)變革。盡管高壓GIS基本屬于檢修周期較長(zhǎng)的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，但是從近40年的投入使用的GIS運(yùn)行狀況看，其內(nèi)部的絕緣缺陷會(huì)引起內(nèi)導(dǎo)體和外殼之間的絕緣部分擊穿，即發(fā)生局部放電。局部放電現(xiàn)象是高壓GIS絕緣劣化的早期表現(xiàn)，如果不能及時(shí)被檢測(cè)并進(jìn)行有效控制和處理會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞性放電及重大事故。高壓GIS絕緣故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1.2所示。表1.2 GIS絕緣故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果電壓等級(jí)kV間隔數(shù)絕緣故障次數(shù)絕緣故障率次/(百間隔年)1259334240.261456133410.674203351611.85501109433.9其他177341650.91998年CIGRE（國(guó)際大電網(wǎng)委員會(huì)）統(tǒng)計(jì)了從1967年到1992年間的高壓GIS絕緣故障率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：在1985年之前投入運(yùn)行的高壓GIS共有 562次故障，其中60為絕緣故障，1985年之后投入運(yùn)行的高壓GIS共有 247次故障，其中51為絕緣故障。由于在GIS內(nèi)，各元件安裝緊密，與敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)相比，絕緣設(shè)計(jì)裕度相對(duì)更低，因此，絕緣擊穿事故一旦發(fā)生，周邊的電氣設(shè)備也將會(huì)被波及，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。在GIS各種故障中，絕緣故障是最普遍的，也是最受關(guān)注的。常見(jiàn)的故障類(lèi)型如下：(1)自由金屬微粒。自由金屬微粒缺陷來(lái)源于制造和組裝時(shí)產(chǎn)生且未及時(shí)清理的金屬微粒和機(jī)械裝置如斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)摩擦產(chǎn)生的金屬粉末，是高壓GIS運(yùn)行中最常見(jiàn)的缺陷之一，導(dǎo)致的故障占總故障的20%左右。(2)導(dǎo)體或接觸電極的突起或毛刺。高壓電極金屬突出物缺陷來(lái)源于加工和組裝過(guò)程的擦刮，機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦等，導(dǎo)致的故障占總故障的5%。(3)絕緣子表面固定金屬微粒缺陷。表面固定金屬微粒缺陷的產(chǎn)生往往是由其他缺陷引起的，如自由金屬微粒移動(dòng)到絕緣子附近或表面，SF6氣體在局部放電過(guò)程中的分解產(chǎn)物，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中閃絡(luò)產(chǎn)生的樹(shù)痕等，絕緣子表面固定金屬微粒缺陷導(dǎo)致的絕緣故障占總故障的10%左右。(4)氣隙缺陷。氣隙缺陷來(lái)源于屏蔽罩接觸不良；自由金屬微粒附著在觸頭上導(dǎo)致觸頭電阻增大，發(fā)熱燒損以及制造和組裝過(guò)程中支撐絕緣板和高壓導(dǎo)體之間產(chǎn)生氣隙。高壓GIS中氣隙缺陷導(dǎo)致的絕緣故障占總故障的29%，位于所有絕緣缺陷之首。(5)SF6中的水分。水分來(lái)源于充入的SF6氣體不可避免的會(huì)含有少量水分，SF6氣室密封不嚴(yán)引入的水分等，對(duì)高壓GIS的絕緣性能影響不大，但是當(dāng)其以液態(tài)形式存在并附著在內(nèi)部導(dǎo)體及絕緣組件上時(shí)，水分形成連續(xù)的導(dǎo)電層，泄漏電流增大容易引起局部放電。圖1.2 GIS中常見(jiàn)的絕緣缺陷GIS發(fā)生絕緣擊穿需要一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，在其潛伏期一般都會(huì)伴有局部放電現(xiàn)象發(fā)生。局部放電是絕緣劣化的征兆，因此可以通過(guò)對(duì)局部放電的監(jiān)測(cè)有效的了解GIS的絕緣情況、根據(jù)IEC、IEB、GB等國(guó)標(biāo)，局部放電檢測(cè)是電力設(shè)備絕緣評(píng)估的一個(gè)重要方法，同時(shí)IEEE推薦在線局部放電檢測(cè)是唯一有效的絕緣評(píng)估實(shí)驗(yàn)。所以，一般認(rèn)為大約有60%的絕緣故障可以通過(guò)局部放電監(jiān)測(cè)立即或者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展期后可以檢測(cè)到。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)研究和實(shí)踐的推進(jìn)，世界各國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的理解也在不斷探索、完善的過(guò)程中。智能電網(wǎng)在電力設(shè)備檢修上：首先優(yōu)化檢修計(jì)劃，減少計(jì)劃停電，在故障發(fā)生后，基于充分的信息支持，提高故障處理水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速定位、隔離和恢復(fù)供電。然后由計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修過(guò)渡，提高資產(chǎn)運(yùn)維和管理水平?？梢?jiàn)對(duì)GIS的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展也具有重大意義。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀(jì)80年代之前，由于UHF法理論研究還不成熟，相關(guān)芯片、元件還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)際中應(yīng)用的局部放電檢測(cè)儀工作頻率較低，通常其檢測(cè)頻帶低于1MHz。1982年，加拿大的S.A.Boggs和G.C.Stone在安大略水文研究實(shí)驗(yàn)室利用超寬帶檢測(cè)系統(tǒng)(ultra wideband(UWB)，成功的捕獲到SF6母線套管中局部放電所激發(fā)的放電脈沖，他們分析表明：超寬帶檢測(cè)系統(tǒng)比以往檢測(cè)裝置敏感度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且可以用來(lái)定位。此實(shí)驗(yàn)對(duì)超高頻檢測(cè)法具有里程碑的意義，證明了超高頻檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)可行性，同時(shí)深化了超高頻法的機(jī)理研究。圖1.3 S.A.Boggs和G.C.Stone檢測(cè)到的局部放電脈沖信號(hào)1988年，英國(guó)中央電力局（Central Electricity Generating Board, CEGB )的B.F.Hampton和R.J. Meats提出用于檢測(cè)氣體絕緣組合電器(gas insulated switch-gear, GIS)中的局部放電。開(kāi)發(fā)了420kV GIS局部放電UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用內(nèi)部耦合器，有較高的靈敏度，也有利于抗外部于擾，能夠很好地監(jiān)測(cè)到放電信號(hào)，隨后UHF法也被用于變壓器等其他電力設(shè)備的局部放電監(jiān)測(cè)中。圖1.4 內(nèi)部耦合器和檢測(cè)到的局部放電脈沖信號(hào)20世紀(jì)90年代，英國(guó)中央電力局的Judd和B.F.Hampton對(duì)產(chǎn)生局部放電的激勵(lì)進(jìn)行了研究，使用FDTD方法以及格林公式模擬計(jì)算GIS中局部放電信號(hào)的特性。通過(guò)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，很好的驗(yàn)證了模型的正確性，并且給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度提供保證。并提出了UHF局部放電測(cè)量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化方案。隨后，英國(guó)所有新建GIS都裝有內(nèi)置式的UHF局部放電傳感器。有兩個(gè)在線監(jiān)測(cè)示范項(xiàng)目安裝在核電站的400KV GIS上，英國(guó)的DMS（Diagnostic Monitoring Systems Ltd）公司的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在全球范圍推廣。德國(guó)Stuttgart大學(xué)的Kurrer.R和Feser.K通過(guò)試驗(yàn)研究了GIS中特高頻信號(hào)的傳播情況，結(jié)果為信號(hào)經(jīng)過(guò)絕緣子時(shí)衰減為2.3-5dB，經(jīng)過(guò)T型頭衰減約為10dB，在GIS直腔體內(nèi)，傳感器可以監(jiān)測(cè)10m處的視在放電量為10pC的放電量物體。日本東芝電氣公司應(yīng)用特高頻法對(duì)2個(gè)300kV的進(jìn)行局部放電測(cè)量，研究表明，電磁干擾可以從GIS的套管進(jìn)入，影響傳感器的檢測(cè)效果，但是干擾頻率多在500MHz下，且衰減很快。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，GIS同軸波導(dǎo)內(nèi)部有許多不連續(xù)處，局部放電信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)衰減到原來(lái)信號(hào)的1/10至1/3，并且不同相之間接收到的信號(hào)幅值差別很大。瑞士魏德曼公司早期在前人理論研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制出超高頻局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有在線檢測(cè)，事故報(bào)警和歷史查詢(xún)等多種功能，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的檢測(cè)和定位，但檢測(cè)的靈敏度不高，需要進(jìn)一步的研究和完善。瑞士 ABB高電壓技術(shù)公司對(duì)超高頻法的靈敏度和適用性與超聲波法和脈沖電流法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超高頻法抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高，使用多個(gè)超高頻傳感器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，可以較全面的研究GIS內(nèi)電氣設(shè)備的局部放電特征。國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)的邱毓昌、王建生、趙有斌等人對(duì)放電脈沖在GIS同軸波導(dǎo)內(nèi)的傳播特性進(jìn)行了理論分析和測(cè)量，得出結(jié)論：PD脈沖在同軸系統(tǒng)中不但能產(chǎn)生TEM波,而且還能激發(fā)TM、TE高次模波；TE和TM可在GIS母線中產(chǎn)生諧振,其持續(xù)時(shí)間比PD脈沖長(zhǎng)得多；利用電磁波的傳播時(shí)間可對(duì)PD源準(zhǔn)確定位。清華大學(xué)的丁登偉，高文勝，劉衛(wèi)東等人設(shè)計(jì)了 5種GIS的缺陷模型，并對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)和特征分析，發(fā)現(xiàn)特征量隨缺陷類(lèi)型的變化而變化明顯，可以用于缺陷的模式識(shí)別。他們通過(guò)仿真還得出，隨著GIS結(jié)構(gòu)尺寸的變化，局部放電信號(hào)的持續(xù)時(shí)間將變長(zhǎng)，幅值衰減緩慢，而且峰值將升高。重慶大學(xué)的孫才新、唐炬等人研究了 GIS局部放電信號(hào)的內(nèi)置傳感器的特性，并研制了圓環(huán)形和圓板型的兩種內(nèi)置傳感器，采用電容親合模型和天線模型研究了這兩種傳感器的性能。通過(guò)實(shí)測(cè)放電信號(hào)表明，圓環(huán)形的內(nèi)置傳感器靈敏度明顯高于圓板型的內(nèi)置傳感器。1.3 GIS局部放電檢測(cè)方法GIS 的局部放電在線監(jiān)測(cè)方法基本上可以分為電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類(lèi)型，其具體主要可分為以下五種方法：(1)聲學(xué)檢測(cè)法GIS中局部放電會(huì)產(chǎn)生具有比較寬的帶寬（20250kHz）的超聲波信號(hào),可在GIS外部用超聲波接收傳感器檢測(cè)到。聲學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)有非侵入式，可以在10cm內(nèi)對(duì)局部放電源進(jìn)行的定位并且不受GIS外部噪聲源影響，但是信號(hào)通過(guò)絕緣子和氣體會(huì)有嚴(yán)重的衰減，所以只有有限的幾種放電能被聲學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)得到，而且在線監(jiān)測(cè)時(shí)需要太多的傳感器，從而限制了聲學(xué)檢測(cè)法的應(yīng)用。聲學(xué)檢測(cè)法一般用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，操作人員拿著傳感器在GIS表面移動(dòng)來(lái)檢測(cè)局部放電信號(hào)，這樣下來(lái)，一個(gè)GIS站的檢測(cè)往往需要很多天的時(shí)間，該技術(shù)的推廣受到了限制。目前，利用聲學(xué)方法取得了不錯(cuò)效果的有上海交通大學(xué)。(2)化學(xué)檢測(cè)法通過(guò)檢測(cè)SF6被擊穿分解后的生成物SOF2和SO2F2來(lái)間接檢測(cè)局部放電的方法叫做化學(xué)檢測(cè)法。這兩種氣體可以利用質(zhì)譜分析和氣相色譜儀可以檢測(cè)出來(lái),靈敏度可達(dá)1ppm。不受電氣干擾的影響化學(xué)檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，但從發(fā)生局部放電到由分析氣體檢測(cè)出來(lái)所需要的時(shí)間太長(zhǎng)，有時(shí)候幾天也得不到結(jié)果，這是的化學(xué)方法在局部放電檢測(cè)中的使用收到非常嚴(yán)重限制。(3)光學(xué)檢測(cè)法因?yàn)楣怆姳对銎髂軌驒z測(cè)到甚至一個(gè)光子的發(fā)射，在診斷技術(shù)中,檢測(cè)放電產(chǎn)生的光是最靈敏的方法。雖然SF6和玻璃對(duì)光的吸收能力很強(qiáng)，但檢測(cè)時(shí)采用石英透鏡，并且路徑選擇得當(dāng)，就能檢測(cè)出來(lái)。光學(xué)法對(duì)于檢測(cè)已知點(diǎn)的放電非常有效，但是對(duì)于GIS中諸多未知的放電源，光學(xué)法的靈敏度就會(huì)大受影響。此外，光學(xué)檢測(cè)法是把傳感器放到GIS里面，因此只能離線測(cè)試而不適合用于在線監(jiān)測(cè)。(4)超高頻法20世紀(jì)80年代初期英國(guó)中央電力局（CEGB）實(shí)驗(yàn)室提出了超高頻（UHF）法。UHF法利用安置在GIS中的傳感器檢測(cè)局部放電的電磁波UHF(300MHz3GHz)部分。UHF法的具有抗干擾性很強(qiáng)（通常的噪聲干擾頻率都在500MHz以下）和定位局部放電源能力（理論上可以小于10）等優(yōu)點(diǎn)。但在線檢測(cè)需要很多的傳感器，因?yàn)樾盘?hào)衰減程度跟局部放電源的距離成正比（約2dB/m）,導(dǎo)致傳感器間的距離較小(510m)。(5)常規(guī)電測(cè)法1981年，IEC正式提出并被廣泛采用的局部放點(diǎn)檢測(cè)被稱(chēng)作常規(guī)電測(cè)法，又稱(chēng)脈沖電流法（IEC60270）。用一個(gè)有電荷損耗的集中電容能夠等效GIS，要想測(cè)得發(fā)生局部放電時(shí)的電量（檢測(cè)局部放電的頻率范圍為40kHz1MHz），可以通過(guò)在外部并列安裝一個(gè)耦合電容傳感器。為了獲得最佳的靈敏度，常規(guī)電測(cè)法可以通過(guò)調(diào)節(jié)GIS等值電容和傳感器的比值，同時(shí)標(biāo)度測(cè)量系統(tǒng)。此外這套裝置需要完全屏蔽，從而防止受到外部的電磁干擾，獲得最高的測(cè)量靈敏度，但完全屏蔽對(duì)于測(cè)試整個(gè)GIS通常是行不通的。前三種是非電測(cè)法，后兩種是電測(cè)法，對(duì)GIS中局部放電放的各種檢測(cè)方法總結(jié)如下：(a)這幾種方法的靈敏性都能夠達(dá)到良好。(b)常規(guī)電測(cè)法不能定位局部放電源，聲學(xué)和UHF法可以做到。(c)常規(guī)電測(cè)法不能用于運(yùn)行中的GIS，因?yàn)樗枰粋€(gè)外部耦合電容，其他方法則可以。目前在線檢測(cè)一般采用化學(xué)和光學(xué)檢測(cè)法，因?yàn)樗鼈兊撵`敏度不高，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)適用采用聲學(xué)檢測(cè)法，而連續(xù)在線監(jiān)測(cè)最好采用UHF法。GIS局部放電監(jiān)測(cè)主要方法的性能如表1.3所示。表1.3 GIS局部放電監(jiān)測(cè)主要方法的性能一覽表監(jiān)測(cè)方法常規(guī)電測(cè)法超高頻法超聲波法化學(xué)法光學(xué)法優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單；靈敏度較高靈敏度高；可用于運(yùn)行中設(shè)備靈敏度高；抗電磁干擾能力強(qiáng)不受電磁干擾不受電磁干擾缺點(diǎn)運(yùn)行設(shè)備不能使用；信噪比低造價(jià)高結(jié)構(gòu)復(fù)雜；要求靜音豐富的人操作靈敏度差，不能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)靈敏度差；需多個(gè)傳感器可達(dá)精度5pC0.50.8pC2pC很差差適用監(jiān)測(cè)的放電源固定微粒；懸浮物；氣隙和裂紋各種缺陷類(lèi)型都適用自由移動(dòng)的微粒；懸浮物放電情況嚴(yán)重時(shí)的缺陷固定微粒；針狀突出物能否故障定位不能精確度較高；0.1m適用，但條件苛刻，需多個(gè)傳感器僅能判斷哪個(gè)氣室發(fā)生放電不能能否判別故障類(lèi)型能能能不能不能是否已應(yīng)用早期應(yīng)用較多應(yīng)用較多應(yīng)用較多極少應(yīng)用極少應(yīng)用1.4 本作品研究的主要內(nèi)容國(guó)內(nèi)外一直致力于GIS局部放電檢測(cè)的研究，已經(jīng)研制出應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的GIS局部放電檢測(cè)的裝置，這些裝置既能夠檢測(cè)到GIS設(shè)備是否發(fā)生了局部放電，而且能判斷出局部放電的類(lèi)型和位置，但價(jià)格上非常昂貴，如果在GIS設(shè)備每個(gè)套管上安裝上這么一個(gè)該裝置，成本更是大大提高，不宜推廣。本作品高壓GIS局部放電檢測(cè)系統(tǒng)是基于UHF法研制的，其功能和性能都達(dá)到國(guó)內(nèi)一流水平。系統(tǒng)分為兩套裝置：局部放電報(bào)警裝置和局部放電監(jiān)測(cè)裝置。局部放電報(bào)警裝置安裝在GIS罐體上，可以對(duì)局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有局部放電產(chǎn)生時(shí)立刻發(fā)出報(bào)警短信，此時(shí)再在有局部放電的發(fā)生點(diǎn)換上局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置即可得到局部放電的波形并實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的放電量和放電類(lèi)別進(jìn)行初步的判定。局部放電報(bào)警裝置成本相對(duì)較低，而檢測(cè)裝置成本相對(duì)較高，本作品的設(shè)計(jì)使得一個(gè)GIS站只需配置多套局部放電報(bào)警裝置和一套局部放電檢測(cè)裝置，在實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS局部放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，大大降低了成本。本作品的主要研究?jī)?nèi)容有：(1)寬動(dòng)態(tài)范圍的有源集成傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；(2)局部放電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；(3)局部放電監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；(4)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與IEC61850建模。第2章 寬動(dòng)態(tài)范圍的有源集成傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)傳感器包括兩個(gè)部分，天線和有源電路。有源集成傳感器是將射頻前端的輻射單元（天線）和有源電路集成在同一介質(zhì)板上，使輻射單元和有源電路成為一個(gè)整體安裝在屏蔽罩內(nèi),從而避免平衡電線的平衡不平衡轉(zhuǎn)換帶來(lái)的匹配損耗以及高頻傳輸線引入的噪聲。圖2.1傳統(tǒng)傳感器與有源傳感器信號(hào)傳遞過(guò)程傳統(tǒng)UHF傳感器將天線和后置電路通過(guò)同軸電纜直接相連，會(huì)有以下不利：(1)傳輸線衰減。由于UHF天線接收到的是數(shù)百兆甚至千兆的高頻信號(hào)，該信號(hào)在同軸電纜中將會(huì)有較大的衰減，特別是大型GIS中，當(dāng)天線與后置電路距離較遠(yuǎn)時(shí)，嚴(yán)重的衰減會(huì)極大降低系統(tǒng)的信噪比。(2)匹配損耗。蝶形天線是平衡天線而同軸電纜是不平衡傳輸線，對(duì)于寬頻帶天線而言，不匹配影響的結(jié)果是信號(hào)衰減嚴(yán)重，帶寬降低。(3)噪聲。由于傳輸線在GIS外側(cè)，從天線至后級(jí)采樣系統(tǒng)會(huì)引入噪聲。天線接收到的信號(hào)幅值往往在微伏至毫伏數(shù)量級(jí)，此時(shí)噪聲對(duì)信號(hào)影響嚴(yán)重，信噪比低。因此，本文設(shè)計(jì)一種有源集成傳感器，將天線與有源電路集成在同一介質(zhì)板上，使天線接收到的信號(hào)能夠立即進(jìn)行處理，將處理后的較低頻（10MHz）較高幅值（5V峰峰值）的信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸，這樣既避免了平衡信號(hào)在不平衡線路中的傳輸，又降低了傳輸線的損耗，還有效提高了系統(tǒng)的信噪比。2.1 寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器的天線設(shè)計(jì) 2.1.1 GIS局部放電檢測(cè)用天線的要求GIS內(nèi)部缺陷引起的局部放電信號(hào)可從200MHz到3GHz，不同缺陷具有不同的局部放電頻譜。因此，未能能采集到各種類(lèi)型的放電信號(hào)，要求具有優(yōu)異的寬頻帶特性、超高速的響應(yīng)能力、高信噪比。一般應(yīng)具有如下要求：(1)UHF檢測(cè)法具有廣泛的頻率范圍（300MHz到3GHz），因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)各種干擾的頻率通常小于300MHz，所以UHF法可以避開(kāi)這些干擾從而獲得較高的信噪比。盡管手機(jī)等通訊工具的信號(hào)被GIS管壁隔離，但為了進(jìn)一步提高信噪比，天線的頻率范圍選擇還應(yīng)避開(kāi)這些頻段。(2)不同缺陷具有不同的局部放電頻譜，為了采集到更多種類(lèi)型的局部放電信號(hào)，要求天線擁有盡可能寬的頻帶。(3)增益高：增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比，用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，根據(jù)天線的實(shí)際情況考慮，要求在水平極化的增益大于 4dB；(4)信號(hào)檢測(cè)靈敏度高。(5)考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，GIS的盤(pán)式絕緣子寬度在20cm以?xún)?nèi)，因此，天線寬度不得大于20cm。(6)阻抗匹配。為了使傳輸線獲得最大功率，天線與后級(jí)系統(tǒng)應(yīng)阻抗匹配?？紤]到實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，設(shè)計(jì)的傳感器應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸小，便于使用和安裝的特點(diǎn)。2.1.2 蝶形天線 圖2.2蝶形天線局部放電激發(fā)的電磁波頻帶較寬，通常認(rèn)為在300MHz-1.5GHz，為了消除工業(yè)環(huán)境中電暈放電等較低頻干擾（300MHz以下），選擇通帶頻率為400MHz以上的寬帶天線作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。蝶形天線屬于寬頻帶天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，制作容易等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)印制電路板技術(shù)印制在一塊PCB板上，所以選擇蝶形天線作為局部放電檢測(cè)用天線。蝶形天線是雙錐天線在平面上的投影，具有恒定的阻抗，被大量應(yīng)用在通信、雷達(dá)等工程中。為了設(shè)計(jì)滿足GIS局部放電檢測(cè)要求的蝶形天線，將介紹天線增益、阻抗特征、駐波系數(shù)、頻帶寬度這幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。(1)天線的方向性和增益天線的方向系數(shù)定量的描述天線的指向能力，如果天線能將更多的能量集中在一個(gè)更小的角度內(nèi)，那么他在主瓣內(nèi)輻射和接受信號(hào)的能力就越強(qiáng)。方向圖描述天線發(fā)出或接收能量在特定角度上的集中程度。天線的方向性越強(qiáng)，它把能量集中在特定角度的能力越強(qiáng)，增益越高。增益與方向性之間的關(guān)系是能量守恒原理在天線系統(tǒng)中的應(yīng)用。輸出功率相同的情況下，天線在某一點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)平方與點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的理想場(chǎng)強(qiáng)平方的比值：(2)天線的阻抗特征天線是一種空間自由波與導(dǎo)行波之間的轉(zhuǎn)換器件，從傳輸線端看向天線這一段等效于一個(gè)電阻成為輻射阻抗，而用于局部放電信號(hào)接收的天線為從空間看向天線的等效電阻，被稱(chēng)為輸入阻抗，是天線輸入端信號(hào)電壓與電流之比，通常為一復(fù)阻抗，是頻率的函數(shù)48。天線的阻抗主要與自身結(jié)構(gòu)和工作方式有關(guān)，其阻抗值在不同頻率下也不同，因此，寬頻帶天線要求天線在頻帶內(nèi)盡可能的恒定并與后端電路阻抗匹配，從而達(dá)到最佳的功率傳輸。天線阻抗一般很難通過(guò)計(jì)算得出，通常采用測(cè)量的方法來(lái)確定天線的輸入阻抗。(3)天線的駐波系數(shù)天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)信機(jī)的阻抗不匹配，高頻能量就會(huì)在天線產(chǎn)生反射波，反射波和入射波在天饋系統(tǒng)匯合產(chǎn)生駐波。為了表征和測(cè)量天饋系統(tǒng)中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，建立了“駐波比”這一概念。可以通過(guò)天線的駐波系數(shù)VSWR或者反射系數(shù)來(lái)計(jì)算天線的輸入阻抗。，其中，為傳輸特性阻抗，是反射系數(shù)。電壓駐波比系數(shù)VSWR通常用來(lái)表征天線與饋線的匹配情況，與反射系數(shù)的計(jì)算關(guān)系式：表2.1給出不同天線匹配條件下，駐波比、S11的對(duì)數(shù)幅度和功率損失的典型數(shù)值：表2.1駐波比、S11的對(duì)數(shù)幅度和功率損失的典型數(shù)值匹配程度駐波比S11的對(duì)數(shù)幅度功率損失（%）可用3.00:1-6.025.0好2.00:1-9.511.1好1.92:1-10.010.0優(yōu)良1.50:1-14.04.0極好1.22:1-20.01.0（4）天線的頻帶寬度頻帶寬度指天線的主要指標(biāo)如增益、輸入阻抗等均滿足設(shè)計(jì)的要求，簡(jiǎn)稱(chēng)天線的帶寬，一般有兩種表示方法，一種為“絕對(duì)帶寬”，另一種為“相對(duì)帶寬”。絕對(duì)帶寬為天線上限頻率與下線頻率之差。相對(duì)帶寬為天線的2倍絕對(duì)帶寬與中心頻率的比值。式中， 、為天線工作頻帶的上限頻率和下線頻率，為中心頻率。蝶形天線的計(jì)算公式如下：其中：式中：為諧振頻率，c為電磁波傳播速度，為介電常數(shù)，L、W分別為蝶形貼片的長(zhǎng)和寬，s為縫隙饋線的寬度，h為介質(zhì)板的厚度，w0為波端口寬度。圖2.3蝶形天線的結(jié)構(gòu)2.1.3 天線的仿真借助3維電磁仿真軟件HFSS 15對(duì)天線進(jìn)行建模和仿真優(yōu)化，以確定天線尺寸的最優(yōu)參數(shù)。選擇襯底材料是FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)為4.4，長(zhǎng)140mm，寬70mm，厚h為1.6mm。對(duì)天線的長(zhǎng)度L和寬度W進(jìn)行參數(shù)掃描分析。圖2.4(a)是不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的VSWR曲線，由曲線可以看出天線臂長(zhǎng)對(duì)其最低頻率影響較大。 (a) 天線長(zhǎng)度對(duì)駐波比的影響 (b) 天線寬度對(duì)駐波比的影響圖2.4 天線駐波比受長(zhǎng)度可寬度的影響圖2.4(b)是不同寬度對(duì)應(yīng)的VSWR曲線，寬度越大則天線最低頻率越低、曲線起伏越平緩，但是天線太寬將導(dǎo)致傳感器體積過(guò)大，不利于安裝使用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮安裝要求等實(shí)際情況進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)。圖2.5 蝶形天線電場(chǎng)分布圖由圖2.5可見(jiàn)，天線在四個(gè)角有較大的電場(chǎng)存在，為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號(hào)的拖尾振蕩。設(shè)計(jì)使用四個(gè)150歐姆電阻在天線四角與屏蔽罩連接，加載電阻對(duì)天線末端電流進(jìn)行吸收，以改善低頻段駐波比特性。為屏蔽外界干擾，實(shí)際檢測(cè)時(shí)局部放電傳感器需要放在安置在屏蔽罩內(nèi)，通過(guò)使用Agilent E5061B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行分析，從天線饋電點(diǎn)處饋電單獨(dú)對(duì)天線測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)屏蔽罩對(duì)傳感器的駐波比產(chǎn)生了很大的影響，如圖2.6所示。設(shè)計(jì)采用加大天線與金屬腔間距和增加吸波材料減少屏蔽罩對(duì)電磁波的反射，使入射的電磁波轉(zhuǎn)換成熱能而損耗掉。為了更好地削弱由于天線末端與自由空間失配引起的反射波能量，從而避免脈沖信號(hào)的拖尾振蕩。設(shè)計(jì)使用四個(gè)150歐姆電阻在天線四角與屏蔽罩連接，加載電阻對(duì)天線末端電流進(jìn)行吸收，以改善低頻段駐波比特性。圖2.6天線駐波比測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)加大天線與屏蔽腔的距離和增加吸波材料使駐波比有了較明顯的改善；通過(guò)電阻加載，吸收末端電流，傳感器低頻特性得到了改善。為安裝便捷，要求局部放電檢測(cè)用的傳感器長(zhǎng)度L小于15厘米，寬度W小于8厘米。以蝶形天線長(zhǎng)度L與寬度W為參數(shù)，以中心頻率為900MHz，駐波比小于2為目標(biāo)，對(duì)蝶形天線進(jìn)行優(yōu)化分析（Optimetrics），最后得到天線L為11cm，W為6cm，W0為0.21cm。通過(guò)仿真結(jié)果圖2.7(a)可以看出，所設(shè)計(jì)天線中心頻率為800MHz，駐波比小于2的頻率范圍為730MHz1.05GHz。 （a）天線駐波比及S11參數(shù)仿真結(jié)果 (b)天線三維增益方向圖圖2.7 天線仿真結(jié)果天線增益表示用該天線代替各向同性輻射器時(shí)，在給定方向上輻射功率增加的最大倍數(shù)。仿真得到的內(nèi)置蝶形天線三維增益方向圖如2.7(b)所示。從右圖中可以觀察到天線的最大增益為4.43dB，在整個(gè)頻帶內(nèi)天線的增益較高，有利于局部放電信號(hào)的檢測(cè)。2.1.4 天線的測(cè)試通過(guò)印制電路板制作出天線如圖2.8所示：圖2.8 天線使用Agilent E5061B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，得到結(jié)果如圖2.9所示： (a) 駐波比測(cè)試結(jié)果圖 (b) S11參數(shù)測(cè)試結(jié)果圖圖2.9 天線性能測(cè)試結(jié)果圖可以看出，實(shí)測(cè)曲線和仿真結(jié)果曲線基本上吻合，第一個(gè)敏感頻率點(diǎn)在700MHz左右，實(shí)際天線敏感頻率比仿真結(jié)果低約100MHz，說(shuō)明仿真和實(shí)際制作存在一些差距，但并不影響實(shí)際測(cè)量，能夠滿足GIS局部放電檢測(cè)的需求。2.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路天線獲得的局部放電產(chǎn)生的電磁波信號(hào)頻率高達(dá)上GHz，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理：若頻帶寬度有限的，要從抽樣信號(hào)中無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)最高頻率，直接對(duì)其采集有以下缺點(diǎn)：(1)后續(xù)電路研發(fā)成本高。若要直接采集頻率高達(dá)上GHz的局部放電信號(hào)，需要3GHz甚至更高速的芯片，從放大器到ADC芯片成本都極高，成本將是100MHz成本的20倍以上。(2)數(shù)據(jù)量大。若使用3GHz的采樣芯片，數(shù)據(jù)量將為每秒鐘3Gbytes。這對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是極大的考驗(yàn)。(3)數(shù)據(jù)傳輸要求高。高速采集必然需要極高速的數(shù)據(jù)傳輸，以現(xiàn)在常用的RS485通訊為例，以9600波特率傳輸一秒鐘的采樣數(shù)據(jù)（3Gbytes）需要745小時(shí)，顯然不符合在線監(jiān)測(cè)的要求。反映局部放電能量的功率信號(hào)頻率僅為2-10MHz，因此，通過(guò)功率測(cè)量可保留局部放電判斷需要的相位和幅值信息的同時(shí)降低模擬信號(hào)頻率。如圖2.10所示，局部放電信號(hào)為震蕩衰減信號(hào)較難采集，而取其包絡(luò)后大大降低了信號(hào)頻率。圖2.10 包絡(luò)降頻示意圖2.2.1 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的仿真建立局部放電信號(hào)源，在每2us加入不同強(qiáng)度的信號(hào)，其表達(dá)式為式：其中t為50ns，fc為500MHz，輸入信號(hào)如圖2.11(a)所示?？梢?jiàn)，在0秒處信號(hào)幅值較大，在1秒處的信號(hào)幅值極低，若采集范圍要照顧到0秒時(shí)的模擬放電信號(hào)，則1秒處的信號(hào)將無(wú)法采集到，若要縮小采集范圍采集1秒處的信號(hào)，則0秒處的信號(hào)將達(dá)到飽和。 (a) 輸入信號(hào) (b) 輸入輸出關(guān)系 (c) 輸出信號(hào)圖2.11天線輸入、輸出信號(hào)降頻模擬電路對(duì)輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)變換滿足如下關(guān)系式：其中為輸出值，vout1為輸出的最大值，vout2為輸出的最小值，pin1為輸入的功率最大值，pin2為輸入的功率最小值，為輸入電壓有效值，為系統(tǒng)的特征阻抗50ohm。局部放電動(dòng)態(tài)范圍大，使用器件的最大動(dòng)態(tài)范圍，設(shè)定最大輸入功率為0dBm，最小輸入功率為-65dBm，輸入擺幅為1.6V，為配合后續(xù)采樣電路，設(shè)定輸出范圍為0.5V2.1V。輸入輸出關(guān)系如圖2.11(b)所示，虛線為輸入信號(hào)電壓，實(shí)線為輸入信號(hào)功率，即對(duì)數(shù)域的局部放電信號(hào)，可見(jiàn)通過(guò)對(duì)數(shù)域壓縮，信號(hào)輸入功率與輸出呈線性關(guān)系，從而保證不同強(qiáng)度的局部放電信號(hào)都能有較好的靈敏度。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)域放大，輸出信號(hào)為圖2.11(c)所示?？梢?jiàn)在對(duì)數(shù)域，0秒時(shí)的脈沖和1秒時(shí)的脈沖都較好的展現(xiàn)出來(lái)。2.2.2 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，解調(diào)對(duì)數(shù)放大器使用多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)來(lái)分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)。信號(hào)沿著信號(hào)鏈進(jìn)行，當(dāng)行至某些放大器時(shí)，信號(hào)變得過(guò)大以至于發(fā)生飽和，這些放大器的輸出為其飽和電壓。每級(jí)限幅放大器的輸出經(jīng)各級(jí)檢波器檢波后由加法器相加，再經(jīng)低通濾波器濾波，最后以對(duì)數(shù)形式進(jìn)行輸出，如圖2.12所示。圖2.12 對(duì)數(shù)檢波器為了達(dá)到本設(shè)計(jì)使用ADI公司的RF對(duì)數(shù)檢波器，頻率響應(yīng)范圍為0.1至2.5 GHz。它能將差分輸入處的調(diào)制RF信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為直流輸出處的等效dB標(biāo)度值,動(dòng)態(tài)范圍最高達(dá)70 dB(3 dB精度)或62 dB(1 dB精度)。內(nèi)置包絡(luò)檢波器，可以精確地測(cè)量調(diào)制信號(hào)的波峰因數(shù)(CF)。對(duì)數(shù)檢波器的工作頻帶為0.1GHz至2.5GHz，具有70dB(3.0dB精度)的動(dòng)態(tài)范圍，1.0dB(65dB范圍，1.9GHz)的精度。具有40ns的快速響應(yīng)能力，能夠識(shí)別出局部放電的短放電脈沖。工作電壓范圍為2.7V至5.5V，功耗為13.7mW(5V)圖2.13 有源電路電路圖如圖2.13所示，蝶形天線接收到的局部放電信號(hào)直接饋入功率檢波器，數(shù)據(jù)信號(hào)頻率為輸入信號(hào)的功率信號(hào)頻率，約為210MHz，對(duì)數(shù)放大器將大動(dòng)態(tài)范圍的輸入壓縮成小動(dòng)態(tài)范圍的輸出，其轉(zhuǎn)移特性為對(duì)數(shù)函數(shù)：式中，為輸入信號(hào)，為輸出信號(hào)，是對(duì)數(shù)斜率，是對(duì)數(shù)偏差。解調(diào)對(duì)數(shù)放大器使用多個(gè)相同的線性放大器級(jí)聯(lián)來(lái)分段線性逼近對(duì)數(shù)函數(shù)，所選解調(diào)對(duì)數(shù)放大器其核心是9級(jí)梯級(jí)鏈，每級(jí)放大器有8.7dB的增益和10.5GHz的3dB帶寬。信號(hào)沿著信號(hào)鏈進(jìn)行，當(dāng)行至某些放大器時(shí)，信號(hào)變得過(guò)大以至于發(fā)生飽和，這些放大器的輸出為其飽和電壓。每級(jí)限幅放大器的輸出經(jīng)各級(jí)檢波器檢波后由加法器相加，再經(jīng)低通濾波器濾波，最后以對(duì)數(shù)形式進(jìn)行輸出。傳統(tǒng)二極管檢波與對(duì)數(shù)域包絡(luò)檢波都需要精確確定其阻容參數(shù)。高頻二極管檢波器如圖2.14所示，包括線性器件D和低通濾波器件R、C，其時(shí)間常數(shù)RC要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其載波時(shí)間常數(shù)，即電容C對(duì)高頻載波近似短路，濾除高頻分量，RC還應(yīng)小于調(diào)制信號(hào)周期，以減小惰性失真。即：為載波頻率速度，為調(diào)制信號(hào)頻率。圖2.14 濾波電容在集成對(duì)數(shù)檢波器中，其轉(zhuǎn)折頻率為：為濾波電容的值，其中應(yīng)小于局部放電的震蕩頻率。因此通過(guò)分析局部放電信號(hào)特點(diǎn)，取得其相對(duì)于調(diào)幅信號(hào)的載波頻率和包絡(luò)頻率，即可確定電容參數(shù)。GIS發(fā)生局部放電時(shí)，信號(hào)在GIS腔體內(nèi)諧振，電磁波經(jīng)過(guò)多次折、反射后被傳感器天線接收，在傳感器處接收到的單次局部放電信號(hào)可以用單指數(shù)衰減震蕩函數(shù)(SEAOW)表示:為震蕩頻率，表示電磁波在GIS內(nèi)折反射過(guò)程，其頻率范圍為 300MHz-3GHz，可以近似看作調(diào)幅信號(hào)的載波，為局部放電信號(hào)衰減速度，可以近似看作調(diào)幅信號(hào)的低頻包絡(luò),其頻率范圍為2-20MHz。因此，將(8)式代入(10)式，可知滿足對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)處理的電容錯(cuò)誤!未找到引用源。應(yīng)選擇小于23.9pF。功率信號(hào)經(jīng)由超高速脈沖放大器緩沖輸出，加強(qiáng)信號(hào)在容性負(fù)載上的傳輸能力。圖2.15 輸出脈沖放大器脈沖放大器選擇ADI公司的AD8009，它是一款超高速電流反饋型放大器，壓擺率達(dá)到5500V/s，上升時(shí)間僅為545 ps，因而非常適合用作脈沖放大器。高壓擺率降低可壓擺率限幅效應(yīng)，使大信號(hào)帶寬達(dá)到440 MHz，從而滿足高分辨率視頻圖形系統(tǒng)的需要。信號(hào)質(zhì)量在整個(gè)寬帶寬范圍內(nèi)均保持較高水平，最差情況下的失真為40 dBc(250 MHz，G = +10，1 V p-p)。這種失真性能配合電流反饋結(jié)構(gòu)，使AD8009 可靈活地應(yīng)用于IF/RF信號(hào)鏈中的增益級(jí)放大器，其電路圖如圖2.15所示。將天線與降頻模擬電路制作在同一塊以FR4為基底材料的介質(zhì)板上，天線接收到的信號(hào)直接饋入降頻模擬電路，降頻模擬電路的輸出由SMB座引出，通過(guò)同軸電纜連接至外屏蔽罩的N頭或BNC接頭上，完成整個(gè)傳感器的制作，如圖2.16所示。 (a)有源集成傳感器PCB圖 (b)有源集成傳感器實(shí)物圖圖2.16 有源集成傳感器2.2.3 寬動(dòng)態(tài)范圍的降頻模擬電路的測(cè)試通過(guò)信號(hào)源DG4062產(chǎn)生矢量信號(hào)，接入降頻模擬電路的對(duì)數(shù)檢波器,輸出接到泰克TDS3052B中，矢量信號(hào)為一震蕩衰減信號(hào)，如圖2.17所示： 圖2.17信號(hào)源產(chǎn)生的模擬信號(hào)圖2. 18是輸對(duì)數(shù)檢波輸出信號(hào)：圖2.18對(duì)數(shù)檢波后的輸出信號(hào)從圖中可以看出，通過(guò)對(duì)數(shù)檢波電路完成了數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)變換和檢波功能。第3章 局部放電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 局部放電報(bào)警裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局部放電報(bào)警裝置由超高頻傳感器，集成檢波器，比較器，單片機(jī)控制模塊以及基于GSM的報(bào)警模塊組成。將超高頻傳感器貼在GIS外壁上，通過(guò)用50歐姆同軸電纜將傳感器接收超高頻局部放電信號(hào)輸入檢波器，再經(jīng)過(guò)比較器的比較功能形成脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，使用單片機(jī)的脈沖累加功能進(jìn)行計(jì)數(shù)，再定時(shí)中斷讀取脈沖數(shù)判斷是否達(dá)到局部放電的閾值，如果已經(jīng)發(fā)生局部放電，則通過(guò)GSM模塊發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警?；诔哳l法的GIS局部放電局部放電報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3.1圖3.1 GIS局部放電報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖3.1.1 超高頻（UHF）傳感器作為UHF局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一的UHF傳感器，它具備抑制低頻（300MHz以下）干擾的能力，能夠檢測(cè)GIS中由局部放電所激發(fā)的電磁諧振波，主要頻率為300MHz-3GHz。根據(jù)安裝方式，UHF傳感器可分為外置式和內(nèi)置式兩種。前者的靈敏度要差一些，但具有不影響系統(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有研發(fā)產(chǎn)品得到了較為廣泛的應(yīng)用。后者靈敏度雖然高一些，但由于對(duì)制造安裝的要求較高的缺點(diǎn)，很少被采用，特別是在早期設(shè)計(jì)制造的GIS中，但目前英國(guó)新制造的GIS均要求加裝內(nèi)置傳感器。下圖3.2(a)為購(gòu)買(mǎi)的德國(guó)產(chǎn)UHF傳感器，圖3.2(b)為實(shí)驗(yàn)室研制的UHF傳感器。 (a)德國(guó)產(chǎn)UHF傳感器 (b)實(shí)驗(yàn)室研制的UHF傳感器圖3.2 UHF傳感器3.1.2 集成檢波器由于超高頻傳感器接收的是類(lèi)似已調(diào)波信號(hào)，載波頻率相當(dāng)?shù)母?，但其包絡(luò)是M級(jí)別的，而我們這套系統(tǒng)只需提取其包絡(luò)信號(hào)就能夠判斷是否有局部放電發(fā)生。本套系統(tǒng)采用了ADI公司的一個(gè)集成檢波器AD8361，安裝其芯片手冊(cè)上提供的參考電路如圖3.3，其檢波出來(lái)的波形是反向的，由于我們這套系統(tǒng)只需要判斷是否有局部放電發(fā)生，因此沒(méi)有影響。圖3.3 檢波電路3.1.3 比較器檢波后的信號(hào)還是模擬信號(hào)，需要把該模擬信號(hào)整成數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)的脈沖累加器識(shí)別。本套系統(tǒng)采用了ADI公司生產(chǎn)的一款比較器AD8561，從改芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以看到，它可以單電源供電，也可以雙電源供電，由于檢波出來(lái)的信號(hào)是正向的，所以只要單電源供電就行。此外還可以看到5伏供電是該芯片只有7ns的傳播延時(shí)，理論上工作能夠頻率能達(dá)到100多兆，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得其只能達(dá)到70M左右，但已經(jīng)足夠滿足我們的需求。它的電路圖如圖3.4(a)，電路比較簡(jiǎn)單，1腳是供電腳，此套系統(tǒng)5伏供電；2腳跟3腳分別是比較器的正端跟負(fù)端，一個(gè)接檢波輸出，一個(gè)接參考電壓；4腳是雙電源供電的負(fù)電源端，單電源供電接地即可；5腳的作用是鎖存輸出，高電平有效，本系統(tǒng)不要，接地即可；6腳是為地腳；7腳跟8腳為比較輸出，一正一反，隨便取哪個(gè)輸出都可以。 (a) 比較器電路 (b) DA芯片電路圖圖3.4 比較電路此外為了讓比較器的參考電壓能夠任意調(diào)節(jié)，我用了TI公司的一款DA芯片DAC081S101，改款芯片可以2.75.5V供電，采用串行通信，只要設(shè)置相關(guān)寄存器，就能輸出預(yù)定的電壓值，其電路圖如圖3.4(b)，1腳是輸出腳，作為比較器的參考電壓輸入；2腳是地腳；3腳為電源輸入腳，本系統(tǒng)采用5V供電