【GIS局部放电故障在线监测平台设计与实现案例分析4500字】

GIS局部放电故障在线监测平台设计与实现案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u28846GIS局部放电故障在线监测平台设计与实现案例分析 1278881.1GIS局部放电故障在线监测平台设计 1314981.2GIS局部放电故障在线监测平台硬件部分设计与实现 2131291.2.1宽频带滤波器单元设计 2249191.2.2宽频带低噪声放大器单元设计 460161.2.3检波电路单元设计 797211.2.4信号调理单元的集成与测试 7209601.2.5局部放电UHF信号采集单元 9188551.3GIS局部放电故障在线监测平台软件部分开发与实现 10111501.3.1局放检测软件系统的整体设计与开发 10140941.3.2局放检测平台软件系统的实测分析 1266881.4小结 12针对目前关于GIS局部放电故障在线监测平台用于处理特高频天线耦合信号的一体化调理单元的研究较少，本章研制了集宽频带滤波器、宽频带低噪声放大器和检波电路为一体的信号调理单元，用于对天线传感器输出的电压信号进行滤波、放大和检波，并开发了GIS局部放电故障在线监测平台，用于对GIS局部放电情况进行实时监测，在实验室搭建相关实验平台，验证了GIS局部放电故障在线监测平台设计的可用性。1.1GIS局部放电故障在线监测平台设计本章以单元化设计思想，提出了GIS局部放电故障在线监测平台的四个单元，分别为局部放电特高频检测系统接收单元、局部放电特高频检测系统信号调理单元、局部放电特高频检测系统采集单元以及局部放电特高频检测系统软件单元，局部放电特高频检测系统接收单元用于耦合GIS内部由于局部放电产生的UHF信号，局部放电特高频检测系统信号调理单元用于对局部放电特高频检测系统接收单元进行滤波、放大与检波处理，提高信号幅值，降低信号频率，局部放电特高频检测系统采集单元用于对信号调理单元处理后的电压信号进行采集，局部放电特高频检测系统软件单元用于对采集到的信号进行显示，对GIS内部运行状态进行警示。图4-1基于模块化分析思想的GIS局部放电检测系统1.2GIS局部放电故障在线监测平台硬件部分设计与实现由于GIS长期运行于电磁环境复杂的工况环境内，其周围存在大量杂波干扰信号，为降低杂波信号对于GIS局部放电故障在线监测平台的影响，本章设计了宽频带滤波器单元，其作用是允许300MHz-3000MHz范围内的电磁波信号通过，对于300MHz-3000MHz以外的杂波干扰信号滤除，由第三章可知，本文所设计的宽带UHF天线传感器输出电压信号的幅值为50mV左右，而本文所采用的UHF信号采集单元采用的是凌华公司产生采集卡PCI-9812，其采集通道不允许信号幅值±5V以上、信号频率20MHz以上的信号通过，而GIS局部放电UHF检测法对于局部放电信号的幅值和相位信息更为关注，为了更好地分析，有必要对天线耦合出的电压信号进行放大与检波处理。本文设计的用于处理天线耦合信号的UHF信号调理单元整体结构图如图4-2所示，整体由宽频带滤波器单元、宽频带低噪声放大器单元和检波器单元构成。图4-2UHF信号调理单元结构示意图1.2.1宽频带滤波器单元设计目前，用于GIS局部放电特高频检测系统的滤波器主要有巴特沃斯滤波器（ButterworthFilter）、切比雪夫滤波器（ChebyshevFilter）、贝塞尔滤波器（BesselFilter）和椭圆滤波器（Ellipticfilter）等[47]。由于切比雪夫I型滤波器[48]具有通带内等纹波，阻带内衰减无振荡且阻带内衰减速度最快等优点而被广泛应用，本文结合安捷伦ADS（AdvancedDesignSystem，ADS）软件设计了用于通带频率为300MHz-3000MHz的切比雪夫I型带通滤波器，设置其通带内纹波系数为0.5dB，阻带衰减为30dB，其仿真电路结构如图4-3所示，其仿真结果如图4-4所示。图4-3切比雪夫I型带通滤波器原理图图4-4切比雪夫I型带通滤波器仿真结果根据ADS调试出的宽频带滤波器参数，采用0805封装的电容电感元件制作相应的宽频带滤波器模块。由于实际使用的电容电感元件与ADS内调试用的理想电容电感元件之间存在误差，为了后期调试的方便，因此本文采用贴片电容、贴片电感与空芯线圈电感结合的形式进行宽频带滤波器模块的调试与制作，空芯线圈电感模型如图4-5所示。图4-5空芯线圈电感模型图空芯线圈电感[49]一般应用于频率较高的场合，其形状一般为圆形螺旋形状，在射频频段滤波器设计中经常使用，其电感量如式（4-4）所示。（4-4）本文将直径为0.3mm的铜线绕制在直径为2mm的M3硬度麻花钻上用来制作空芯线圈电感，整个空芯线圈电感的长度为0.4mm，由上述公式计算出，其电感值在16nH左右。将绕制好的空芯线圈电感、贴片电感和贴片电容焊接至电路板对应位置，将输出端连接至网络分析仪，不断调试其S参数。最终调试出的宽频带滤波器单元的S参数如图4-6所示，在300MHz~3GHz频带范围内通带内较为平坦，其他频带信号衰减较快，与仿真结果接近，满足设计要求。图4-5M3硬度麻花钻与0.3mm铜线实物图图4-6宽频带滤波器单元实测图1.2.2宽频带低噪声放大器单元设计本文采用原TriQuint公司生产的一款低噪声、宽频带、可级联且高线性增益宽带低噪声放大器芯片TQP3M9008，其工作频带范围为50MHz-4000MHz，在1.9GHz时，增益为20.6dB，噪音系数为1.3dB，通带范围内无条件稳定，TQP3M9008芯片内部输入输出匹配至50欧姆，根据TQP3M9008低噪声放大器芯片的技术手册，对其进行直流偏置电路设计，如图4-7所示，其中C1=100pF，C2=100pF，C3=0.01μF，L1=68nH。图4-7TQP3M9008偏置电路原理图由于单级低噪声放大器芯片TQP3M9008的在300MHz-3000MHz频带内的增益为20.6dB±5dB，因此，采用单级的低噪声放大器结构无法满足增益要求。本文对于低噪声放大电路采取两级级连放大形式，由于TQP3M9008相关技术手册并未给出两级级联形式电路，借助ADS软件进行设计，在原TriQuint公司官网下载TQP3M9008的S2P文件并导入ADS软件中的四引脚芯片模型，对其两级级联低噪声放大电路进行仿真优化，两级级联放大电路结构如图4-8所示。为了避免两级级联低噪声放大器电路出现不稳定性情况，引入由R3、R4、R5所示的π型衰减器结构[50]。图4-8低噪声信号放大器模块原理仿真图经过ADS软件对两级级联低噪声放大器电路参数进行优化，最终TQP3M9008两级级联低噪声放大电路的S参数如图4-9所示。整个TQP3M9008两级级联低噪声放大电路在300MHz-3000MHz的频带范围内，其增益在28dB-44dB之间，稳定性系数恒大于1，在整个频带内稳定，噪音系数在0.3-1.2dB之间，输入端口、输出端口的驻波比在1左右，满足设计要求。（a）参数S11、S21曲线图 （b）稳定性参数K曲线图（c）噪声系数NFmin曲线图 （d）输入端口驻波比VSWR1参数（e）输出端口驻波比VSWR2图4-9TQP3M9008两级级联低噪声放大电路优化仿真参数图1.2.3检波电路单元设计本文所设计的检波电路是基于二极管包络检波电路的原理进行的，包络检波电路[51]是基于二极管的单向导电性导致电容充放电时间不一致来实现的。本文采用Agilent公司生产的高频检波二极管HSMS2852实现，HSMS2852芯片内部为两个二极管串联的形式，在Agilent公司官网下载HSMS2852芯片的S参数文件并导入ADS软件中的三引脚芯片模型在ADS中建立如图4-10所示的二极管HSMS2852检波电路模型，并对其进行仿真分析，仿真结果如图4-11所示。图4-10二极管HSMS2852检波电路模型图4-11二极管HSMS2852检波效果图1.2.4信号调理单元的集成与测试综合本文所设计的宽频带滤波器单元、宽频带低噪声放大器单元和检波电路单元，进行一体化集成电路设计，整个信号调理单元的PCB板图如图4-12所示，由于局部放电UHF调理单元处理信号频率为300MHz-3000MHz，为了减小电路分布参数的影响，PCB板图内所有的电子元件全部采用贴片类形式，局部放电UHF调理单元PCB板图的整体尺寸为90mm*35mm。图4-12局部放电UHF调理单元PCB板图对本文所设计的PCB板图进行焊接，最终的完整电路如图4-13所示。由于GIS长期工作于工况复杂的电磁环境内，极易对本文所设计的局部放电UHF调理单元工作产生影响，因此，本文设计如图4-14所示的屏蔽铝盒，其整体结构尺寸为110mm*75mm*29mm，外接供电电源输入采用穿心电容的形式，起到消除高频耦合的作用。图4-13局部放电信号调理单元实物图图4-14屏蔽铝盒实物图UHF信号调理单元电路制作完成之后，对其进行测试。使用电子脉冲发生器模拟局部放电，利用天线传感器接收，天线接收到的UHF信号利用BNC多路转接头分为两路接至示波器，其中一路信号不经任何处理直接连接至示波器，查看局放信号的原始波形，另一路信号经过UHF信号调理单元处理后连接至示波器，查看局放信号经调理单元处理后波形，通过两个波形比较，查看信号经调理单元的检波效果，通过示波器定量测量信号经调理单元后的幅值与频率。测试结果如图4-15所示，UHF信号经信号调理单元输出之后的信号幅值在1V左右，频率在1MHz左右，满足设计要求。图4-13现场测试环境图4-14示波器测试结果图1.2.5局部放电UHF信号采集单元本文所设计的局部放电UHF信号采集单元采用凌华公司生产的PCI-9812采集卡，PCI-9812采集卡拥有四个采集通道，最高采用频率20MHz，最高输入信号电压为±5V，因其具有易于二次开发的特性而被广泛应用，其结构如图4-15所示。图4-15PCI-9812采集卡实物图1.3GIS局部放电故障在线监测平台软件部分开发与实现1.3.1局放检测软件系统的整体设计与开发本文所设计的GIS局部放电故障在线监测平台的整体结构框架示意图如图4-16所示，其整体包括用户管理模块、局部放电特高频信号监测模块、历史查询模块和退出模块组成。图4-16GIS局部放电故障在线监测平台软件系统结构框架用户管理模块的作用是为整个GIS局部放电故障在线监测平台系统添加使用者个人账户信息，保证整个软件系统的安全性；局部放电特高频信号监测模块是对GIS内部由于局部放电产生的UHF信号进行实时采集，进行局部放电次数的统计与局部放电程度的显示，并对监测信息进行储存；历史查询模块可以调取之前存储的UHF监测数据，方便对GIS运行状况进行分析；退出模块功能为为用户提供系统退出的方式。用户管理模块、局部放电特高频信号监测模块、历史查询模块和退出模块的主界面如图4-17所示。（a）用户登录主界面（b）用户管理主界面（c）功能选择主界面（d）系统退出主界面（e）UHF监测主界面（f）历史信息查询主界面图4-17GIS局部放电故障在线监测平台主界面1.3.2局放检测平台软件系统的实测分析在实验室内对本文所设计的GIS局部放电故障在线监测平台进行测试，采用电子脉冲打火器模拟GIS局部放电故障，用第3章研制的外置式复合宽频带UHF天线作为局部放电信号的信号接收单元，用第4章研制的UHF信号调理单元对天线传感器输出的电压信号进行滤波、放大与检波处理，最终，GIS局部放电故障在线监测平台的检测信号如图4-18所示，图中红色信号线为50Hz工频信号，蓝色信号线为经过检波电路处理后的天线输出信号，从图中可以看出，目前有一个脉冲信号，其幅值为1V左右，局部放电发生次数为1次，放电信号警示灯亮起，显示为中度放电故障，随着脉冲打火器随着天线传感器距离缩短，GIS局部放电故障在线监测平台接收到的信号幅值会随着增加。图4-18GIS局部放电特高频信号监测图1.4小结本章采用理论分析与实验室测试研究相结合的方法，设计了基于LabVIEW编程开发的GIS局部放电故障在线监测平台，主要进行了以下几方面的工作：1.确定GIS局部放电故障在线监测平台的整体设计方案。通过对GIS近些年运行情况与故障情况的调研与统计，借助模块化思想将GIS局部放电故障在线监测平台详细分为四个部分，分别为局部放电UHF检测系统接收模块、局部放电UHF检测系统信号调理模块、局部放电UHF检测系统采集模块以及局部放电UHF检测系统软件模块，每个模块又由不同的内容组成；2.GIS局部放电故障在线监测平台系统硬件设计及搭建。主要包括选择GIS局部放电检测系统信号采集装置，根据第3章外置式宽频带复合天线耦