本實用新型涉及電力設(shè)備局部放電檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種超高頻局部放電信號模擬源裝置。

背景技術(shù)：

電力變壓器、封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）等大型電氣設(shè)備的絕緣可靠性會直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。從制造到投運過程中，設(shè)備內(nèi)部會不可避免地產(chǎn)生絕緣缺陷，引發(fā)故障并可能發(fā)展擴大，嚴重威脅設(shè)備安全。檢測設(shè)備局部放電（partial discharge，PD）參量是診斷絕緣狀況的有效手段之一，根據(jù)伴隨PD發(fā)生的不同物理現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者提出了脈沖電流法、超聲波法、超高頻（UHF）法、化學(xué)法等多種PD監(jiān)測方法。其中，針對PD超高頻電磁信號的UHF法是目前PD檢測的主流方法。

超高頻信號的頻率范圍為0.3-3GHz，高于電暈等主要現(xiàn)場干擾信號的頻帶，UHF法具有檢測頻帶寬、抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點。目前超高頻信號放電量的標(biāo)定及分析仍是該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，通過對UHF信號在時域、頻域及相位特征等方面的分析，可以實現(xiàn)對PD嚴重程度、放電模式等方面的分析。超高頻局部放電信號既是絕緣缺陷的電氣特征，又是局部放電傳感器及檢測單元的監(jiān)測對象。為驗證局部放電傳感器及檢測單元的性能，尤其是分析傳感器的靈敏度及頻率特性，并進一步驗證檢測單元獲取2維與3維譜圖的準(zhǔn)確性，需要穩(wěn)定且具有多種放電模式的局部放電信號。目前，利用各類典型局放缺陷模型在外加高壓作用下會產(chǎn)生局部放電是獲取超高頻局部放電信號的常見途徑，然而局部放電特征參數(shù)會受到電源電壓波動、電極型式、電極絕緣材料燒蝕、大氣參數(shù)等因素的影響，難以獲取在交流電壓作用下周期性穩(wěn)定輸出的局部放電信號。因此，研究具有穩(wěn)定放電特征參數(shù)且參數(shù)可調(diào)節(jié)的局部放電源對評估不同超高頻傳感器、檢測單元性能具有重要的價值。

目前，模擬UHF PD信號的放電信號源可以分為以下2類。1）模擬法。通過研究電力設(shè)備的PD并統(tǒng)計歸類，根據(jù)絕緣缺陷放電形式和特點構(gòu)建人工PD物理模型。在外施電壓下產(chǎn)生局部放電，不同模型產(chǎn)生不同類型的局部放電，其不足是信號的放電量和放電圖譜會隨放電過程變化，信號源不穩(wěn)定并具有較大的分散性。2）脈沖法。構(gòu)建電路產(chǎn)生ns級信號。按脈沖產(chǎn)生原理脈沖源可分為2類：①將能量較長時間地存儲在儲能系統(tǒng)中，通過高速開關(guān)迅速釋放到阻性負載，形成前沿和脈寬很窄的脈沖。開關(guān)是此類脈沖源的關(guān)鍵，其類型決定脈沖源的指標(biāo)。②利用高速數(shù)字電路的競爭冒險原理，合理組合門電路使經(jīng)過不同路徑的信號具有不同的時延和相位，再用解析器件產(chǎn)生陡脈沖。利用脈沖法產(chǎn)生單脈沖，該脈沖陡度高、穩(wěn)定性強，但是放電頻率和脈沖重復(fù)率不能調(diào)節(jié)，且無交流電壓下局部放電相位關(guān)系，不能有效反應(yīng)真實的局部放電特征。

在實現(xiàn)本實用新型的過程中，實用新型人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在因此，現(xiàn)有的局部放電信號源輸出信號特征參量不穩(wěn)定且不易調(diào)節(jié)，或沒有局部放電相位特征，不能很好地用于局部放電傳感器、檢測單元的校核和評估等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于，針對上述問題，提出一種超高頻局部放電信號模擬源裝置，以解決超高頻放電信號存在放電參數(shù)不穩(wěn)定和不易調(diào)節(jié)的難題，增強了測試的準(zhǔn)確性和可靠性。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種超高頻局部放電信號模擬源裝置，主要包括：控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線，所述控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線依次連接，所述信號合成單元包括高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、信號調(diào)制模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、放大模塊和外接脈沖源接口，所述信號調(diào)制模塊分別與高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、外接脈沖源接口和放大模塊連接。

進一步地，所述控制單元為具有多路模擬輸入、兩路模擬輸出和數(shù)字輸入輸出接口的USB-6211多功能模塊。

進一步地，所述發(fā)射天線為寬頻帶全向發(fā)射天線，具體為離散化加工的盤錐天線，所述盤錐天線的帶寬為0.3-1.5GHz。

進一步地，所述高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊包括電壓互感器、工頻選擇開關(guān)和過零比較器，220V交流電或220V交流電經(jīng)電壓互感器后的二次電壓作為輸入信號，經(jīng)工頻選擇開關(guān)和過零比較器后將信號傳輸至控制單元。

進一步地，所述脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元包括ICL8038精密波形發(fā)生器，具體為電阻連接在ICL8038的4管腳與電源正極性端之間，電阻連接在ICL8038的5管腳與電源正極性端之間，電阻連接在ICL8038的12管腳與電源負極性端之間，電阻連接在ICL8038的9管腳與電源正極性端之間，ICL8038的11管腳與電源負極性端連接，電容連接在ICL8038的12管腳與電源負極性端之間。

進一步地，所述發(fā)射天線與信號合成單元的連接方式具體為，信號合成單元的調(diào)制模塊通過50Ω同軸電纜與雙錐天線連接，所述雙錐天線相聚20cm與盤錐天線連接，所述盤錐天線通過電纜與示波器連接。

本實用新型各實施例的超高頻局部放電信號模擬源裝置，由于主要包括：控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線，所述控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線依次連接，所述信號合成單元包括高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、信號調(diào)制模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、放大模塊和外接脈沖源接口，所述信號調(diào)制模塊分別與高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、外接脈沖源接口和放大模塊連接；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中超高頻放電信號存在放電參數(shù)不穩(wěn)定和不易調(diào)節(jié)的難題，增強了測試的準(zhǔn)確性和可靠性。

本實用新型的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的限制。在附圖中：

圖1為本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置的超高頻信號的產(chǎn)生原理圖；

圖2為本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置實施例中的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置實施例中的前面板整體框圖；

圖4為本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置實施例中的脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元電路圖；

圖5為本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置實施例中的天線發(fā)射測量單元。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

具體地，結(jié)合圖2，一種超高頻局部放電信號模擬源裝置，主要包括：控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線，所述控制單元、信號合成單元和發(fā)射天線依次連接，所述信號合成單元包括高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、信號調(diào)制模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、放大模塊和外接脈沖源接口，所述信號調(diào)制模塊分別與高頻正弦發(fā)生模塊、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊、脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元、外接脈沖源接口和放大模塊連接。

所述控制單元為具有多路模擬輸入、兩路模擬輸出和數(shù)字輸入輸出接口的USB-6211多功能模塊。

所述發(fā)射天線為寬頻帶全向發(fā)射天線，具體為離散化加工的盤錐天線，所述盤錐天線的帶寬為0.3-1.5GHz。

圖2中，所述高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊包括電壓互感器、工頻選擇開關(guān)和過零比較器，220V交流電或220V交流電經(jīng)電壓互感器后的二次電壓作為輸入信號，經(jīng)工頻選擇開關(guān)和過零比較器后將信號傳輸至控制單元。

結(jié)合圖4，所述脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元包括ICL8038精密波形發(fā)生器，具體為電阻連接在ICL8038的4管腳與電源正極性端之間，電阻連接在ICL8038的5管腳與電源正極性端之間，電阻連接在ICL8038的12管腳與電源負極性端之間，電阻連接在ICL8038的9管腳與電源正極性端之間，ICL8038的11管腳與電源負極性端連接，電容連接在ICL8038的12管腳與電源負極性端之間。

結(jié)合圖5，所述發(fā)射天線與信號合成單元的連接方式具體為，信號合成單元的調(diào)制模塊通過50Ω同軸電纜與雙錐天線連接，所述雙錐天線相聚20cm與盤錐天線連接，所述盤錐天線通過電纜與示波器連接。

本實用新型提出了一種采用信號合成方式來模擬UHF PD信號的方法，并研制了局部放電模擬信號發(fā)生裝置。該裝置可通過獲取多種真實局部放電信號建立譜圖庫，通過模擬信號發(fā)生裝置產(chǎn)生可調(diào)節(jié)相位-放電量（）、（）譜圖的超高頻局部放電信號。通過真實的UHF PD信號的工頻包絡(luò)信號（譜圖）并與各脈沖信號模塊、高頻信號模塊輸出的信號進行幅值調(diào)制，產(chǎn)生多路合成的局部放電信號。輸出局部放電信號可以反映不同PD在工頻相位區(qū)間內(nèi)的時頻分布特性，信號頻率、脈沖重復(fù)率和輸出功率可調(diào)，適用于對局部放電監(jiān)測裝置性能的檢測和評估。

電力設(shè)備局部放電脈沖電流波形上升時間僅為幾ns，甚至＜1ns，脈沖電流會激發(fā)出高頻電磁波，其等效轉(zhuǎn)移電荷量為數(shù)pC至上千pC，能量集中頻段為0.3-1.5GHz。工頻電壓作用下，PD信號呈現(xiàn)出特定的工頻分布規(guī)律。局部放電時間相關(guān)（time resolved partial discharge, TRPD）與局部放電相位相關(guān)（phase resolved partial discharge, PRPD）模式是目前分析局部放電信號最主要的方法，TRPD模式分析信號波形的時域特征，PRPD模式分析相位區(qū)間的放電次數(shù)、放電幅值的特征，因此要求放電源信號同時具備PD的時域信息和相位信息。一種超高頻局部放電信號模擬源裝置，其特征在于采用了多路信號合成的方式模擬產(chǎn)生放電信號，用不同的單元模擬PD的不同特征，放電信號同時包含PD UHF信號的時頻、相位特性，可有效反應(yīng)局部放電特征。

局部放電的時域特征體現(xiàn)在信號的波形特征上，通過對局部放電信號波形進行分析，本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置采用2種方案實現(xiàn)對單次放電脈沖的模擬，即衰減振蕩高頻信號和單脈沖信號。單脈沖信號波形陡度更接近UHF信號，但其波形參數(shù)不易調(diào)節(jié)；衰減振蕩高頻信號由可調(diào)頻單頻信號與雙指數(shù)函數(shù)包絡(luò)信號的幅值調(diào)制而成，模擬單次放電的放電振蕩波形。這2種時域信號各有優(yōu)劣，由于單脈沖信號的時域波形不易改變，本實用新型一種超高頻局部放電信號模擬源裝置采用內(nèi)部產(chǎn)生衰減振蕩高頻信號模擬局部放電信號的方案，對單脈沖信號預(yù)留了輸入接口，可由外部輸入單脈沖信號模擬局部放電波形，2種模式可切換工作。

局部放電信號的相位特性體現(xiàn)為放電的、譜圖，它們分別表示為工頻周期內(nèi)放電幅值和放電次數(shù)的包絡(luò)線，也常稱為局部放電的“放電指紋”，是區(qū)分不同放電類型的重要特征。本實用新型通過典型電極模型實驗獲取這些放電類型的指紋圖譜，即工頻周期幅值包絡(luò)線，并將作為多種放電類型數(shù)據(jù)庫，放電類型數(shù)據(jù)庫也可修改和補充現(xiàn)場獲取真實局部放電數(shù)據(jù)。通過模擬信號源裝置加載不同放電類型的包絡(luò)線，即可模擬不同放電類型的相位譜圖特征，也可用于驗證不同局部放電檢測裝置譜圖獲取的準(zhǔn)確性。

一種超高頻局部放電信號模擬源裝置主要分為控制單元1、信號合成單元2、寬頻帶全向發(fā)射天線3等三大部分。上位機控制單元由圖形化編程軟件labVIEW實現(xiàn)放電包絡(luò)譜圖、放電重復(fù)率、高頻信號頻率等控制；信號合成單元主要主要包括下位機控制單元4、高頻正弦發(fā)生模塊5、高頻包絡(luò)信號發(fā)生模塊6、信號調(diào)制與放大模塊7，外接脈沖源接口8等，可實現(xiàn)多種信號的幅值調(diào)制控制，最后通過天線發(fā)射電磁波信號。

所述的虛擬儀器可實現(xiàn)信號控制與信號發(fā)生功能。主控模塊采用NI USB-6211多功能模塊，具有多路模擬輸入、兩路模擬輸出和數(shù)字輸入輸出接口，實現(xiàn)信號控制與傳輸。

結(jié)合圖3，LabVIEW采用圖形化編輯語言G編寫程序，適合于控制系統(tǒng)的開發(fā)，軟件編程包括前面板和后面板設(shè)計。首先根據(jù)功能需求編寫程序框圖，即后面板設(shè)計，再設(shè)計相應(yīng)的前面板，便于控制。主要功能包括：①輸出模擬電壓控制高頻正弦發(fā)生模塊的信號頻率及脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元的方波頻率；②選取不同放電類型的工頻包絡(luò)信號輸出。

所述的工頻包絡(luò)信號選取實測的UHF PD信號，經(jīng)數(shù)學(xué)處理得到各類PD的典型工頻包絡(luò)線，以數(shù)組的形式存放于放電類型數(shù)據(jù)庫中，并由程序調(diào)用后由NI USBx6211模擬端口輸出。交流電壓作用下，局部放電的譜圖具有周期重復(fù)性，其重復(fù)頻率與工頻頻率相同。本實用新型采用220V交流電或變電站電壓互感器（TV）二次電壓作為工頻觸發(fā)單元輸入信號，單元在電壓正過零點輸出上升沿信號，重復(fù)調(diào)用放電包絡(luò)信號，則局部放電模擬信號源可持續(xù)輸出具有工頻相位特征的模擬局部放電信號。

所述的衰減振蕩高頻信號可實現(xiàn)對單次放電脈沖的模擬，其由可調(diào)頻單頻信號與雙指數(shù)函數(shù)包絡(luò)信號在信號調(diào)制模塊內(nèi)進行幅值調(diào)制產(chǎn)生。其中，可調(diào)頻單頻信號由高頻正弦發(fā)生模塊產(chǎn)生，信號頻率在0.3-1.5GHz之間平滑調(diào)節(jié)，可模擬不同等效頻率的超高頻信號。雙指數(shù)函數(shù)包絡(luò)信號由高頻包絡(luò)信號模塊產(chǎn)生，本模塊采用RC一階電路。直流電源V經(jīng)過充電電阻對電容C通電，通過高速開關(guān)S的通斷實現(xiàn)對負載的放電，在兩端形成雙指數(shù)函數(shù)包絡(luò)信號。選取參數(shù)合適的電阻、電容，保證電容在開關(guān)導(dǎo)通前充分充電。將阻性負載上形成的雙指數(shù)包絡(luò)信號與可調(diào)頻單頻信號進行一次調(diào)制，得到衰減振蕩高頻信號，用來模擬單次局部放電的放電振蕩波形。

所述的ICL8038精密波形發(fā)生器作為脈沖重復(fù)率調(diào)節(jié)單元，其外圍電路為上拉電阻，為輸出正弦波的調(diào)節(jié)電阻，與為占空比調(diào)節(jié)電阻，為保證輸出脈沖信號占空比為50%，先調(diào)節(jié)，再配合外接振蕩電容控制輸出方波的頻率范圍。掃描電壓由USB-6211模塊輸出，通過改變的幅值大小可控制輸出方波的頻率變化，使之在3.5-100kHz內(nèi)可調(diào)。

工頻包絡(luò)信號與衰減振蕩高頻信號在信號調(diào)制模塊進行二次幅值調(diào)制，從而得到包含工頻相位信息及高頻振蕩波形的模擬放電信號。經(jīng)濾波、放大后，輸出信號功率可達25dB，并由發(fā)射天線輻射。局部放電超高頻電磁波向外輻射具有全向性，為有效模擬信號源信號發(fā)射，并盡可能接近PD電磁波傳播過程，本實用新型選用實驗室設(shè)計的離散化加工的盤錐天線，天線的帶寬為0.3-1.5GHz。

至少可以達到以下有益效果：滿足了超高頻局部放電傳感器及檢測系統(tǒng)性能，針對超高頻檢測技術(shù)面臨的一些技術(shù)問題，解決了超高頻放電信號存在放電參數(shù)不穩(wěn)定和不易調(diào)節(jié)的難題，增強了測試的準(zhǔn)確性和可靠性。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。