高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置

摘要

本发明公开了一种高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置，主要包括绝缘外壳、开关、局部放电模式发生器、高速功率放大单元、脉冲发射天线、可充电电池。其中，可充电电池通过固定在绝缘外壳上的插口与外部充电器连接。本发明高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置，可以模拟局部放电产生的电磁脉冲信号以及对应于空穴、沿面及电晕等局部放电模式的脉冲序列信号，改进了目前多种地电波测量仪器的考核和评价方法，填补局部放电信号的产生及缺陷模式识别方面的空白。外壳可以耐受高压，装置总重量不足500g，具有便携、安全的特点，特别适合电力企业开展高压开关柜局部放电研究、商用测试仪器考核及职工技能培训等工作。

说明书

技术领域

本发明涉及电力设备智能化技术及其应用领域，具体是高压开关柜中多种 故障下局部放电模式的高效模拟装置。

背景技术

开关柜是电力系统的重要设备，其安全运行对电力系统的可靠性具有重 大影响。一旦发生故障，设备本身受损，用户停电中断，有时还会危及运行 人员的人身安全。基于地电波测量的非侵入式高压开关柜类设备内部局部放 电监测技术自1990年欧洲、东南亚等国家和地区的电力企业广泛应用。通 过在这些设备的外壳表面短时或长期安置地电波传感器，测量外表面地电波 信号的强度和活动频率，可以方便地实现开关柜绝缘状态监测和故障诊断， 实践表明效果很好。自2006年，我国电力企业也引进了这项新技术（主要 是英国EA Technology公司的产品），迅速得到认可，获得了越来越多的应 用。近些年来，我国也有不少厂家掌握了地电波监测技术，开发了相关产品。 目前市场上形成了国内外多个厂家供应以地电波技术为主的开关柜局放监 测产品。

目前电力企业在开展相关工作中面临着若干问题有待解决：1）在采购产 品时，为了选择和考核产品的性能，需要制作多种缺陷模型，在高压开关柜上 施加高压来激发放电；由于放电固有的随机性，放电信号难以准确重现，无法 确保测试的可靠性，影响测试的客观性和公正性；2）目前新推出的产品逐渐 添加了局部放电模式测试等功能，尤其是固定安装的在线监测产品，尚无合适 的考核方法；3）地电波监测技术，作为一种新的监测手段，电力职工需要在 培训基地以及现场接受训练，需要安全、高效的训练工具。因此，设计和制作 一种安全的局部放电信号及模式的高效模拟装置，解决电力企业在应用实践中 存在的问题，实属当前业界的重要研究课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压开关柜中多种局部放电模式的高效模拟 装置，可以模拟局部放电产生的电磁脉冲信号以及对应于空穴、沿面及电晕等 局部放电模式脉冲序列信号，具有安全、便携、高效的特点，从而解决当前电 力企业在开关柜地电波监测技术的应用实践中面临的产品考核、现场应用以及 职工相关技能培训等方面存在的困难。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

1.高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置，装置由绝缘外 壳、插头、开关、可充电电池、局部放电模式发生器、功率放大单元、接地板 及脉冲发射天线构成。开关、可充电电池、局部放电模式发生器、功率放大单 元、接地板设置在绝缘外壳内。插头安装在绝缘外壳上。

各部件结构：

所述的绝缘外壳采用环氧树脂材质，外壳厚度2mm，长80mm、宽80mm和 高100mm。

所述的插头为香蕉插头。

所述的可充电电池采用锂电池。

所述的局部放电模式发生器由微处理器单元、电子存储器、现场可编程门 阵列（FPGA）、高速数模装换芯片（DAC）组成。以微处理器单元为中心，连接 电子存储器以及现场可编程门阵列（FPGA）。现场可编程门阵列（FPGA）与高 速数模装换芯片（DAC）相连。高速数模装换芯片（DAC）连接到高速功率放大 单元。

所述的高速功率放大单元由高速运算放大器集成电路构成，选用高速运算 放大器集成电路OPA627。

所述脉冲发射天线由输入端子、半径60mm的PCB板和接地端子构成；PCB 板一侧为输入端子和接地端子，输入端子与接地端子通过圆环形铜线连通，形 成了一个磁偶极子天线，圆环半径50mm；输入端子与功率放大单元连接，接 地端子与接地板连接。

所述接地板是中间有孔的金属板。

各部件的连接关系：

所述脉冲发射天线穿过绝缘外壳和接地板连接在功率放大单元上；脉冲发 射天线的输入端子与功率放大单元的一端连接；功率放大单元的另一端与局部 放电模式发生器的一端连接；局部放电模式发生器的另一端与可充电电池连 接；可充电电池与开关连接；开关通过绝缘外壳上的插头与外部充电器连。

2.高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置的应用于：

1）考核商用产品的性能；

2）现场应用中培训员工地电波监测技术的应用技能。

本发明具有如下优点：

1、模拟装置的外壳具有10kV的绝缘水平，因此监测人员可以非常安全地 操作该仪器；

2、局部放电信号及局部放电模式能够存储，确保局部放电信号及模式的 准确性及重复性。

3、局部放电信号及局部放电模式也可以根据需要随时更新，确保局部放 电信号及模式的多样性。

4、使用本发明时，操作人员只需将模拟装置放置在开关柜内部，开启电 源，装置即工作，发射出具有局部放电特征的电磁波，可用来考核开关柜外部 的地电波传感器及监测仪器的性能或相关仪器操作者的使用技能。如此，大大 提高了电力企业在产品测试、技能考核等方面工作的效率和效果。

附图说明

图1是本发明高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置的 组成示意图。

图2是本发明高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置的 局部放电模式发生器组成示意图。

图3是本发明高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置的 脉冲发射天线基本结构示意图。

图4是本发明高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置， 用于考核商用高压关柜局部放电监测仪器的性能以及培训员工开展地电波测 试的示意图。

以上图中，绝缘外壳11，插头12，开关13，可充电电池14，局部放电模 式发生器15，高速功率放大单元16，接地板17，脉冲发射天线18，微处理器 单元21，电子存储器22，现场可编程门阵列（FPGA）23，高速数模装换芯片 （DAC）24，输入端子31，接地端子32，开关柜41，模拟装置42，地电波传感 器一43，地电波传感器二44，信号电缆一45，信号电缆二46，输入示波器 47。

具体实施方式

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手 段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置的组成如图1所 示，高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置由绝缘外壳11、 插头12、开关13、可充电电池14、局部放电模式发生器15、高速功率放大单 元16、接地板17及脉冲发射天线18构成。开关13、可充电电池14、局部放 电模式发生器15、功率放大单元16、接地板17设置在绝缘外壳11内。插头 12安装在绝缘外壳11上。

各部件结构：

所述的绝缘外壳11采用环氧树脂材质，外壳厚度2mm，长80mm、宽80mm 和高100mm。

所述的插头12为香蕉插头。

所述的可充电电池14采用锂电池。

所述的局部放电模式发生器15结构如图2所示，

由微处理器单元21、电子存储器22、现场可编程门阵列（FPGA）23、高 速数模装换芯片（DAC）24组成。微处理器单元21选用ARM V7的德州仪器（TI） 的OMAP34X0，电子存储器22选用WS25S022A，现场可编程门阵列（FPGA）23 选用Altera Xilinx、高速数模装换芯片（DAC）24可选AD768。以微处理器 单元21为中心，连接电子存储器22以及现场可编程门阵列（FPGA）23。现场 可编程门阵列（FPGA）23与高速数模装换芯片（DAC）24相连。高速数模装换 芯片（DAC）24连接到高速功率放大单元16。

所述的高速功率放大单元16由高速运算放大器集成电路构成，选用高速 运算放大器集成电路OPA627。

所述脉冲发射天线18由输入端子31、半径60mm的PCB板和接地端子32 构成，功能是完成和16单元的电气连接；PCB板一侧为输入端子31和接地端 子32，输入端子31与接地端子32通过圆环形铜线连通，形成了一个磁偶极 子天线，圆环半径50mm；其中输入端子31与功率放大单元16连接，接地端 子32与接地板17连接。

所述接地板17是中间有孔的金属板。采用1mm厚、半径20mm的铜板或铝 板实现。中间的小孔直径5mm。

各部件的连接关系：

所述脉冲发射天线18穿过绝缘外壳11和接地板17连接在功率放大单元 16上；脉冲发射天线18的输入端子31与功率放大单元16的一端连接；功率 放大单元16的另一端与局部放电模式发生器15的一端连接；局部放电模式发 生器15的另一端与可充电电池14连接；可充电电池14与开关13连接；开关 13通过绝缘外壳上的插头12与外部充电器连。

其中，绝缘外壳11可采用环氧树脂类绝缘材质，厚度小于3mm，大于1mm。 开关13可选用普通纽子开关。可充电电池14的选用电压5V、容量2100mAh 的锂电池。

应用本发明的高压开关柜中多种故障下局部放电模式的高效模拟装置时， 可应用在以下两个方面，参考图4，将本发明的高效模拟装置42放置在高压 开关柜41内部。

1）考核商用产品的性能

采购性价比高的测仪器是电力公司技术主管部门日常的一项工作。应用本 发明，可以安全方便地达到这一目的，并且由于克服了真实局部放电的随机性， 考核不同产品是使用的是完全一样的测试信号，不同商家的产品性能可以客观 地评价。举例来说，如图4，2个地电波传感器43、44分别紧贴在开关柜41 的外表面，模拟装置42发射的电磁波被耦合到2个地电波传感器，经2根信 号电缆45、46输入示波器47，观察开关柜表面同样位置上的不同商用监测系 统的信号的波形、幅值、信号的时间差等可以知道传感器的性能是否稳定、一 致、灵敏度相对高低、定位系统的时间分辨率等。对于固定安装的在线监测产 品，其故障模式的诊断识别能力立即得到检验。

特别强调的是，保存在电子存储器22中的局部放电数据是通过真实局部 放电系统记录下来的数据，这些数据可以来自通过调整缺陷的尺寸等建立的数 据库，从而避免测试模式的单一性。

2）现场应用中培训员工地电波监测技术的应用技能

电力公司的员工将两个地电波传感器43、44在开关柜表面移动可以体验 地电波信号随着距离的变化、传感器不同间距时通道之间的时间差，达到培训 员工安全、快速地掌握相关监测仪器的使用方法、提高监测技能的目的。

可见，本发明解决了目前电力企业在开展地电波技术的推广工作中面临的 三个问题：1）在筛选、购买商用产品过程中公正、高效的入网测试问题；2） 固定安装的在线监测产品局放模式识别功能的考核问题；3）电力职工掌握相 关技术时必需的安全、高效的训练方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的 限制，例如显然该发明也可以用于超高频监测产品的考核和技术培训工作。本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰， 均落在本发明的保护范围内。