一种无源复合型超声波局放传感器及监测系统

摘要

本发明提供一种无源复合型超声波局放传感器及监测系统，安装于高压输电线网中的待测设备上；包括电源模块、超声波局放采集模块、感应闭合线圈和MCU控制模块；感应闭合线圈与输电线电性连接，用于感应高压输电线路的电流所产生的电磁变化信号；电源模块的一端与感应闭合线圈电性连接、另一端与MCU控制模块电性连接，用于为MCU控制模块提供电源；超声波局放采集模块，用于当待测设备存在局部放电现象时，生成第一电压信号并将第一电压信号发送给MCU控制模块，从而使得MCU控制模块将第一电压信号发送给后台监控系统，以使得后台监控系统根据第一电压信号对待测设备的局部放电现象进行诊断。本发明具有体积小、取电方便等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波局放传感器，尤其涉及一种无源复合型超声波局放传感器及监测系统。

背景技术

目前来说，对于设备的局部放电现象的检测方法有多种，比如脉冲电流法、TEV法、UHF法、超声波法、光检测法、红外测量法等，其中，UHF法和超声波法适合于在线检测。由于超声波法与被测设备无电气连接，不受变电站所产生的电磁干扰，常用于设备的局部放电现象的检测。但是，现有的超声波检测法，采用有源电池进行供电，通常需要在检测设备中预留出电池空间，用于安装电池，由于被测设备一般为高压输电线网中的输电线、绝缘子等处于野外的设备，当电池没电时，需要维护人员将检测设备取下更换电池，导致维护成本加大；同时，由于检测设备需要预留电池空间，使得检测设备的体积较大，不便于安装。同时，由于其体积较大，很难适用于高低压设备的局放检测，比如开关柜、母线、断路器以及输电线路终端等空间较小的设备。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种无源复合型超声波传感器，其能够解决现有技术中的局部放电现象诊断设备的零部件多、维护成本高、体积大等问题。

本发明的目的之二在于提供一种无源复合型超声波传感器的监测系统，其能够解决现有技术中的局部放电现象诊断设备的零部件多、维护成本高、体积大等问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种无源复合型超声波局放传感器，所述无源复合型超声波局放传感器安装于高压输电线网中的待测设备上；所述无源复合型超声波局放传感器包括电源模块、超声波局放采集模块、感应闭合线圈和MCU控制模块；其中，感应闭合线圈与高压输电线路网中的输电线电性连接，用于感应高压输电线路的电流所产生的电磁变化信号；所述电源模块的一端与感应闭合线圈电性连接、另一端与MCU控制模块电性连接，用于根据电磁变化生成电源信号，为MCU控制模块提供电源；所述超声波局放采集模块与MCU控制模块电性连接，用于当待测设备存在局部放电现象时，生成第一电压信号并将所述第一电压信号发送给MCU控制模块，从而使得MCU控制模块将所述第一电压信号发送给后台监控系统，以使得后台监控系统根据所述第一电压信号对待测设备的局部放电现象进行诊断。

进一步地，所述无源复合型超声波局放传感器包括设备外壳和硅橡胶绑带；其中，硅橡胶绑带的一端与设备外壳的一侧固定连接、另一端与设备外壳的另一侧活动连接，通过硅橡胶绑定将设备外壳捆绑于待测设备上并与待测设备直接接触；所述电源模块、超声波局放采集模块、MCU控制模块均设于设备外壳内部。

进一步地，所述电源模块包括CT取电模块和稳压模块；其中，CT取电模块的输入端与感应闭合线圈电性连接、输出端通过稳压模块与MCU控制模块电性连接；所述CT取电模块，用于根据感应闭合线圈所感应的电磁变化信号形成第二电压信号，并将第二电压信号通过稳压模块进行稳压形成所述电源信号。

进一步地，所述电源模块包括接线端子A、接线端子K、接地端子GND、电容CX1、电容CV1、二极管D1、二极管D3、储能电容EC2、稳压管D4和电阻R7；其中，所述接线端子A、接线端子K分别与感应闭合线圈的两端电性连接，接线端子A与接线端子K之间通过感应闭合线圈而形成第二电压信号；电容CX1、电容CV1、二极管D1和二极管D3组成全波整流电路，全波整流电路与储能电容EC2的正极电性连接，用于所述第二电压信号进行整流通过储能电容EC2进行储能；所述接地端子GND接地；所述储能电容EC2通过电阻R7向外输出电源VCC；储能电容EC2的负极接地；电阻R7还通过稳压管D4接地。

进一步地，超声波局放采集模块包括MEMS麦克风U1、前置放大电路和后级放大电路；其中，前置放大电路包括电容C1、运算放大器U3、电容C3、电阻R1、电阻R30电阻R17和电阻R24；后级放大电路包括运算放大器U8、电容C2、电容C4、电容C5、电容C28、电阻R20、电阻R26、电阻R28、电阻R29、电阻R30和电阻R31；

MEMS麦克风U1的接地端GND接地、漏极输出端OUT依次通过电容C1、电阻R24与运算放大器U3的负极输入端电性连接、电源端VDD与MCU控制模块电性连接、电源端VDD还通过电容C34接地；

运算放大器U3的正极输入端通过电阻R1与MCU控制模块电性连接、通过电阻R30接地；运算放大器U3的电源正极通过电容C3接地、与MCU控制模块电性连接；运算放大器U3的电源负极接地；

运算放大器U3的输出端OUT依次通过电容C2、电阻R26、电容C5与运算放大器U8的负极输入端电性连接；运算放大器U8的正极输入端通过电阻R28与MCU控制模块电性连接、通过电阻R31接地；运算放大器U8的电源正极通过电容C4接地、与MCU控制模块电性连接；运算放大器U8的输出端OUT与MCU控制模块电性连接、通过电阻R20接入电容C5与运算放大器U8的负极输入端之间、通过电容C28接入电阻R26与电容C5之间；电容C28还通过电阻R30接地；所述MEMS麦克风U1，用于根据外部的超声波信号生成第一电压信号，并经过前级放大电路以及后级放大电路对第一电压信号进行放大后通过运输放大器U8的输出端OUT输出到MCU控制模块。

进一步地，所述MCU控制模块包括芯片U5；芯片U5的端口9分别与MEMS麦克风U1的VDD端电性连接、通过电阻R1与运算放大器U3的正极输入端电性连接、通过电阻R28与运算放大器U8的正极输入端电性连接；MCU控制模块通过芯片U5的端口9控制MEMS麦克风U1、运算放大器U3、运算放大器U8的工作状态，启动超声波局放采集模块的工作，控制超声波局放采集模块进行第一电压信号的采集；芯片U5的端口11与超声局放采集模块的运算放大器U8的输出端OUT电性连接，用于获取超声波局放采集模块采集的第一电压信号。

进一步地，所述无源复合型超声波局放传感器包括设备温度采集模块，所述设备温度采集模块与MCU控制模块电性连接，用于检测待测设备的温度并将产生的温度信号发送给MCU控制模块，从而使得MCU控制模块将温度信号发送给后台控制系统；所述MCU控制模块，还用于根据温度信号判断得出待测设备的温度大于阈值时，控制超声波局放采集模块启动以及接收超声波局放采集模块发送的第一电压信号；所述设备温度采集模块为红外测温装置或接触式测温装置。

进一步地，所述无源复合型超声波局放传感器包括通信模块，MCU控制模块通过通信模块与后台控制系统通信连接；所述通信模块为无线传输模块，所述无线传输模块包括芯片U10和天线ANT；其中，芯片U10的端口22通过电感L2与天线ANT电性连接，通过2.4G频段将MCU控制模块采集到的数据传输到后台控制系统；芯片U10的端口16、端口17、端口18、端口19、端口8、端口7、端口3分别与MCU控制模块的芯片U5的端口19、端口20、端口18、端口21、端口29、端口30、端口6电性连接。

进一步地，当后台控制系统检测到待测设备存在局部放电现象时，向MCU控制模块发送控制指令，使得MCU控制模块根据控制指令设置对超声波局放采集模块的采集频率。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种无源复合型超声波局放传感器的监测系统，包括后台控制系统和一个或多个如本发明的目的之一采用的一种无源复合型超声波局放传感器；每个无源复合型超声波局放传感器均安装于对应的待测设备上，用于将采集到的电压信号和/或温度信号发送给后台监控系统，以使得后台监控系统对待测设备的局部放电现象进行诊断。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过采用无源取电的方式替换有源电池的供电，增加设备的使用寿命，同时取消了电池容置空间，使得设备体积更小，使得设备装置更加小型化；同时不需要频繁更换电池，降低维护成本；同时，本发明采用超声波实现对待测设备的局部放电现象的数据采集以及通过无线的方式将采集到的数据上传到后台控制系统进行诊断，实现了待测设备的局部放电在线诊断。本发明还具有安装方便、操作简单等特点，可广泛应用于各种高低压设备中。

附图说明

图1为本发明提供的无源复合型超声局放传感器的模块图；

图2为无源复合型超声局放传感器与待测设备的安装示意图；

图3为图2中的设备外壳的示意图；

图4为超声局放采集模块电路图；

图5为电源模块电路图；

图6为红外测温传感器电路图；

图7为无线传输模块电路图；

图8为MCU控制模块电路图。

图中：1、设备外壳；2、待测设备；3、硅橡胶绑带；4、感应闭合线圈；5、设备温度采集模块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-8所示，一种无源复合型超声波局放传感器，包括电源模块、超声波局放采集模块和MCU控制模块。

其中，电源模块，是整个传感器的电源装置，与MCU控制模块电性连接，用于为整个装置供电，以保证装置内各个模块的正常工作。优选地，本实施例中采用的电源采用无源取电的方式实现，来替换现有技术中有源电池的供电，增加了设备的使用寿命，同时减少了放置电池器件的空间，可使得装置的体积更小型化。

也即，电源模块包括CT取电模块和稳压模块。其中，CT取电模块与输电线路电性连接，用于利用输电线路的电流所产生的磁场变化生成电压信号，并将电压信号通过稳压模块进行处理后，为装置内的各个模块提供电源。

更优选地，如图5所示，电源模块包括接线端子A、接线端子K、接地端子GND、电容CX1、电容CV1、二极管D1、二极管D3、储能电容EC2、稳压管D4和电阻R7。

其中，接线端子A、接线端子K分别与感应闭合线圈4的两端电性连接。优选地，本实施例中的感应闭合线圈4的两端与高压输电线路电性连接。由于高压输电线路上的电流所产生的电磁感应变化，可使得接线端子A、接线端子K之间形成电压信号，也即实现电磁感应变化转换为电压信号。由于本实施例是针对高压输电线网中的设备进行局部放电的检测，比如高压电缆接口、输电线、绝缘子等设备。因此，当将本实施例的传感器安装于待测设备2上时，将感应闭合线圈4与高压输电线网中的输电线电性连接，以实现无源取电的功能。

其中，电容CX1、电容CV1、二极管D1、二极管D3组成全波整流电路。全波整流电路与储能电容EC2的正极电性连接。当感应闭合线圈4接入高压输电线，由于输电线的电流产生电磁变化，从而使得接线端子A、接线端子K之间形成电压信号，该电压信号经过全波整流电路后，经过储能电容EC2进行储能。储能电容EC2通过电阻R7向外输出电源VCC，通过输出端EOUT输出电源VCC。

优选地，储能电容EC2的负极接地。电阻R7还通过稳压管D4接地，稳压管D4用于稳压，使得输出的电压信号处于稳定状态，以便保护后级电路。

本实施例利用高压电缆或输电线路的电流形成的电磁感应来实现供电，从而替代了现有的有源电池的供电，可大大延长了设备的使用寿命，同时，对于整个设备来说，减少了放置电池的空间。

优选地，由于本实施例采用无源取电的方式，因此，超声波局放传感器装置需要与待测设备2、输电线路直接接触。因此，如图2-3所示，本实施例所提供的超声波局放传感器包括设备外壳1和硅橡胶绑带3。其中，硅橡胶绑带3的一端与设备外壳1的一侧固定连接、另一端与设备外壳1的一侧活动连接。通过硅橡胶绑带3将设备外壳1捆绑于待测设备2的外部，从而使得待测设备2与设备外壳1直接接触。同时，感应闭合线圈4也捆绑于待测设备2的外部，与高压输电线路网中的高压输电线电性连接，用于感应输电线的电流所引起的电磁变化信号。

超声波局放传感器模块设于设备外壳1内，也即电源模块、超声波局放采集模块、MCU控制模块均设于设备外壳1内。同时，感应闭合线圈4一端与电源模块电性连接、一端与输电线路电性连接。感应闭合线圈4可设于硅橡胶绑定上，也可以设于其他位置。

在实际的使用过程中，通过将传感器捆绑于绝缘子或输电线路上即可实现对绝缘子或输电线路的局部放电的检测。由于本装置体积小、安装方便，便于操作。

优选地，超声波局放采集模块与MCU控制模块电性连接，用于采集由于外部的超声波信号所引起产生的电压信号，并将电压信号发送给MCU控制模块，以便根据电压信号实现对待测设备2的局部放电现象进行诊断。

优选地，本实施例的超声波局放采集模块利用超声波信号来实现局部放电的检测。具体地，超声波局放采集模块包括MEMS麦克风、运算放大器和信号调理电路。其中，MEMS麦克风的输出端与运算放大器电性连接，运算放大器通过信号调理电路与MCU控制模块电性连接。其中，MEMS麦克风是一种压电效应传感器。当待测设备2有局部放电现象时，会产生相应的超声波信号，此时超声波信号传递到MEMS麦克风时，超声波信号会传递到MEMS麦克风的薄膜硅片上，由于超声波信号的变化会使得MEMS麦克风的薄膜硅片上的电容产生变化进而形成微弱的电压信号，此时微弱的电压信号经过运算放大器进行放大、信号调理电路进行调理后发送到MCU控制模块，以便后续根据该电压信号来实现对待测设备2的局部放电现象进行检测。

更为优选地，如图4所示，超声波局放采集模块包括MEMS麦克风U1、前置放大电路和后级放大电路。MEMS麦克风U1，用于根据外部的超声波信号生成电压信号，并经过前级放大电路以及后级放大电路对电压信号进行放大后输出到MCU控制模块。

其中，前置放大电路包括电容C1、运算放大器U3、电容C3、电阻R1、电阻R30电阻R17和电阻R24。其中，电容C1、运算放大器U3、电容C3、电阻R1、电阻R30组成的偏置电压，电阻R17和电阻R24组成比例放大电路。

MEMS麦克风U1的接地端GND接地、漏极输出端OUT依次通过电容C1、电阻R24与运算放大器U3的负极输入端电性连接、电源端VDD与MCU控制模块电性连接、电源端VDD还通过电容C34接地。

运算放大器U3的正极输入端通过电阻R1与MCU控制模块电性连接、通过电阻R30接地。运算放大器U3的电源正极通过电容C3接地、与MCU控制模块电性连接。运算放大器U3的电源负极接地。

其中，MEMS麦克风U1内部设有场效应管，MEMS麦克风U1的漏极输出引脚OUT通过电容C1与运算放大器U3的反相输入端连接。由于采集信号为交流信号，电容C1起到隔直通交的功能，从而可实现对采集到的交流信号进行滤波，滤除直流信号。运算放大器U3的正极输入端还通过电阻R1与MCU控制模块电性连接。通过MCU控制模块可实现对运算放大器U3的工作控制。同理，将MEMS麦克风U1的VDD端与MCU控制模块电性连接，通过MCU控制模块控制MEMS麦克风U1的工作。

更为优选地，电阻R1、电阻R30用于为运算放大器U3提供偏置电压，保证信号的完整性和运算放大器工作在饱和导通状态。运算放大器U3的输出端通过电阻R17连接到电阻R24，构成深度负反馈及比例放大电路，通过深度负反馈可保证信号增益稳定。

优选地，后级放大电路包括运算放大器U8、电容C2、电容C4、电容C5、电容C28、电阻R20、电阻R26、电阻R28、电阻R29、电阻R30和电阻R31。

运算放大器U3的输出端OUT依次通过电容C2、电阻R26、电容C5与运算放大器U8的负极输入端电性连接。运算放大器U8的正极输入端通过电阻R28与MCU控制模块电性连接、通过电阻R31接地。运算放大器U8的电源正极通过电容C4接地、与MCU控制模块电性连接。运算放大器U8的输出端与MCU控制模块电性连接、通过电阻R20接入电容C5与运算放大器U8的负极输入端之间、通过电容C28接入电阻R26与电容C5之间。电容C28还通过电阻R30接地。

其中，电容C4、电容C5、电容C2、电容C28、电阻R26、电阻R29、电阻R20、电阻R28、电阻R31构成无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器，该滤波器为反相端输入，具有失真较小、精度高、元件灵敏度要求低等特点。

其中，电阻R28、电阻R31与运算放大器U8的正向输入端连接，为运输放大器U8提供偏置直流电压。运算放大器U8的输出端OUT与MCU控制模块电性连接，用于将放大后的电压信号输出到MCU控制模块。根据该电压信号即可实现对待测设备2的局部放电现象的诊断。

本发明采用体积较小的MEMS贴片麦克风，使得设备的体积更小、工作电流较小、测量的频率范围宽等特点。

优选地，如图8所示，MCU控制模块包括芯片U5及周边电路。其中，芯片U5的端口9芯片U5的端口9分别与MEMS麦克风U1的VDD端电性连接、通过电阻R1与运算放大器U3的正极输入端电性连接、通过电阻R28与运算放大器U8的正极输入端电性连接；MCU控制模块通过芯片U5的端口9控制MEMS麦克风U1、运算放大器U3、运算放大器U8的工作状态，启动超声波局放采集模块的工作，控制超声波局放采集模块进行电压信号的采集。比如，通过MCU控制模块实现超声波局放采集模块的灵活工作，节省功耗。同理，芯片U5的端口VDD与电源模块的输出端电性连接，通过电源模块为MCU控制模块提供电源，保证MCU控制模块的工作。

优选地，本实施例还包括设备温度采集模块5。设备温度采集模块5安装于设备外壳1上，与MCU控制模块电性连接，用于检测待测设备2的温度并将产生的温度信号发送给MCU控制模块。

由于待测设备2存在局部放电时，会使得待测设备2升温。当设备的局部放电达到一定程度时会影响设备的工作，因此，本实施例通过设置设备温度采集模块5来实现对待测设备2的温度进行采集，通过对待测设备2的温度的监测来综合判断待测设备2的局部放电现象的诊断。

同时，为了节省系统能耗，本实施例还通过待测设备2的温度变化来控制超声波局放采集模块的工作。具体地，当MCU控制模块通过设备温度采集模块5采集到的温度大于预设值时，则MCU控制模块控制超声波局放采集模块启动，进行电压信号的采集。比如MCU控制模块的芯片U5的端口9来控制MEMS麦克风U1的VDD端口、运算放大器U3的正极输入端、运算放大器U8的正极输入端，来唤醒MEMS麦克风、运算放大器U3以及运输放大器U8的工作，实现电压信号的采集。同时，MCU控制模块的芯片U5的端口11(SADC0)与超声波局放采集模块的运算放大器U8的输出端OUT电性连接，进而获取超声波局放采集模块采集到的电压信号。

优选地，设备温度采集模块5采用红外测温装置或接触式测温装置实现。具体地，如图6所示，红外测温装置为红外测温传感器S1时，红外测温传感器S1的VDD端口通过电容C10接地，TSDA端口、TSCL端口分别与MCU的端口28、端口27电性连接，GND端口接地；当MCU控制模块检测到红外测温传感器S1检测到的待测设备2的温度超过预设值时，MCU控制模块通过端口9控制MEMS麦克风、运算放大器U3、运算放大器U8的启动，进而启动超声波局放采集模块对第一电压信号的采集。

优选地，本实施例还包括通信模块。其中，MCU控制模块通过通信模块与后台控制系统通信连接。本发明可实现待测设备2的局部放电现象的在线诊断，方便用户使用。如图7所示，通信模块为无线传输模块，包括芯片U10及周边电路。

芯片U10的端口22通过电感L2与天线ANT电性连接，通过2.4G频段将MCU控制模块采集到的数据传输到后台控制系统。

芯片U10的端口16、端口17、端口18、端口19、端口8、端口7、端口3分别与MCU控制模块的芯片U5的端口19、端口20、端口18、端口21、端口29、端口30、端口6电性连接。

优选地，后台控制系统对待测设备2的局部放电现象进行检测时，通过对电压信号的还原，以实现对局部放电现象的诊断，同时对设备的温度进行测量。对于局部放电现象的诊断可采用快速傅里叶变换算法得到，是属于本领域技术人员所熟知的技术，本发明不做具体介绍。

当判断得出存在局部放电现象时，还根据局部放电的幅值来调节采集频率。也即，当后台控制系统判断得出存在局部放电现象时，后台控制系统向MCU控制模块发送控制指令，调整MCU控制模块对超声波采集模块、设备温度采集模块5采集数据的采集频率。

本发明通过采用无源CT取电的方式替换现有技术中有源电池供电，减少维护成本、延长设备使用寿命；同时，本发明的体积较小，可适用于各种高低压设备的在线诊断，比如开关柜、母线、断路器以及输电线终端等。本发明的超声波局放采集模块中对信号放大以及滤波电路的改良，使得产品器件更少，减少传感器由于热效应造成的不良影响，降低成本，使得信号采集以及增益更温蒂，杂波更少，检测结果更准确。本发明还通过增加设备的温度检测，通过设备温度来控制超声波局放采集模块的灵活工作以及局放检测数据的采集频率，可节省系统能耗以及及时检测。本发明还可通过无线的方式将采集到的数据上传至远程的后台监控系统，打破了传统的人工抄表带来的不便捷性。

优选地，基于上述实施例所提供的一种无源复合型超声波传感器，本发明还提供了一种无源复合型超声波传感器的监测系统，包括后台控制系统和一个或多个一种无源复合型超声波局放传感器。每个无源复合型超声波局放传感器均安装于对应的待测设备2上，用于将采集到的电压信号和/或温度信号发送给后台监控系统，以使得后台监控系统对待测设备2的局部放电现象进行诊断。也即，通过本发明可同时对多个待测设备2进行局部放电现象的在线诊断。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。