【GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)案例分析4500字】

GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u28846GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計與實現(xiàn)案例分析 1278881.1GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計 1314981.2GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺硬件部分設(shè)計與實現(xiàn) 2131291.2.1寬頻帶濾波器單元設(shè)計 2249191.2.2寬頻帶低噪聲放大器單元設(shè)計 460161.2.3檢波電路單元設(shè)計 797211.2.4信號調(diào)理單元的集成與測試 7209601.2.5局部放電UHF信號采集單元 9188551.3GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺軟件部分開發(fā)與實現(xiàn) 10111501.3.1局放檢測軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計與開發(fā) 10140941.3.2局放檢測平臺軟件系統(tǒng)的實測分析 1266881.4小結(jié) 12針對目前關(guān)于GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺用于處理特高頻天線耦合信號的一體化調(diào)理單元的研究較少，本章研制了集寬頻帶濾波器、寬頻帶低噪聲放大器和檢波電路為一體的信號調(diào)理單元，用于對天線傳感器輸出的電壓信號進行濾波、放大和檢波，并開發(fā)了GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺，用于對GIS局部放電情況進行實時監(jiān)測，在實驗室搭建相關(guān)實驗平臺，驗證了GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計的可用性。1.1GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺設(shè)計本章以單元化設(shè)計思想，提出了GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺的四個單元，分別為局部放電特高頻檢測系統(tǒng)接收單元、局部放電特高頻檢測系統(tǒng)信號調(diào)理單元、局部放電特高頻檢測系統(tǒng)采集單元以及局部放電特高頻檢測系統(tǒng)軟件單元，局部放電特高頻檢測系統(tǒng)接收單元用于耦合GIS內(nèi)部由于局部放電產(chǎn)生的UHF信號，局部放電特高頻檢測系統(tǒng)信號調(diào)理單元用于對局部放電特高頻檢測系統(tǒng)接收單元進行濾波、放大與檢波處理，提高信號幅值，降低信號頻率，局部放電特高頻檢測系統(tǒng)采集單元用于對信號調(diào)理單元處理后的電壓信號進行采集，局部放電特高頻檢測系統(tǒng)軟件單元用于對采集到的信號進行顯示，對GIS內(nèi)部運行狀態(tài)進行警示。圖4-1基于模塊化分析思想的GIS局部放電檢測系統(tǒng)1.2GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺硬件部分設(shè)計與實現(xiàn)由于GIS長期運行于電磁環(huán)境復(fù)雜的工況環(huán)境內(nèi)，其周圍存在大量雜波干擾信號，為降低雜波信號對于GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺的影響，本章設(shè)計了寬頻帶濾波器單元，其作用是允許300MHz-3000MHz范圍內(nèi)的電磁波信號通過，對于300MHz-3000MHz以外的雜波干擾信號濾除，由第三章可知，本文所設(shè)計的寬帶UHF天線傳感器輸出電壓信號的幅值為50mV左右，而本文所采用的UHF信號采集單元采用的是凌華公司產(chǎn)生采集卡PCI-9812，其采集通道不允許信號幅值±5V以上、信號頻率20MHz以上的信號通過，而GIS局部放電UHF檢測法對于局部放電信號的幅值和相位信息更為關(guān)注，為了更好地分析，有必要對天線耦合出的電壓信號進行放大與檢波處理。本文設(shè)計的用于處理天線耦合信號的UHF信號調(diào)理單元整體結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示，整體由寬頻帶濾波器單元、寬頻帶低噪聲放大器單元和檢波器單元構(gòu)成。圖4-2UHF信號調(diào)理單元結(jié)構(gòu)示意圖1.2.1寬頻帶濾波器單元設(shè)計目前，用于GIS局部放電特高頻檢測系統(tǒng)的濾波器主要有巴特沃斯濾波器（ButterworthFilter）、切比雪夫濾波器（ChebyshevFilter）、貝塞爾濾波器（BesselFilter）和橢圓濾波器（Ellipticfilter）等[47]。由于切比雪夫I型濾波器[48]具有通帶內(nèi)等紋波，阻帶內(nèi)衰減無振蕩且阻帶內(nèi)衰減速度最快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，本文結(jié)合安捷倫ADS（AdvancedDesignSystem，ADS）軟件設(shè)計了用于通帶頻率為300MHz-3000MHz的切比雪夫I型帶通濾波器，設(shè)置其通帶內(nèi)紋波系數(shù)為0.5dB，阻帶衰減為30dB，其仿真電路結(jié)構(gòu)如圖4-3所示，其仿真結(jié)果如圖4-4所示。圖4-3切比雪夫I型帶通濾波器原理圖圖4-4切比雪夫I型帶通濾波器仿真結(jié)果根據(jù)ADS調(diào)試出的寬頻帶濾波器參數(shù)，采用0805封裝的電容電感元件制作相應(yīng)的寬頻帶濾波器模塊。由于實際使用的電容電感元件與ADS內(nèi)調(diào)試用的理想電容電感元件之間存在誤差，為了后期調(diào)試的方便，因此本文采用貼片電容、貼片電感與空芯線圈電感結(jié)合的形式進行寬頻帶濾波器模塊的調(diào)試與制作，空芯線圈電感模型如圖4-5所示。圖4-5空芯線圈電感模型圖空芯線圈電感[49]一般應(yīng)用于頻率較高的場合，其形狀一般為圓形螺旋形狀，在射頻頻段濾波器設(shè)計中經(jīng)常使用，其電感量如式（4-4）所示。（4-4）本文將直徑為0.3mm的銅線繞制在直徑為2mm的M3硬度麻花鉆上用來制作空芯線圈電感，整個空芯線圈電感的長度為0.4mm，由上述公式計算出，其電感值在16nH左右。將繞制好的空芯線圈電感、貼片電感和貼片電容焊接至電路板對應(yīng)位置，將輸出端連接至網(wǎng)絡(luò)分析儀，不斷調(diào)試其S參數(shù)。最終調(diào)試出的寬頻帶濾波器單元的S參數(shù)如圖4-6所示，在300MHz~3GHz頻帶范圍內(nèi)通帶內(nèi)較為平坦，其他頻帶信號衰減較快，與仿真結(jié)果接近，滿足設(shè)計要求。圖4-5M3硬度麻花鉆與0.3mm銅線實物圖圖4-6寬頻帶濾波器單元實測圖1.2.2寬頻帶低噪聲放大器單元設(shè)計本文采用原TriQuint公司生產(chǎn)的一款低噪聲、寬頻帶、可級聯(lián)且高線性增益寬帶低噪聲放大器芯片TQP3M9008，其工作頻帶范圍為50MHz-4000MHz，在1.9GHz時，增益為20.6dB，噪音系數(shù)為1.3dB，通帶范圍內(nèi)無條件穩(wěn)定，TQP3M9008芯片內(nèi)部輸入輸出匹配至50歐姆，根據(jù)TQP3M9008低噪聲放大器芯片的技術(shù)手冊，對其進行直流偏置電路設(shè)計，如圖4-7所示，其中C1=100pF，C2=100pF，C3=0.01μF，L1=68nH。圖4-7TQP3M9008偏置電路原理圖由于單級低噪聲放大器芯片TQP3M9008的在300MHz-3000MHz頻帶內(nèi)的增益為20.6dB±5dB，因此，采用單級的低噪聲放大器結(jié)構(gòu)無法滿足增益要求。本文對于低噪聲放大電路采取兩級級連放大形式，由于TQP3M9008相關(guān)技術(shù)手冊并未給出兩級級聯(lián)形式電路，借助ADS軟件進行設(shè)計，在原TriQuint公司官網(wǎng)下載TQP3M9008的S2P文件并導(dǎo)入ADS軟件中的四引腳芯片模型，對其兩級級聯(lián)低噪聲放大電路進行仿真優(yōu)化，兩級級聯(lián)放大電路結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。為了避免兩級級聯(lián)低噪聲放大器電路出現(xiàn)不穩(wěn)定性情況，引入由R3、R4、R5所示的π型衰減器結(jié)構(gòu)[50]。圖4-8低噪聲信號放大器模塊原理仿真圖經(jīng)過ADS軟件對兩級級聯(lián)低噪聲放大器電路參數(shù)進行優(yōu)化，最終TQP3M9008兩級級聯(lián)低噪聲放大電路的S參數(shù)如圖4-9所示。整個TQP3M9008兩級級聯(lián)低噪聲放大電路在300MHz-3000MHz的頻帶范圍內(nèi)，其增益在28dB-44dB之間，穩(wěn)定性系數(shù)恒大于1，在整個頻帶內(nèi)穩(wěn)定，噪音系數(shù)在0.3-1.2dB之間，輸入端口、輸出端口的駐波比在1左右，滿足設(shè)計要求。（a）參數(shù)S11、S21曲線圖 （b）穩(wěn)定性參數(shù)K曲線圖（c）噪聲系數(shù)NFmin曲線圖 （d）輸入端口駐波比VSWR1參數(shù)（e）輸出端口駐波比VSWR2圖4-9TQP3M9008兩級級聯(lián)低噪聲放大電路優(yōu)化仿真參數(shù)圖1.2.3檢波電路單元設(shè)計本文所設(shè)計的檢波電路是基于二極管包絡(luò)檢波電路的原理進行的，包絡(luò)檢波電路[51]是基于二極管的單向?qū)щ娦詫?dǎo)致電容充放電時間不一致來實現(xiàn)的。本文采用Agilent公司生產(chǎn)的高頻檢波二極管HSMS2852實現(xiàn)，HSMS2852芯片內(nèi)部為兩個二極管串聯(lián)的形式，在Agilent公司官網(wǎng)下載HSMS2852芯片的S參數(shù)文件并導(dǎo)入ADS軟件中的三引腳芯片模型在ADS中建立如圖4-10所示的二極管HSMS2852檢波電路模型，并對其進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4-11所示。圖4-10二極管HSMS2852檢波電路模型圖4-11二極管HSMS2852檢波效果圖1.2.4信號調(diào)理單元的集成與測試綜合本文所設(shè)計的寬頻帶濾波器單元、寬頻帶低噪聲放大器單元和檢波電路單元，進行一體化集成電路設(shè)計，整個信號調(diào)理單元的PCB板圖如圖4-12所示，由于局部放電UHF調(diào)理單元處理信號頻率為300MHz-3000MHz，為了減小電路分布參數(shù)的影響，PCB板圖內(nèi)所有的電子元件全部采用貼片類形式，局部放電UHF調(diào)理單元PCB板圖的整體尺寸為90mm*35mm。圖4-12局部放電UHF調(diào)理單元PCB板圖對本文所設(shè)計的PCB板圖進行焊接，最終的完整電路如圖4-13所示。由于GIS長期工作于工況復(fù)雜的電磁環(huán)境內(nèi)，極易對本文所設(shè)計的局部放電UHF調(diào)理單元工作產(chǎn)生影響，因此，本文設(shè)計如圖4-14所示的屏蔽鋁盒，其整體結(jié)構(gòu)尺寸為110mm*75mm*29mm，外接供電電源輸入采用穿心電容的形式，起到消除高頻耦合的作用。圖4-13局部放電信號調(diào)理單元實物圖圖4-14屏蔽鋁盒實物圖UHF信號調(diào)理單元電路制作完成之后，對其進行測試。使用電子脈沖發(fā)生器模擬局部放電，利用天線傳感器接收，天線接收到的UHF信號利用BNC多路轉(zhuǎn)接頭分為兩路接至示波器，其中一路信號不經(jīng)任何處理直接連接至示波器，查看局放信號的原始波形，另一路信號經(jīng)過UHF信號調(diào)理單元處理后連接至示波器，查看局放信號經(jīng)調(diào)理單元處理后波形，通過兩個波形比較，查看信號經(jīng)調(diào)理單元的檢波效果，通過示波器定量測量信號經(jīng)調(diào)理單元后的幅值與頻率。測試結(jié)果如圖4-15所示，UHF信號經(jīng)信號調(diào)理單元輸出之后的信號幅值在1V左右，頻率在1MHz左右，滿足設(shè)計要求。圖4-13現(xiàn)場測試環(huán)境圖4-14示波器測試結(jié)果圖1.2.5局部放電UHF信號采集單元本文所設(shè)計的局部放電UHF信號采集單元采用凌華公司生產(chǎn)的PCI-9812采集卡，PCI-9812采集卡擁有四個采集通道，最高采用頻率20MHz，最高輸入信號電壓為±5V，因其具有易于二次開發(fā)的特性而被廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖4-15所示。圖4-15PCI-9812采集卡實物圖1.3GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺軟件部分開發(fā)與實現(xiàn)1.3.1局放檢測軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計與開發(fā)本文所設(shè)計的GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺的整體結(jié)構(gòu)框架示意圖如圖4-16所示，其整體包括用戶管理模塊、局部放電特高頻信號監(jiān)測模塊、歷史查詢模塊和退出模塊組成。圖4-16GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架用戶管理模塊的作用是為整個GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)添加使用者個人賬戶信息，保證整個軟件系統(tǒng)的安全性；局部放電特高頻信號監(jiān)測模塊是對GIS內(nèi)部由于局部放電產(chǎn)生的UHF信號進行實時采集，進行局部放電次數(shù)的統(tǒng)計與局部放電程度的顯示，并對監(jiān)測信息進行儲存；歷史查詢模塊可以調(diào)取之前存儲的UHF監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便對GIS運行狀況進行分析；退出模塊功能為為用戶提供系統(tǒng)退出的方式。用戶管理模塊、局部放電特高頻信號監(jiān)測模塊、歷史查詢模塊和退出模塊的主界面如圖4-17所示。（a）用戶登錄主界面（b）用戶管理主界面（c）功能選擇主界面（d）系統(tǒng)退出主界面（e）UHF監(jiān)測主界面（f）歷史信息查詢主界面圖4-17GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺主界面1.3.2局放檢測平臺軟件系統(tǒng)的實測分析在實驗室內(nèi)對本文所設(shè)計的GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺進行測試，采用電子脈沖打火器模擬GIS局部放電故障，用第3章研制的外置式復(fù)合寬頻帶UHF天線作為局部放電信號的信號接收單元，用第4章研制的UHF信號調(diào)理單元對天線傳感器輸出的電壓信號進行濾波、放大與檢波處理，最終，GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺的檢測信號如圖4-18所示，圖中紅色信號線為50Hz工頻信號，藍色信號線為經(jīng)過檢波電路處理后的天線輸出信號，從圖中可以看出，目前有一個脈沖信號，其幅值為1V左右，局部放電發(fā)生次數(shù)為1次，放電信號警示燈亮起，顯示為中度放電故障，隨著脈沖打火器隨著天線傳感器距離縮短，GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺接收到的信號幅值會隨著增加。圖4-18GIS局部放電特高頻信號監(jiān)測圖1.4小結(jié)本章采用理論分析與實驗室測試研究相結(jié)合的方法，設(shè)計了基于LabVIEW編程開發(fā)的GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺，主要進行了以下幾方面的工作：1.確定GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺的整體設(shè)計方案。通過對GIS近些年運行情況與故障情況的調(diào)研與統(tǒng)計，借助模塊化思想將GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺詳細分為四個部分，分別為局部放電UHF檢測系統(tǒng)接收模塊、局部放電UHF檢測系統(tǒng)信號調(diào)理模塊、局部放電UHF檢測系統(tǒng)采集模塊以及局部放電UHF檢測系統(tǒng)軟件模塊，每個模塊又由不同的內(nèi)容組成；2.GIS局部放電故障在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)硬件設(shè)計及搭建。主要包括選擇GIS局部放電檢測系統(tǒng)信號采集裝置，根據(jù)第3章外置式寬頻帶復(fù)合天線耦