徐衛(wèi)東，聶一雄，周文文，彭 丹

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

一種固體開關(guān)柜局部放電智能檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

徐衛(wèi)東，聶一雄，周文文，彭 丹

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)固體開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的在線監(jiān)測(cè)，獲取開關(guān)柜內(nèi)部真實(shí)的局部放電量以及評(píng)估的絕緣狀況，研制了一種固體開關(guān)柜局部放電在線檢測(cè)裝置。該裝置利用超聲波傳感器和諧振電路采集發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);再將電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)和模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到STM32主控芯片；通過(guò)函數(shù)關(guān)系式對(duì)采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，得到局部放電量的大小并實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上。若檢測(cè)到的放電量大于某設(shè)定值就自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)電力人員對(duì)其進(jìn)行關(guān)注，防止因絕緣損壞導(dǎo)致發(fā)生重大電力事故。該裝置具有操作簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快、檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、費(fèi)用低等特點(diǎn)，適合對(duì)中高壓設(shè)備內(nèi)部局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維保，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)于提高供電可靠性具有重要意義。

局部放電； 在線檢測(cè)； 嵌入式系統(tǒng)； 超聲波信號(hào)； 諧振電路

0 引言

開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響整個(gè)配網(wǎng)的供電可靠性。自2014年以來(lái)，全國(guó)發(fā)生因絕緣擊穿而導(dǎo)致的故障共有56次，占開關(guān)柜故障總數(shù)的14.3%[1]，因此有必要對(duì)開關(guān)柜在帶電運(yùn)行狀態(tài)下局部放電展開研究。目前，檢測(cè)局部放電的方法有很多，包括紅外成像法、脈沖電流法、超高頻法等[2-8]，但大部分都無(wú)法在帶電運(yùn)行下進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)出開關(guān)柜內(nèi)部整體的局部放電水平，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究。本文采用STM32作為主控芯片，數(shù)據(jù)處理頻率達(dá)72 MHz，能夠采集到完整的局部放電信號(hào)，不會(huì)發(fā)生因采樣速度不夠造成局部放電信號(hào)漏掉的情況。由信號(hào)預(yù)處理模塊、人機(jī)交互模塊以及自動(dòng)報(bào)警裝置組成一套在線實(shí)時(shí)檢測(cè)帶電開關(guān)柜局部放電裝置，實(shí)現(xiàn)在不停電的狀態(tài)下能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電量。

1 檢測(cè)裝置整體設(shè)計(jì)

開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電裝置由諧振電路模塊、超聲波傳感器模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、微處理器、電源、液晶顯示單元、報(bào)警裝置單元組成。檢測(cè)裝置整體框圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)裝置整體框圖

諧振電路接收局部放電產(chǎn)生的高頻聲信號(hào)[9]，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行濾波、放大、A/D采樣后，將信號(hào)送至微處理器。通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)，濾除低于某一閾值的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，干擾信號(hào)經(jīng)放大后得到的電信號(hào)幅值大部分集中在0.8 V以下，即將0.8 V作為局部放電信號(hào)的門檻閾值。若放大后的電信號(hào)值超過(guò)了預(yù)設(shè)的閾值，則判定為有局部放電產(chǎn)生。該電信號(hào)值顯示在當(dāng)前值數(shù)據(jù)框內(nèi)。將當(dāng)前數(shù)據(jù)框內(nèi)的局部放電量和歷史最大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷局部放電水平以及絕緣狀況，同時(shí)報(bào)警器報(bào)警，并將記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。同樣超聲波傳感器接收局部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)[10-12]，經(jīng)過(guò)放大、混頻、檢波、濾波以及A/D采樣后，將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總對(duì)比[13-14]。如果兩者同時(shí)采集到高頻信號(hào)且值都超過(guò)了預(yù)設(shè)閾值，則表明確實(shí)發(fā)生了局部放電，否則就自動(dòng)判定為干擾信號(hào)被自動(dòng)過(guò)濾，局部放電結(jié)果也實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上[15]。電源部分包括超聲波驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理電路的電源。微處理器單元包括STM32最小系統(tǒng)以及必要的外圍電路，液晶顯示模塊采用TFT圖形液晶觸摸顯示模塊。

由于開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備復(fù)雜、空間狹小，所以該檢測(cè)裝置要便于安裝，對(duì)裝置大小和形狀都要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使用耐火性能良好的塑料外殼。裝置內(nèi)部電路進(jìn)行金屬薄膜覆蓋，起到很好的屏蔽作用，有益于抗干擾，最大限度提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 硬件部分

2.1 信號(hào)預(yù)處理

2.1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器因其優(yōu)越的壓電效應(yīng)，能直接將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。局部放電伴隨著超聲波信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)選擇與局部放電信號(hào)相接近頻帶范圍的超聲波傳感器，就能檢測(cè)出局部放電信號(hào)。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用超聲法檢測(cè)開關(guān)柜絕緣狀態(tài)時(shí)，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，采用不同頻帶的傳感器可以有效增強(qiáng)開關(guān)柜局部放電檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性[16]。局部放電信號(hào)與局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)之間的聯(lián)系，很難用函數(shù)關(guān)系來(lái)表示。但是針對(duì)在某種特定環(huán)境條件下的局部放電，可以用超聲波信號(hào)的幅值、頻率等特征來(lái)描述局部放電的特性。

局部放電信號(hào)與超聲波信號(hào)如圖2所示。

圖2 局部放電信號(hào)與超聲波信號(hào)

2.1.2 諧振耦合電路

由于超聲波傳感器在信號(hào)采集過(guò)程中會(huì)接收到所有頻率帶寬的信號(hào)，也夾雜著大量的噪聲信號(hào)，所以就需要采用諧振耦合電路對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析。根據(jù)局部放電信號(hào)特征，一般局部放電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)頻率為100～500 kHz[17]。因此，在諧振上選用300 kHz的諧振頻率作為中心接收頻率，將諧振采集到的頻率與超聲波采集到的頻率進(jìn)行對(duì)比分析，就能獲取真實(shí)的局部放電信號(hào)，可以有效避免背景噪聲干擾造成信號(hào)采集不準(zhǔn)確導(dǎo)致的結(jié)果誤差，最大程度地保證了局部放電信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

2.2 信號(hào)濾波與放大

2.2.1 信號(hào)濾波

由于局部放電信號(hào)的響應(yīng)頻率為40～500 kHz，因此，理論上應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)帶通為40～500 kHz的帶通濾波器，以保證濾除不在局部放電信號(hào)頻段的信號(hào)。為便于設(shè)計(jì)符合要求的帶通濾波器，將高通的截止頻率設(shè)在10 kHz左右，低通的截止頻率設(shè)為500 kHz，最大限度地濾除來(lái)自低頻及高頻耦合數(shù)字部分信號(hào)[18]。以本裝置中用到的運(yùn)放INA118為例，帶通濾波器電路圖、帶通濾波譜圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 帶通濾波電路圖

圖4 帶通濾波譜圖

帶通濾波器由一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器組成，局部放電信號(hào)頻率范圍為10～500 kHz，所以根據(jù)低通和高通截止頻率計(jì)算公式，可以計(jì)算各個(gè)電路元件的阻值。低通和導(dǎo)通截止頻率計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式中：f0為低通截止頻率；fp為高通截止頻率;C1、C2、C4、C5為電容值；R1、R2、R4、R5、R6為電阻值。

從仿真譜圖來(lái)看，設(shè)計(jì)的帶通濾波器電路能夠滿足局部放電信號(hào)的過(guò)濾使用。

2.2.2 放大電路

采用INA118運(yùn)放芯片，將濾波過(guò)后的原始局部放電信號(hào)進(jìn)行放大。INA118內(nèi)部自帶保護(hù)電路，信號(hào)放大倍數(shù)由外部可調(diào)增益電阻進(jìn)行控制。INA118具有精度高、功耗低、等優(yōu)點(diǎn)[15]，常用在對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行放大。整個(gè)放大模塊內(nèi)部由三個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大。通過(guò)調(diào)節(jié)外部增益電阻，可實(shí)現(xiàn)增益1～1 000 dB自由調(diào)節(jié)，運(yùn)用范圍十分廣泛。運(yùn)放電路如圖5所示。

圖5 運(yùn)放電路圖

從圖5可知，增益電阻R1接在1、8管腳之間，2、3管腳接信號(hào)輸入，6管腳接輸出。根據(jù)原始信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行比較，確定增益倍數(shù)為10，滿足檢測(cè)需求。增益電阻公式為R=50 kΩ/(G-1)，調(diào)節(jié)阻值旋鈕即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的特定倍數(shù)的放大。

2.3 局部放電信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0801。它的采樣頻率為20 MHz，12位數(shù)據(jù)處理能力，精度為1/4 096 ，具有高信噪比和低功耗特點(diǎn)。采用轉(zhuǎn)換模塊對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。STM32主芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)高精度采樣電路，ADC0801轉(zhuǎn)換芯片在正常工作時(shí)功耗僅300 mW左右。ADC0801對(duì)模擬輸入信號(hào)電壓值要求不高，十分適合用來(lái)作為原始局部放電信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換使用。

ADC0801具有單極性和雙極性[18]兩種工作模式。由于本文不需要額外參考電壓，所以單極性工作模式即可滿足要求。該芯片需要外部提供+3.3 V參考源，一方面作為參考電壓值，另一方面同時(shí)為芯片供電。由于ADC0801對(duì)輸入信號(hào)的電壓值要求不高，其量程FSR由參考電壓值UREF與SEL引腳之間的分壓電阻R1、R2決定，其關(guān)系如式(3)所示:

(3)

式中：R1為5 kΩ；R2為10 kΩ。

輸入模擬電壓值最大不超過(guò)電源電壓+3.3V，可以得到ADC輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成的電壓值如式(4)所示：

(4)

式中：D為ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字量；FSR為模擬輸入的最大量程；N為ADC轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)。

3 軟件部分

3.1 STM32程序

STM32作為整個(gè)裝置中核心處理器，主要負(fù)責(zé)控制A/D采集超聲波傳感器和諧振電路信號(hào)，并將其存儲(chǔ)在SRAM中，以及將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。將數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部函數(shù)轉(zhuǎn)換成局部放電信號(hào)顯示，顯示屏通過(guò)SPI數(shù)據(jù)接口和主控芯片進(jìn)行連接，大大加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力，加快了數(shù)據(jù)處理速度。A/D模塊采用12位的轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)IIC協(xié)議將模擬信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字精度達(dá)到1/4 096，避免了因局部放電發(fā)生時(shí)間太短，造成采樣數(shù)據(jù)的丟失和遺漏。采用IIC數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

局部放電檢測(cè)裝置是在ARM系統(tǒng)框架內(nèi)采用STM32芯片作為處理器將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，軟件程序是在KEIL5中進(jìn)行編寫，最后通過(guò)串口將編譯好的程序下載到局部放電檢測(cè)裝置中。軟件程序可根據(jù)實(shí)際需要能進(jìn)行更新替換，有利于對(duì)裝置功能進(jìn)行后續(xù)的補(bǔ)充。軟件系統(tǒng)處理流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)處理流程圖

系統(tǒng)從啟動(dòng)電源開始，首先給裝置供電，主控芯片以及其他傳感器上電后，開始采集數(shù)據(jù)，將諧振電路以及超聲波傳感器采集到的局部放電高頻信號(hào)送入信號(hào)處理環(huán)節(jié)，包括：濾波、信號(hào)放大等，然后將局部放電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。每一次采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組數(shù)字量，作為一組局部放電值進(jìn)入下一階段數(shù)據(jù)換算。如果數(shù)據(jù)處理未完成，則需要重新進(jìn)入信號(hào)處理環(huán)節(jié)，直至數(shù)據(jù)處理完成。將采集到的電信號(hào)通過(guò)函數(shù)擬合得出電信號(hào)與局部放電量之間的關(guān)系式，最后將換算后的局部放電量進(jìn)行顯示，同時(shí)判斷局部放電量是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值。如果未超過(guò)，則不觸發(fā)報(bào)警裝置；如果超過(guò)預(yù)設(shè)值，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，以便提醒相關(guān)維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

3.3 人機(jī)交互界面

為了更好地將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，采用TFT液晶顯示屏以及自動(dòng)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。該界面有兩個(gè)數(shù)據(jù)框，一個(gè)是歷史最大值數(shù)據(jù)框，另一個(gè)是實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)框。通過(guò)歷史最大值、局部放電值與實(shí)時(shí)檢測(cè)到的局部放電值進(jìn)行對(duì)比，可以用來(lái)判斷開關(guān)柜內(nèi)部局部放電嚴(yán)重程度。如果歷史值不斷被實(shí)時(shí)值所替換，則說(shuō)明局部放電程度越來(lái)越嚴(yán)重。如果實(shí)時(shí)局部放電值低于歷史最大值，則說(shuō)明局部放電水平維持現(xiàn)狀，不需要停電檢修，同時(shí)根據(jù)軟件編寫相應(yīng)程序。當(dāng)檢測(cè)到的局部放電值大于預(yù)設(shè)閾值自動(dòng)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警電路，提醒工作人員注意觀察，及時(shí)掌握開關(guān)柜內(nèi)部局部放電水平。

4 結(jié)果校驗(yàn)及運(yùn)用

由于局部放電檢測(cè)裝置直接獲取的是電壓量，并不能直接顯示局部放電量大小，所以需要將電壓值和局部放電量進(jìn)行相互校驗(yàn)，步驟如下。①首先將局部放電裝置傳感器和標(biāo)準(zhǔn)局部放電儀探頭放置同一位置，以保證測(cè)得原始局部放電信號(hào)的準(zhǔn)確性。②記錄局部放電檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)時(shí)電壓值和標(biāo)準(zhǔn)局部放電儀測(cè)得的實(shí)時(shí)局部放電量，通過(guò)進(jìn)行多組試驗(yàn)得到不同電壓值和局部放電量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。③利用多項(xiàng)式擬合函數(shù)進(jìn)行擬合處理，得出電壓和局部放電量之間的關(guān)系式。④將原始數(shù)據(jù)與局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，以便對(duì)局部放電裝置原始參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成局部放電裝置的校驗(yàn)過(guò)程。

采用校驗(yàn)完成的局部放電檢測(cè)裝置去測(cè)量開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電，可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的局部放電量。校驗(yàn)過(guò)程中采用的局部放電儀型號(hào)為局部放電儀型號(hào)為WDJFY-2009，能實(shí)時(shí)顯示局部放電量。將校驗(yàn)完成的局部放電檢測(cè)裝置對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)。為驗(yàn)證局部放電裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，故采用電火花作為局部放電信號(hào)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

該局部放電裝置能準(zhǔn)確測(cè)出局部放電量大小，由于局部放電是隨機(jī)現(xiàn)象，所以檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)變化很大，但作為一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)局部放電量水平的裝置已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)最大值和實(shí)時(shí)值進(jìn)行比較，也容易了解固體開關(guān)柜內(nèi)部局部放電程度大小。根據(jù)設(shè)定的不同閾值可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，這大大減少了現(xiàn)場(chǎng)維保人員的工作量。維保人員只需間隔一段時(shí)間記錄一次局部放電值，就能評(píng)估開關(guān)柜內(nèi)部局部放電狀況，在不斷電的情況就能完成對(duì)局部放電的檢測(cè)工作，有利于提高供電可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本裝置通過(guò)采用超聲波和諧振電路聯(lián)合檢測(cè)的方法，完成了對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電檢測(cè)。兩種方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，而且在不斷電的情況下就能完成局部放電檢測(cè)。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)結(jié)果表明，本裝置具有良好的實(shí)用性與穩(wěn)定性，可以快速有效地完成局部放電檢測(cè)工作。相較于現(xiàn)有局部放電檢測(cè)方法，該裝置具有在設(shè)備不用斷電的情況下就能在線監(jiān)測(cè)局部放電量的水平，雖在測(cè)量精度上還有改進(jìn)空間，但能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。通過(guò)當(dāng)前值數(shù)據(jù)和歷史最大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以反映放電強(qiáng)度以及判斷局部放電嚴(yán)重程度的趨勢(shì)。同時(shí)該裝置還具有動(dòng)作時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需消耗較多的人力、物力，安裝方便；能及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)潛在的絕緣安全隱患，確保開關(guān)柜持續(xù)、安全、有效地運(yùn)行，提高供電可靠性。

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DesignoftheIntelligentDetectingDeviceforPartialDischargeofSolidSwitchgear

XU Weidong，NIE Yixiong，ZHOU Wenwen，PENG Dan

(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

In order to realize the on-line monitoring of the partial discharge (PD) inside the solid switchgear,and obtain the real local discharge quantity in the switchgear and to evaluate the insulation condition,an online partial discharge detection device for the solid switchgear is developed.By adopting the ultrasonic sensor and the resonant circuit,the device collects the high frequency signals generates when partial discharge occurs,then the high frequency signal is converted to the voltage signal,and the voltage signal is sent to the STM32 master control chip through the data pre-processing and analog-to-digital conversion.The electrical signal data collected are converted to the partial discharge quantity through the function of the relationship,and finally the amount of the PD value is displayed in real-time on the LCD screen.If the detected PD value is greater than a set value,an alarm will be automatically sent to alert operator to pay attention for preventing power accidents caused by insulation damage.The device features many advantages of simple operation,fast speed signal processing,good real-time performance and low cost.It is suitable for real-time monitoring of the local discharge in the middle and high voltage equipment,so as to facilitate the operation and maintenance of the equipment to ensure the normal operation of equipment.It has a great significance for improving the reliability of power supply.

Partial discharge; Online monitoring; Embedded system; Ultrasonic signal; Resonant circuit

TH-39;TP216

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709017

修改稿收到日期:2017-04-01

東莞市科技局產(chǎn)學(xué)研合作基金資助項(xiàng)目(2015509132215)

徐衛(wèi)東(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。E-mail：1195344277@qq.com。 聶一雄(通信作者)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析和控制技術(shù)。E-mail：3162362831@qq.com。