延野， 錢勇， 曹亮， 舒博， 楊凱， 許永鵬

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司調(diào)度控制中心，上海 200240)

基于TEV法的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測終端

延野1， 錢勇1， 曹亮2， 舒博1， 楊凱1， 許永鵬1

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司調(diào)度控制中心，上海 200240)

智能化、低成本、易帶電安裝是配電網(wǎng)開關(guān)柜局放在線監(jiān)測的發(fā)展方向。設(shè)計了一種便攜式開關(guān)柜局放在線監(jiān)測終端?；跁簯B(tài)地電壓法，實現(xiàn)了實時顯示和人機(jī)交互，可獨立工作，也可根據(jù)監(jiān)測對象數(shù)目擴(kuò)展，自行組網(wǎng)，通用性強(qiáng)。采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)，提供數(shù)據(jù)上傳通道，實現(xiàn)與站內(nèi)監(jiān)控計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

暫態(tài)地電壓；開關(guān)柜；局部放電；在線監(jiān)測；ZigBee

0 引 言

開關(guān)柜城市配電網(wǎng)的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到配電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及變電站自動化水平的提高，狀態(tài)檢修成為開關(guān)柜運(yùn)維的發(fā)展方向。絕緣狀態(tài)檢測是實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢修的重要前提，而局部放電則是導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生絕緣故障的主要原因，因此對開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測十分必要。

目前開關(guān)柜局放檢測的主要方法有特高頻法、脈沖電流法、超聲波和暫態(tài)地電壓法(transient earth voltage)等， TEV法由于檢測原理簡單，可靠性好等特點被廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜局放檢測中。隨著綜合自動化的普及和新興物聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展與成熟，無人值班變電站迅速普及，智能化、低成本、易帶電安裝成為開關(guān)柜局放在線監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展方向?；诖耍疚木C合傳感器技術(shù)和ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，研制了一種基于暫態(tài)地電壓技術(shù)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測終端[1-2]。

1 TEV檢測原理

開關(guān)柜內(nèi)部放電形式主要有高壓電極尖端放電、表面放電、內(nèi)部放電等。放電產(chǎn)生的電荷通常集中在接地點附近的接地金屬部位，同時在設(shè)備的表殼上形成電流，產(chǎn)生納秒級的TEV信號[3-10]。

TEV產(chǎn)生原理如圖1所示，在空氣區(qū)域和開關(guān)柜金屬外殼之間定義一個平面(y=0)，即局部放電激發(fā)的電磁波從空氣入射到開關(guān)柜金屬壁的交界面。ε、μ、η分別為金屬壁介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和本征阻抗，利用交界面處電場和磁場切向分量連續(xù)的邊界條件：

Ei0+Er0=Et0

(1)

(2)

其中Ei0、Er0、Et0分別為入射波電場、反射波電場和透射波電場。對于金屬外殼，內(nèi)部電場為0，故外殼感應(yīng)電流為：

(3)

電容傳感器與開關(guān)柜外殼構(gòu)成平板電容，由于板極間距與面積比足夠小，可忽略邊緣效應(yīng)，電容可表示為：

(4)

傳感器檢測到的暫態(tài)地電壓信號為：

(5)

圖1 TEV產(chǎn)生原理圖

通常來講，35 kV的母線室其金屬外殼阻抗約為70 Ω，當(dāng)母線室因局部放電產(chǎn)生持續(xù)時間10 μs大小100 mA左右的脈沖電流時，會出現(xiàn)1～7 V的對地電壓，脈沖在內(nèi)表面進(jìn)行傳播，經(jīng)屏蔽層不連續(xù)處，如開口、墊圈等連接部位傳遞至外表面再傳播至大地。通過在開關(guān)柜外表面安裝特制電容傳感器可以檢測到該TEV信號，從而得到設(shè)備內(nèi)部局放情況。TEV檢測原理如圖2所示。

2 在線監(jiān)測終端設(shè)計

基于TEV信號特征及TEV局放檢測原理，完成了基于TEV信號的局放監(jiān)測終端的電路設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。通過傳感器電路、衰減電路、放大電路、濾波電路、檢波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、處理器、通信模塊以及電源電路實現(xiàn)了對TEV信號的采集、預(yù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理、通信等功能。

圖2 TEV檢測原理圖

圖3 監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)圖

2.1 衰減電路設(shè)計

圖4 π型衰減電路

由于變電站電磁信號復(fù)雜往往導(dǎo)致采集到的輸入信號超過采集電路飽和值，使得監(jiān)測結(jié)果與實際情況發(fā)生偏差。為避免該情況的發(fā)生，設(shè)計一種π型衰減電路以實現(xiàn)對信號幅度的調(diào)節(jié)，如圖4所示。

為使π型衰減電路輸入輸出特性保持一致，不隨衰減量的變化，設(shè)計為對稱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。故而有：

(R0//R1+R2)//R1=R1=R0

(6)

設(shè)計時幅值衰減1/2，特征阻抗50 Ω，選用電阻R1和R2分別為150.5 Ω和37.3 Ω。

2.2 前置放大電路設(shè)計

在開關(guān)柜局部放電監(jiān)測過程中，常常會遇到放電信號動態(tài)范圍過大、小信號由于傳播過程中衰減而難以采集等情況，因此設(shè)計了一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路，同時在放大處理過程中盡量少的引入系統(tǒng)噪聲，以配合信號的檢波處理。單級放大電路如圖5所示。

圖5 單級放大器

通過反向放大器，設(shè)計一個單級放大倍數(shù)為10倍的放大器，電阻比為1:10。將三個單級放大器級聯(lián)工作，并采用ADG752開關(guān)芯片作為選擇開關(guān)，實現(xiàn)放大倍數(shù)10、100、1 000三檔可調(diào)放大電路。ADG752的兩個信號輸入口分別對應(yīng)一個AD8021的輸入和輸出信號，輸出口對應(yīng)下一級AD8021的輸出口，通過控制端口信號的選擇作用，選擇送入下一級放大單元的信號是否為放大信號從而控制每級的放大倍數(shù)。

2.3 濾波電路設(shè)計

開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的TEV信號頻率在3 MHz～100 MHz之間，采集的信號由于電站復(fù)雜的電磁環(huán)境往往包含其它頻段的干擾信號，為此設(shè)計一帶通濾波電路，利用高通濾波器與低通濾波器的級聯(lián)實現(xiàn)，如圖6所示。

2.4 檢波電路設(shè)計

通常一個局部放電信號包含了放電的峰值和時域工頻相位的信息。要獲取所有局放信號中的峰值信息，則要求采樣率很高，這對于簡易的檢測終端而言是不可行的。利用對數(shù)檢波器將信號所含能量信息轉(zhuǎn)換為電壓幅值輸出，達(dá)到高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號輸出的目的，且輸出信號具有與原信號相似的幅值信息，從而可以通過檢波信號來判斷局部放電的情況[11]。檢波示意圖如圖7所示。

在局部放電的檢測中，傳統(tǒng)的檢波方式采用二極管實現(xiàn)，但二極管檢波會導(dǎo)致信噪比變差，導(dǎo)致檢波電路靈敏度大大降低，而且二極管檢波電路工作頻帶較窄，在頻帶較寬時無法保證在整個頻帶范圍內(nèi)的一致性。本文設(shè)計采用了連續(xù)檢波對數(shù)放大器，很好地解決這一問題。連續(xù)檢波對數(shù)放大器如圖8所示，級聯(lián)一些低增益限幅放大器，將各個輸出通過相加器進(jìn)行相加，最后信號中的中頻載波通過低通濾波器進(jìn)行過濾，從而得到所需的檢波信號。

圖6 濾波電路設(shè)計圖

圖7 檢波示意圖

圖8 連續(xù)檢波對數(shù)放大器

2.5 A/D采樣及處理

ARM系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 ARM系統(tǒng)框圖

采集到的局放模擬信號通過采樣率為10 MHz，14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送至CPLD+ARM構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理單元。通過CPLD芯片來對AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，并將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果直接存入CPLD中，最后LM3S9B96芯片通過8位并行總線讀取AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在ARM上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理與實時顯示。ARM在從CPLD接收到每秒鐘內(nèi)TEV信號的峰值數(shù)據(jù)之后，通過一個數(shù)組進(jìn)行保存。之后通過計算得到一分鐘數(shù)據(jù)的均值、最大值、最小值以及中值，為日后的數(shù)據(jù)分析提供更多的數(shù)據(jù)。最后在液晶屏上可以顯示出每秒的TEV電壓信號峰值，并可通過ZigBee模塊將相關(guān)信息發(fā)送出去。

2.6 ZigBee無線通信

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與日益成熟，無人變電站的普及，數(shù)據(jù)通信與共享成為新的發(fā)展方向?；诖?，本文綜合智能傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，在每個監(jiān)測終端加入無線通信模塊，實現(xiàn)終端與上位機(jī)的通信。目前的無線通訊技術(shù)中，由于藍(lán)牙的覆蓋范圍10 m不能滿足實際要求， WiFi的功耗太大，而紅外技術(shù)則能使用的節(jié)點數(shù)太少，因此選用了ZigBee技術(shù)。ZigBee模塊選用XBee-pro系列，基于IEEE802.15.4協(xié)議，內(nèi)置協(xié)議棧，通過串口使用AT命令集方式設(shè)置模塊的參數(shù)，并通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其傳輸覆蓋范圍達(dá)30 m-50 m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用測試

圖10 模擬局部放電試驗現(xiàn)場照片

在實驗室條件下模擬開關(guān)柜局放試驗，搭建最常見的缺陷模型——針板放電電極模型，將其置于開關(guān)柜內(nèi)部進(jìn)行試驗，終端及試驗照片如圖10所示。

讀取存儲的TEV數(shù)值記錄表格，如表1所示。

從圖10和表1中可以看出，每分鐘在針板電極模型兩端加一次過電壓產(chǎn)生局放時，在液晶屏上可以觀測實時TEV數(shù)值，其較高紅色的紅色信號表示檢測到局部放電信號，超過報警閾值。分析表1中的數(shù)據(jù)可以看出，每分鐘TEV最大值可達(dá)40 dB以上，超過報警閾值(20 dB)。同時，從TEV最小值、中值以及平均值可以看出每分鐘放電次數(shù)較少，以及背景噪聲在4 dB左右。

表1 TEV數(shù)值記錄表

圖11 現(xiàn)場安裝運(yùn)行照片

為進(jìn)一步檢驗所設(shè)計監(jiān)測終端的工作可靠性，在某變電站對該局放檢測終端進(jìn)行現(xiàn)場安裝運(yùn)行測試，如圖11所示。

采用15個檢測終端對該站15面開關(guān)柜進(jìn)行同步監(jiān)測，典型的示波器監(jiān)測波形圖如圖12所示。從圖12中可以看出TEV數(shù)值在監(jiān)測期間最大值為13 dB，未達(dá)到局放報警閾值。采用特高頻法對同一面開關(guān)柜進(jìn)行對比檢測(波形圖中上方為背景噪聲，縱坐標(biāo)分度值100 mV，橫坐標(biāo)分度值10 ms，峰-峰值153 mV；下方為檢測信號，縱坐標(biāo)分度值100 mV，橫坐標(biāo)分度值10 ms，峰-峰值72 mV)，采集信號波形平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)局部放電信號，與TEV在線監(jiān)測終端結(jié)果一致。數(shù)十個監(jiān)測終端連續(xù)運(yùn)行，對開關(guān)柜持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測終端運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果正常。所設(shè)計在線監(jiān)測終端工作性能穩(wěn)定可靠。

圖12 現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于TEV法設(shè)計了一套局部放電在線監(jiān)測終端，綜合傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)等極大提高了開關(guān)柜監(jiān)測設(shè)備的智能化水平，易帶電安裝，解決了目前帶電檢測工作量大的難題。通過現(xiàn)場實測分析，驗證了該在線監(jiān)測終端設(shè)計的合理性與可靠性，滿足開關(guān)柜監(jiān)測需求，具有較高應(yīng)用價值。

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[11] 付作峰.局放信號的高頻檢波電路設(shè)計[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

An Online Monitoring Terminal for Partial Discharge of Switch Cabinets Based on TEV Method

Yan Ye1, Qian Yong1, Cao Liang2, Shu Bo1, Yang Kai1, Xu Yongpeng1

(1.College of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Dispatchand Control Center, State Grid Shanghai Electric Power Co., Shanghai 200240, China)

Intellectualization, low cost and easy hot-line installation is the development direction of on-line partial discharge monitoring for switch cabinets of power distribution networks. This paper develops a portable on-line partial discharge terminal for switch cabinets. Based on the transient earth voltage method, the monitoring terminal realizes real-time display and human-computer interaction. It has wide universality, for it can work independently or can be expanded according to the number of monitored objects to complete networking on its own. We adopt ZigBee wireless ad hoc network technology to provide data upload channels so as to realize data communication with the monitoring computer at the station.

transient earth voltage; switch cabinet; partial discharge; on-line monitoring; ZigBee

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.034

TM72

A

1000-3886(2017)04-0115-04

定稿日期: 2016-11-07

延野(1991- ),男，山東人，碩士生，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。