(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建 廈門 361021)

0 引言

電力電纜是戶外環(huán)網(wǎng)柜的主要輸電設(shè)備，用于電能的傳輸與分配。處于惡劣環(huán)境下的電力電纜，由于絕緣老化、受潮等原因極易引發(fā)絕緣故障，其中，局部放電是電纜絕緣故障的主要體現(xiàn)。持續(xù)的局部放電會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣層發(fā)熱、老化，最終擊穿。SF6是SF6戶外環(huán)網(wǎng)柜的絕緣和滅弧介質(zhì)，高溫條件下，SF6會(huì)進(jìn)行分解，其分解產(chǎn)物中含有某些高毒性氣體，人體大量吸入極易引發(fā)頭暈和肺氣腫，甚至昏迷死亡[1]。由于運(yùn)行中的戶外環(huán)網(wǎng)柜長期處于高溫和無人監(jiān)控狀態(tài)，設(shè)備的絕緣故障必然引起柜內(nèi)環(huán)境溫度的上升，因此對環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測十分必要。

本文旨在建立一個(gè)SF6環(huán)網(wǎng)柜多參數(shù)檢測系統(tǒng)，對電纜局部放電、SF6泄漏和柜內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并及時(shí)預(yù)警，排除SF6戶外環(huán)網(wǎng)柜的安全隱患。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由電纜局部放電檢測平臺(tái)、SF6氣體泄漏傳感器、溫度傳感器、STM32單片機(jī)、12864液晶接口電路、RS- 485通信模塊和微計(jì)算機(jī)組成。其中，電纜局部放電檢測平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)局放信號(hào)的采集、處理；STM32單片機(jī)是SF6泄漏檢測與溫度檢測模塊的下位機(jī)核心處理器，完成信號(hào)采集、處理、控制等任務(wù)；RS- 485模塊用于STM32下位機(jī)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.1 電纜局部放電檢測平臺(tái)

目前，電磁耦合法、電容傳感器法和差分法在各類局放檢測方法中應(yīng)用廣泛[2]。由于電磁耦合法抗干擾能力強(qiáng)，傳感器與電纜沒有直接的電氣連接，安裝方便，因此本文采用該方法測量。該方法利用高頻電流互感器耦合流經(jīng)電纜接地線上的脈沖電流來提取局放信息。局部放電檢測平臺(tái)由局放監(jiān)測儀、高頻電流互感器、環(huán)網(wǎng)柜三相鎧裝電纜、數(shù)據(jù)采集卡以及裝有虛擬儀器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成。其中，DPD-2003C數(shù)字局放監(jiān)測儀檢測到的放電量作為電纜局放發(fā)生與否的判斷依據(jù)。該儀器應(yīng)用脈沖電流法，通過控制臺(tái)調(diào)節(jié)高壓電纜兩端的測試電壓，經(jīng)無局放耦合電容和檢測阻抗提取局放信息并送至局放檢測儀顯示放電量。本文選取ADLINK公司的PCI-9820作為數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡采樣率可達(dá)65 MS/s，支持32位3.3 V或5 V外設(shè)部件互連(peripheral components interconnect,PCI)總線，板卡內(nèi)存高達(dá)512 MB。電纜局部放電檢測平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

由于局部放電信號(hào)是瞬態(tài)信號(hào)，發(fā)生時(shí)間極短，具有較高的頻帶[3]，因此在電磁耦合法中，一般選用高頻帶電流互感器。將電流互感器接在電纜屏蔽層的接地線上，當(dāng)被測電流流經(jīng)時(shí)，周圍會(huì)產(chǎn)生瞬變磁場。該磁場會(huì)在傳感器線圈中產(chǎn)生與被測電流變化率成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢，此時(shí)只需在線圈外加一個(gè)積分電阻即可反映真實(shí)的局部放電脈沖信號(hào)[4]。電流互感器等效電路如圖2所示。

圖2 電流互感器等效電路

圖2中：Ls為線圈自感；Rs為線圈等效電阻；Cs為雜散電容；R為積分電阻。

通過選取合適的磁芯材料、線圈匝數(shù)與積分電阻，可以提高傳感器的工作帶寬與靈敏度?；诰址判盘?hào)特點(diǎn)，本文選取一款特制的穿芯式羅氏線圈電流互感器。該互感器帶寬達(dá)20 MHz，可在-55～85 ℃之間工作，操作簡單，符合試驗(yàn)要求。

1.2 SF6泄漏與溫度檢測裝置

SF6泄漏與溫度檢測裝置電氣連接圖如圖3所示。

圖3 裝置電氣連接圖

該裝置以STM32單片機(jī)為核心，對SF6泄漏濃度及柜內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，并顯示當(dāng)前SF6泄漏濃度及柜內(nèi)環(huán)境溫度值。同時(shí)設(shè)定SF6與溫度報(bào)警極限，若SF6發(fā)生泄漏或溫度值超限，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。該裝置利用RS- 485完成串口通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2.1 SF6檢測傳感器

試驗(yàn)選用非紅外分光(NDIR)型SF6檢測傳感器。檢測原理基于Lambert-beer定律，當(dāng)紅外光照射SF6時(shí)，氣體會(huì)吸收特定波長的紅外光，被吸收的紅外光能量與氣體濃度有關(guān)，因而通過測定紅外光吸收能量可以反應(yīng)SF6氣體的濃度值[5-6]。SF6探測器核心裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 NDIR型SF6探測器核心裝置結(jié)構(gòu)

由圖4可以看出，紅外探測器由兩個(gè)通道構(gòu)成：SF6氣體通道、參比通道。在SF6氣體通道上安裝有SF6濾波片，只有能被SF6氣體吸收的3.4 nm的紅外光才可以通過。當(dāng)氣體分子擴(kuò)散到氣室中時(shí)，紅外光吸收SF6氣體，因而到達(dá)SF6氣體通道的能量降低，而參比通道不變。

根據(jù)Lambert-beer公式，有：

I=I0eKP

(1)

式中：I為照射到探測器的光強(qiáng)度的測量信號(hào)；I0為SF6濃度等于0 μL/L時(shí)的測量信號(hào)；K為系統(tǒng)常數(shù)；P為SF6的濃度。已知I、I0，可以計(jì)算出SF6氣體泄漏濃度。

1.2.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于紅外探測器輸出為毫伏級(jí)的信號(hào)，微處理器無法對其進(jìn)行采樣，因此必須對信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送至STM32單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采樣、運(yùn)算。信號(hào)放大電路如圖5所示。

圖5 信號(hào)放大電路

按照圖5所示放大電路，將SF6氣體通道的輸出信號(hào)與參比通道的輸出信號(hào)進(jìn)行比例放大，輸出信號(hào)送至差分放大電路，用于計(jì)算信號(hào)差值，以判別氣室中是否存在SF6氣體。最終經(jīng)單片機(jī)采樣后的SF6氣體濃度輸出范圍為0～1 000 μL/L。

1.2.3 溫度檢測傳感器

由于系統(tǒng)對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)各區(qū)域環(huán)境溫度檢測精度及分辨率要求不高，通過對比熱電阻、熱點(diǎn)偶與各類模擬數(shù)字式溫度傳感器，最終選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測傳感器。

DS18B20只需一根總線連接，具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于工廠、車間等復(fù)雜的環(huán)境中[7]。

1.2.4 人機(jī)交互部分

人機(jī)交互由4個(gè)部分組成：鍵盤控制、液晶顯示、數(shù)據(jù)通信、超限報(bào)警。

① 鍵盤控制部分由3個(gè)獨(dú)立按鍵構(gòu)成，分別為設(shè)定鍵、遞加鍵、遞減鍵。通過輸入不同的按鍵信號(hào)完成報(bào)警值的控制，同時(shí)設(shè)定鍵也用于關(guān)閉報(bào)警信號(hào)。

② 液晶顯示部分選用128×64點(diǎn)陣式的漢字圖形顯示模塊，內(nèi)置128個(gè)字符及64×256點(diǎn)陣RAM[8]。液晶顯示分為3個(gè)頁面：當(dāng)前濃度及溫度值頁面、當(dāng)前設(shè)定頁面、報(bào)警狀態(tài)頁面。當(dāng)前濃度及溫度值頁面包括當(dāng)前SF6泄漏濃度(0～1 000 μL/L)、柜內(nèi)溫度值(-55～125 ℃)的顯示；當(dāng)前設(shè)定界面用于設(shè)定SF6與溫度報(bào)警值；當(dāng)前報(bào)警頁面包括當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

③ 數(shù)據(jù)通信部分選用RS- 485串行通信形式。RS- 485接口具有良好的抗干擾能力，被用于本裝置長線路通信中。RS- 485是一種半雙工的串口通信方式，最高傳輸速率為10 Mbit/s，考慮到STM32單片機(jī)需要與上位機(jī)通信，最高速率只能達(dá)到115 200 bit/s，因此本文選擇的傳輸速率為9 600 bit/s。RS- 485沒有國際標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)，可采用連線端子或者DB-9、DB-25等連接器，本文選用DB-9連接器。

④ 聲光報(bào)警部分選用蜂鳴器與發(fā)光二極管。當(dāng)SF6發(fā)生泄漏或溫度值超限時(shí)，在STM32單片機(jī)的控制下，蜂鳴器與報(bào)警燈會(huì)發(fā)出同頻率報(bào)警信號(hào)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為3部分，分別為電纜局部放電檢測模塊、SF6泄漏監(jiān)測模塊、環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)各區(qū)域環(huán)境溫度監(jiān)測模塊。

系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

其中，后臺(tái)監(jiān)控單元專指上位機(jī)部分，用于局部放電信號(hào)采集、顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，SF6濃度值以及柜內(nèi)溫度值顯示，數(shù)據(jù)通信，各模塊參數(shù)設(shè)置以及故障診斷與報(bào)警。下位機(jī)單元專指STM32單片機(jī)，主要用于SF6、溫度值的采集、超限報(bào)警以及與上位機(jī)單元的通信。

2.1 上位機(jī)軟件開發(fā)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括電纜局部放電檢測、SF6泄漏監(jiān)測、柜內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測3個(gè)部分。上位機(jī)軟件系統(tǒng)利用NI LabVIEW2011軟件編程，按系統(tǒng)功能劃分，可分為電纜局放信號(hào)采集模塊、波形顯示和存儲(chǔ)模塊、SF6濃度顯示、溫度值顯示、故障報(bào)警等。

STM32單片機(jī)與上位機(jī)通過串口完成通信功能。在LabVIEW中，實(shí)現(xiàn)串口的驅(qū)動(dòng)主要借助于VISA驅(qū)動(dòng)程序。串口通信步驟如下。

① LabVIEW通過“VISA配置串口”控件配置串口的波特率、數(shù)據(jù)比特、停止位、奇偶校驗(yàn)等，相應(yīng)的配置與STM32下位機(jī)一致；

② 通過“VISA打開”控件打開VISA資源；

③ 通過“VISA寫入”控件將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到VISA資源名稱中，即將串口數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)，寫入數(shù)據(jù)以16進(jìn)制顯示；

④ 通過“VISA讀取”控件讀出緩存區(qū)數(shù)據(jù)，即將STM32單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給LabVIEW；

⑤ 程序運(yùn)行結(jié)束后，通過“VISA關(guān)閉”控件關(guān)閉指定的串口，解除LabVIEW對資源的占用。

本文中，單片機(jī)與上位機(jī)的通信協(xié)議為：LabVIEW向STM32發(fā)送0x7a，STM32收到后，開始進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。如果LabVIEW向STM32發(fā)送0x88，STM32收到后即停止數(shù)據(jù)采集。

2.2 下位機(jī)軟件開發(fā)

環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)溫度檢測系統(tǒng)下位機(jī)以STM32單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)溫度采集、SF6濃度采集、鍵盤控制、顯示、超限報(bào)警、上位機(jī)通信等。相應(yīng)的軟件流程如圖7和圖8所示。

圖7 SF6泄漏檢測軟件流程圖

圖8 環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)溫度檢測軟件流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中，設(shè)定電纜局放信號(hào)采集系統(tǒng)采樣頻率為60 MHz,采樣時(shí)間為0.04 s。通過分析電纜在無局放和有局放情況下的頻譜特征來提取特征量，判別局放的發(fā)生。無局放時(shí)和有局放時(shí)信號(hào)時(shí)域、功率譜圖如圖9、圖10所示。

對比圖9和圖10可知，相對于無局放情況，當(dāng)電纜發(fā)生局放時(shí)，信號(hào)功率譜曲線發(fā)生顯著變化，在頻率為8～12 MHz處尤為明顯。

本文采用8～12 MHz局放信號(hào)歸一化的功率譜面積作為特征向量，利用Matlab 7.1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9-11]工具箱，采用單層隱含層(包括1個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，20個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)，1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn))進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和驗(yàn)證。設(shè)定局放儀顯示的50 pC局放量為閾值，小于50 pC的電磁耦合數(shù)據(jù)為無局放樣本，記為0；大于50 pC的電磁耦合數(shù)據(jù)為有局放樣本，記為1。將試驗(yàn)獲得的80組數(shù)據(jù)分成兩部分，其中50組作為訓(xùn)練樣本，30組作為預(yù)測樣本。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別效果如圖11所示。

圖9 無局放的時(shí)、頻信號(hào)曲線

圖10 有局放的時(shí)、頻信號(hào)曲線

圖11 電纜局放故障識(shí)別效果圖

由圖11可知，采用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對局放電進(jìn)行識(shí)別，正確率達(dá)到100%,能夠有效區(qū)分電纜局放的發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種戶外環(huán)網(wǎng)柜多參數(shù)檢測裝置，對

常見的環(huán)網(wǎng)柜故障進(jìn)行檢測，包括電纜局部放電的早期識(shí)別、SF6氣體泄漏監(jiān)測以及柜內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測。設(shè)計(jì)開發(fā)了電纜局部放電檢測平臺(tái)以及SF6氣體泄漏與溫度監(jiān)測裝置，測定了實(shí)時(shí)SF6泄漏濃度與柜內(nèi)溫度值，實(shí)現(xiàn)了鍵盤控制與故障報(bào)警功能。通過上位機(jī)與下位機(jī)的軟件開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提取局部放電特征頻帶的功率譜面積作為特征量，對電纜局放信號(hào)進(jìn)行了有效識(shí)別。

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