徐衛(wèi)東，聶一雄，周文文，彭 丹

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州 510006)

一種固體開關柜局部放電智能檢測裝置的設計

徐衛(wèi)東，聶一雄，周文文，彭 丹

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州 510006)

為實現(xiàn)對固體開關柜內部局部放電的在線監(jiān)測，獲取開關柜內部真實的局部放電量以及評估的絕緣狀況，研制了一種固體開關柜局部放電在線檢測裝置。該裝置利用超聲波傳感器和諧振電路采集發(fā)生局部放電時產生的高頻信號，將高頻信號轉換成電壓信號;再將電壓信號經過數據預處理環(huán)節(jié)和模數轉換后發(fā)送到STM32主控芯片；通過函數關系式對采集到的電信號數據進行換算，得到局部放電量的大小并實時顯示在LCD屏幕上。若檢測到的放電量大于某設定值就自動發(fā)出報警，提醒現(xiàn)場電力人員對其進行關注，防止因絕緣損壞導致發(fā)生重大電力事故。該裝置具有操作簡單、信號處理速度快、檢測數據實時性高、費用低等特點，適合對中高壓設備內部局部放電進行實時監(jiān)測，方便運行人員對設備進行維保，確保設備的正常運行，對于提高供電可靠性具有重要意義。

局部放電； 在線檢測； 嵌入式系統(tǒng)； 超聲波信號； 諧振電路

0 引言

開關柜運行狀態(tài)的好壞直接影響整個配網的供電可靠性。自2014年以來，全國發(fā)生因絕緣擊穿而導致的故障共有56次，占開關柜故障總數的14.3%[1]，因此有必要對開關柜在帶電運行狀態(tài)下局部放電展開研究。目前，檢測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]，但大部分都無法在帶電運行下進行檢測，無法實時檢測出開關柜內部整體的局部放電水平，因此有必要對其進行研究。本文采用STM32作為主控芯片，數據處理頻率達72 MHz，能夠采集到完整的局部放電信號，不會發(fā)生因采樣速度不夠造成局部放電信號漏掉的情況。由信號預處理模塊、人機交互模塊以及自動報警裝置組成一套在線實時檢測帶電開關柜局部放電裝置，實現(xiàn)在不停電的狀態(tài)下能實時監(jiān)測開關柜內部的局部放電量。

1 檢測裝置整體設計

開關柜內部的局部放電裝置由諧振電路模塊、超聲波傳感器模塊、信號預處理模塊、微處理器、電源、液晶顯示單元、報警裝置單元組成。檢測裝置整體框圖如圖1所示。

圖1 檢測裝置整體框圖

諧振電路接收局部放電產生的高頻聲信號[9]，將其轉換為電信號，然后進行濾波、放大、A/D采樣后，將信號送至微處理器。通過軟件程序設計，濾除低于某一閾值的電信號，經過試驗數據分析，干擾信號經放大后得到的電信號幅值大部分集中在0.8 V以下，即將0.8 V作為局部放電信號的門檻閾值。若放大后的電信號值超過了預設的閾值，則判定為有局部放電產生。該電信號值顯示在當前值數據框內。將當前數據框內的局部放電量和歷史最大數據進行對比，判斷局部放電水平以及絕緣狀況，同時報警器報警，并將記錄的數據實時顯示在液晶屏上。同樣超聲波傳感器接收局部放電產生的超聲波信號[10-12]，經過放大、混頻、檢波、濾波以及A/D采樣后，將兩種數據進行匯總對比[13-14]。如果兩者同時采集到高頻信號且值都超過了預設閾值，則表明確實發(fā)生了局部放電，否則就自動判定為干擾信號被自動過濾，局部放電結果也實時顯示在LCD屏幕上[15]。電源部分包括超聲波驅動模塊和信號處理電路的電源。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。

由于開關柜內設備復雜、空間狹小，所以該檢測裝置要便于安裝，對裝置大小和形狀都要進行合理的設計，使用耐火性能良好的塑料外殼。裝置內部電路進行金屬薄膜覆蓋，起到很好的屏蔽作用，有益于抗干擾，最大限度提高檢測數據的準確性。

2 硬件部分

2.1 信號預處理

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，能直接將聲音信號轉換成電壓信號。局部放電伴隨著超聲波信號的產生，通過選擇與局部放電信號相接近頻帶范圍的超聲波傳感器，就能檢測出局部放電信號。在現(xiàn)場運用超聲法檢測開關柜絕緣狀態(tài)時，根據測量對象的不同，采用不同頻帶的傳感器可以有效增強開關柜局部放電檢測數據的可靠性[16]。局部放電信號與局部放電所產生的超聲波信號之間的聯(lián)系，很難用函數關系來表示。但是針對在某種特定環(huán)境條件下的局部放電，可以用超聲波信號的幅值、頻率等特征來描述局部放電的特性。

局部放電信號與超聲波信號如圖2所示。

圖2 局部放電信號與超聲波信號

2.1.2 諧振耦合電路

由于超聲波傳感器在信號采集過程中會接收到所有頻率帶寬的信號，也夾雜著大量的噪聲信號，所以就需要采用諧振耦合電路對采集到的信號進行進一步分析。根據局部放電信號特征，一般局部放電發(fā)生時產生的高頻信號頻率為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行對比分析，就能獲取真實的局部放電信號，可以有效避免背景噪聲干擾造成信號采集不準確導致的結果誤差，最大程度地保證了局部放電信號采集的準確性。

2.2 信號濾波與放大

2.2.1 信號濾波

由于局部放電信號的響應頻率為40～500 kHz，因此，理論上應該設計一個帶通為40～500 kHz的帶通濾波器，以保證濾除不在局部放電信號頻段的信號。為便于設計符合要求的帶通濾波器，將高通的截止頻率設在10 kHz左右，低通的截止頻率設為500 kHz，最大限度地濾除來自低頻及高頻耦合數字部分信號[18]。以本裝置中用到的運放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

帶通濾波器由一個低通濾波器和一個高通濾波器組成，局部放電信號頻率范圍為10～500 kHz，所以根據低通和高通截止頻率計算公式，可以計算各個電路元件的阻值。低通和導通截止頻率計算公式如式(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。

從仿真譜圖來看，設計的帶通濾波器電路能夠滿足局部放電信號的過濾使用。

2.2.2 放大電路

采用INA118運放芯片，將濾波過后的原始局部放電信號進行放大。INA118內部自帶保護電路，信號放大倍數由外部可調增益電阻進行控制。INA118具有精度高、功耗低、等優(yōu)點[15]，常用在對微小信號進行放大。整個放大模塊內部由三個運算放大器組成差分放大。通過調節(jié)外部增益電阻，可實現(xiàn)增益1～1 000 dB自由調節(jié)，運用范圍十分廣泛。運放電路如圖5所示。

圖5 運放電路圖

從圖5可知，增益電阻R1接在1、8管腳之間，2、3管腳接信號輸入，6管腳接輸出。根據原始信號和輸出信號進行比較，確定增益倍數為10，滿足檢測需求。增益電阻公式為R=50 kΩ/(G-1)，調節(jié)阻值旋鈕即可實現(xiàn)對微弱信號的特定倍數的放大。

2.3 局部放電信號模數轉換

數據A/D轉換模塊采用ADC0801。它的采樣頻率為20 MHz，12位數據處理能力，精度為1/4 096 ，具有高信噪比和低功耗特點。采用轉換模塊對接收到的模擬信號進行數據處理。STM32主芯片負責驅動高精度采樣電路，ADC0801轉換芯片在正常工作時功耗僅300 mW左右。ADC0801對模擬輸入信號電壓值要求不高，十分適合用來作為原始局部放電信號模數轉換使用。

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，另一方面同時為芯片供電。由于ADC0801對輸入信號的電壓值要求不高，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電源電壓+3.3V，可以得到ADC輸出數字量轉換成的電壓值如式(4)所示：

(4)

式中：D為ADC進行模數轉換后輸出的數字量；FSR為模擬輸入的最大量程；N為ADC轉換芯片的位數。

3 軟件部分

3.1 STM32程序

STM32作為整個裝置中核心處理器，主要負責控制A/D采集超聲波傳感器和諧振電路信號，并將其存儲在SRAM中，以及將存儲的數據進行提取。將數據通過內部函數轉換成局部放電信號顯示，顯示屏通過SPI數據接口和主控芯片進行連接，大大加強了對數據處理的能力，加快了數據處理速度。A/D模塊采用12位的轉換芯片通過IIC協(xié)議將模擬信號數據轉換成數字信號，數字精度達到1/4 096，避免了因局部放電發(fā)生時間太短，造成采樣數據的丟失和遺漏。采用IIC數據總線進行數據的傳輸，有助于提高系統(tǒng)的響應速度。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

局部放電檢測裝置是在ARM系統(tǒng)框架內采用STM32芯片作為處理器將對數據進行實時處理，軟件程序是在KEIL5中進行編寫，最后通過串口將編譯好的程序下載到局部放電檢測裝置中。軟件程序可根據實際需要能進行更新替換，有利于對裝置功能進行后續(xù)的補充。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，開始采集數據，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送入信號處理環(huán)節(jié)，包括：濾波、信號放大等，然后將局部放電信號進行模數轉換。每一次采集到的模擬信號轉換成一組數字量，作為一組局部放電值進入下一階段數據換算。如果數據處理未完成，則需要重新進入信號處理環(huán)節(jié)，直至數據處理完成。將采集到的電信號通過函數擬合得出電信號與局部放電量之間的關系式，最后將換算后的局部放電量進行顯示，同時判斷局部放電量是否超過預設閾值。如果未超過，則不觸發(fā)報警裝置；如果超過預設值，則自動觸發(fā)報警裝置，以便提醒相關維護人員進行現(xiàn)場維護。

3.3 人機交互界面

為了更好地將檢測結果實時顯示，采用TFT液晶顯示屏以及自動報警電路的設計。該界面有兩個數據框，一個是歷史最大值數據框，另一個是實時顯示數據框。通過歷史最大值、局部放電值與實時檢測到的局部放電值進行對比，可以用來判斷開關柜內部局部放電嚴重程度。如果歷史值不斷被實時值所替換，則說明局部放電程度越來越嚴重。如果實時局部放電值低于歷史最大值，則說明局部放電水平維持現(xiàn)狀，不需要停電檢修，同時根據軟件編寫相應程序。當檢測到的局部放電值大于預設閾值自動觸發(fā)蜂鳴器報警電路，提醒工作人員注意觀察，及時掌握開關柜內部局部放電水平。

4 結果校驗及運用

由于局部放電檢測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行相互校驗，步驟如下。①首先將局部放電裝置傳感器和標準局部放電儀探頭放置同一位置，以保證測得原始局部放電信號的準確性。②記錄局部放電檢測裝置測得的實時電壓值和標準局部放電儀測得的實時局部放電量，通過進行多組試驗得到不同電壓值和局部放電量之間的一一對應關系。③利用多項式擬合函數進行擬合處理，得出電壓和局部放電量之間的關系式。④將原始數據與局部放電數據進行函數擬合，以便對局部放電裝置原始參數進行調整，完成局部放電裝置的校驗過程。

采用校驗完成的局部放電檢測裝置去測量開關柜內部的局部放電，可以實時顯示檢測到的局部放電量。校驗過程中采用的局部放電儀型號為局部放電儀型號為WDJFY-2009，能實時顯示局部放電量。將校驗完成的局部放電檢測裝置對局部放電進行檢測。為驗證局部放電裝置測量結果的準確性，故采用電火花作為局部放電信號對其進行驗證。

該局部放電裝置能準確測出局部放電量大小，由于局部放電是隨機現(xiàn)象，所以檢測得出的數據變化很大，但作為一種能實時檢測局部放電量水平的裝置已經能夠滿足現(xiàn)場需求。通過歷史數據最大值和實時值進行比較，也容易了解固體開關柜內部局部放電程度大小。根據設定的不同閾值可以實現(xiàn)自動報警功能，這大大減少了現(xiàn)場維保人員的工作量。維保人員只需間隔一段時間記錄一次局部放電值，就能評估開關柜內部局部放電狀況，在不斷電的情況就能完成對局部放電的檢測工作，有利于提高供電可靠性。

5 結束語

本裝置通過采用超聲波和諧振電路聯(lián)合檢測的方法，完成了對開關柜內部的局部放電檢測。兩種方法取長補短，不僅保證了檢測數據的可靠性，而且在不斷電的情況下就能完成局部放電檢測。經過反復檢測結果表明，本裝置具有良好的實用性與穩(wěn)定性，可以快速有效地完成局部放電檢測工作。相較于現(xiàn)有局部放電檢測方法，該裝置具有在設備不用斷電的情況下就能在線監(jiān)測局部放電量的水平，雖在測量精度上還有改進空間，但能夠滿足現(xiàn)場實際需求。通過當前值數據和歷史最大數據進行對比，可以反映放電強度以及判斷局部放電嚴重程度的趨勢。同時該裝置還具有動作時間快、抗干擾能力強、費用低等優(yōu)點，無需消耗較多的人力、物力，安裝方便；能及時發(fā)現(xiàn)開關柜內潛在的絕緣安全隱患，確保開關柜持續(xù)、安全、有效地運行，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

東莞市科技局產學研合作基金資助項目(2015509132215)

徐衛(wèi)東(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向為電能質量在線監(jiān)測技術。E-mail：1195344277@qq.com。 聶一雄(通信作者)，男，博士，副教授，主要研究方向為電能質量分析和控制技術。E-mail：3162362831@qq.com。