魯改鳳，侯鵬飛，范茜勉，王文飛，杜帥，張朋飛

(1.華北水利水電大學 電力學院,鄭州450045; 2.河北省電力勘測設(shè)計研究院,石家莊050000)

0 引 言

近年來電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生多起因套管末屏接地不良而引起的變壓器套管損壞事故[1-2]，為此須積極開展套管末屏帶電檢測技術(shù)的研究。目前常用的局部放電檢測技術(shù)主要有超(特)高頻(UHF)檢測技術(shù)和暫態(tài)地電波(TEV)檢測技術(shù)。超(特)高頻檢測技術(shù)通常須將天線預設(shè)在變壓器內(nèi)部，適用于在線監(jiān)測；暫態(tài)地電波檢測技術(shù)是通過在金屬外箱殼上放置電容耦合式傳感器，接收局部放電電磁波產(chǎn)生的電壓脈沖，常用于開關(guān)柜局放的檢測[3-8]。以上兩種方法均不適于對套管末屏接地情況進行日常大范圍的準確巡檢[9-10]。盡管國內(nèi)部分變壓器局部放電在線監(jiān)測裝置采用高頻CT監(jiān)測的方法，但目前大多數(shù)的變壓器并未安裝局放在線監(jiān)測設(shè)備，要在短期內(nèi)將該技術(shù)覆蓋所有變壓器并不現(xiàn)實[11]。

基于目前的狀況，按相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范研究了一種便攜式套管末屏放電檢測裝置，實現(xiàn)對末屏放電這種特殊形式的缺陷進行快速有效的診斷，提高了設(shè)備故障預警的能力，為檢修和評估提供了可靠數(shù)據(jù)，從而減少事故的發(fā)生。所以，本研究對增強電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和設(shè)備工作可靠性具有重要意義。

1 裝置的整體構(gòu)成

文章研究的套管末屏放電檢測裝置主要由紅外定位鏡頭、鉗形高頻CT、超聲探頭和主機四部分組成，實物裝置如圖1所示，紅外定位鏡頭用于觀察鏡頭中的紅外光線定位探頭所指目標，鉗形高頻CT信號頻率段在50 Hz～100 kHz；為了屏蔽設(shè)備周圍信號的干擾，超聲探頭采用外加喇叭狀集波器的設(shè)計方式，其超聲傳感器選用中心頻率為40 kHz的PZT型；主機外部是觸控液晶屏、按鍵、信號輸入BNC接口、數(shù)據(jù)傳輸USB接口，主機內(nèi)部由電源管理、模擬采樣電路、CPU及其外圍電路構(gòu)成。

圖1 套管末屏放電檢測裝置實物圖

與已有帶電檢測裝置比較，該裝置主要具備以下優(yōu)勢：

(1)便攜性。裝置采用高集成度設(shè)計，體積小，可脫離電源使用，總尺寸為29 mm×16 mm×35 mm，主機重1.3 kg，在進行變壓器末屏套管巡檢時不受時間和地點的限制，便攜性較強;

(2)抗干擾性。裝置外殼采用鋁合金制作，對外界干擾有很好的屏蔽作用，同樣，裝置的傳感器、電路和傳輸線也進行了屏蔽處理。信號進入主機后先進行模擬5 kHz～200 kHz帶通濾波，然后將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入處理器，進行數(shù)字濾波;

(3)實時性。裝置可工頻同步，即時反映放電波形、幅值和相位。

2 裝置的硬件設(shè)計

(1)電源系統(tǒng)。為保證裝置自身供電的可靠性，本設(shè)計通過三種途徑進行電源供給，按照供電優(yōu)先級依次為：適配器電源、USB電源、內(nèi)置電池。電源由優(yōu)先級最高者供應，多種電源共存時僅由優(yōu)先級最高的供電;

(2)處理器平臺。整個系統(tǒng)采用一個嵌入式處理器進行人機交互和一個DSP處理器做數(shù)據(jù)處理，結(jié)合功率損耗、PCB面積和開發(fā)成本，最終采用包含Cortex A8+C64x的OMAP3530。MCU采用STM32F103C8T6，其主要作用是控制設(shè)備開啟與關(guān)閉、管理 電源電池、控制ADC及FIFO的時鐘和模擬電路增益調(diào)節(jié)等;

(3)顯示與按鍵。為了提供舒適、方便的操作體驗，本裝置采用5.6寸640×480分辨率的26萬色LCD，同時配備了穩(wěn)定耐用電阻型觸摸屏，按鍵的主要功能是開/關(guān)機以及與對觸摸屏功能的補充和完善;

(4)輸入輸出接口。為了更好地輸入輸出數(shù)據(jù)，裝置配置了兩個USB接口，一個Device接口用于系統(tǒng)調(diào)試，一個Host用于接鍵盤、鼠標、U盤等外設(shè)。Device接口由OMAP的電源管理芯片TPS65930提供，Host接口采用高集成度的全功能高速收發(fā)器USB3320。

3 裝置的軟件設(shè)計

本裝置軟件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，軟件開發(fā)實現(xiàn)的主要功能是觀察波形和放電量，快速切換各種顯示模式，設(shè)定報警閾值等。

圖2 軟件總體結(jié)構(gòu)示意圖

(1)數(shù)據(jù)處理流程。

數(shù)據(jù)處理流程分為讀取數(shù)據(jù)、帶通選頻、計算頻譜和數(shù)據(jù)顯示四個階段，首先從數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序提供的接口讀取數(shù)據(jù)，每次讀取20 ms數(shù)據(jù)，然后進行帶通選頻，根據(jù)設(shè)備使用的場景和抗干擾要求自行設(shè)定濾波器通帶，如果信號頻率范圍在通帶外則該信號被抑制，之后再計算頻譜，對通過帶通頻率濾波器的信號進行快速傅里葉變換得到當前檢測數(shù)據(jù)的頻譜，最后進行數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)用戶不同的顯示設(shè)置，顯示出二維普通波形、二維累積圖形、三維滾動波形以及頻譜圖形；

(2)數(shù)字信號處理。

通過OMAP3530的C64x+ DSP來完成帶通選頻和頻譜計算，軟件對每段20 ms的數(shù)據(jù)(即每次讀取的一個周波數(shù)據(jù))進行帶通選頻，但考慮到DSP有限的運算資源，僅對部分數(shù)據(jù)進行頻譜計算。用于計算頻譜的數(shù)據(jù)段選擇算法原理如下：

第一步，設(shè)定計數(shù)上限N。即每N段數(shù)據(jù)計算一次FFT。例如，N=10，那么每200 ms計算一次FFT；第二步，計算當前數(shù)據(jù)段的峰值。如果當前數(shù)據(jù)段峰值比此前數(shù)據(jù)段的峰值大，則緩存該數(shù)據(jù)段；第三步，當達到計數(shù)上限N時，用緩存的數(shù)據(jù)段來做FFT(緩存數(shù)據(jù)段為該N段數(shù)據(jù)中具有最大峰值的一段數(shù)據(jù))。

(3)線性度處理。

在進行線性度處理前，需要計算出每個通道在每種靈敏度下的基準值和線性變換參數(shù)。對于每個通道的每個靈敏度，收集一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，并求取平均值，將該平均值作為當前通道當前靈敏度的基準值。用AD采樣值與基準值的差值和實際電壓值均呈分段線性關(guān)系。本裝置中差值范圍為0～16 384，將該范圍分為若干子范圍，每個子范圍求得一個從差值到電壓值的線性映射關(guān)系。在實際數(shù)據(jù)處理時，即可利用實現(xiàn)計算好的基準值和線性度變換參數(shù)，計算AD采樣值到電壓值的映射關(guān)系。

(4)同步處理。

本裝置采用16位AD，用最高位表示同步信號。首先用戶設(shè)置好參數(shù)，然后系統(tǒng)執(zhí)行同步參數(shù)，根據(jù)同步信號上升沿變化，確定同步信號的頻率，然后按照最高位的變化查尋當前數(shù)據(jù)段中同步信號的上升沿，由該段數(shù)據(jù)同步信號的上升沿點，結(jié)合同步信號的相位以及相位偏移，確定數(shù)段中0°的位置，從而完成同步。

4 實際研究

因為在對末屏放電故障檢測時，外界因素會對裝置的測試造成影響和干擾[12]，為能夠準確判斷，通過實驗研究這些因素對檢測的影響規(guī)律，以形成規(guī)范的檢測診斷方法。

4.1 實驗室研究

在華北電網(wǎng)有限公司沙河試驗站模擬套管末屏放電的發(fā)生對末屏放電帶電檢測裝置進行了試驗研究,分析了不同因素對檢測結(jié)果的影響。

(1)末屏接地間隙距離影響

將超聲檢測儀探頭檢測角度穩(wěn)定為0°，檢測距離設(shè)定為1 m，接地間隙為3 mm，此時測得的波形如圖3所示，可以看出，測得的放電信號約為25 000 μV，隨間隙距離縮小而逐漸減??；保持檢測角度和距離不變，當接地間隙從5 mm逐漸調(diào)整至0 mm，得到如圖4所示的規(guī)律。

圖3 檢測到的放電波形

圖4 末屏放電超聲檢測量與末屏接地間隙距離的關(guān)系

由圖4可知，當末屏接地間隙距離超過3 mm時，得到的超聲檢測量超過1 100 μV，隨著測量間隙距離的減小，測量值逐漸變小。因此，末屏接地各種斷開缺陷都可以通過超聲方法有效探測。

(2)超聲檢測距離影響

考慮到帶電檢測的安全因素，實驗中最小檢測距離選為0.5 m；由于距離過遠時信號幾乎完全衰減，因此實驗中最大的檢測距離選為10 m；以1 m為間隔，得到如圖5所示的規(guī)律。

圖5 末屏放電超聲檢測量與檢測距離的關(guān)系

可以看出，當檢測距離為0.5 m時得到的超聲測量值為1 100 μV；隨著檢測距離的增大，超聲測量值衰減，當檢測距離增大到2 m以上時，測量信號已衰減至500 μV以下，到4 m以上已基本衰減至50 μV。

(3)空氣濕度影響

超聲檢測除了受檢測距離影響外，環(huán)境濕度對其也有較大影響。在高濕度環(huán)境下的檢測結(jié)果與在普遍濕度環(huán)境下相比發(fā)生了明顯的變化，如圖6和圖7所示。

圖6 不同濕度下末屏放電超聲檢測量與末屏接地間隙距離的關(guān)系

圖7 不同濕度下末屏放電超聲檢測量與檢測距離的關(guān)系

由圖6和圖7可知，環(huán)境濕度越大超聲波傳播衰減越多。因此，應盡量避免在雨后、起霧等空氣較潮濕時進行巡檢。

4.2 變電站實際應用研究

利用本裝置，在康仙220 kV變電站對現(xiàn)場的噪聲進行了采集。表1給出了康仙220 kV站對母線電暈噪聲的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可知，在未直對母線的情況下，噪聲在40 μV左右，與距離無關(guān)，站內(nèi)的環(huán)境噪聲圖如圖8所示；在瞄準母線的情況下，在10 m距離時達到400 μV左右，圖形如圖9所示。

表1 康仙220 kV站母線電暈噪聲測試數(shù)據(jù)

圖8 未對準母線時測到的站內(nèi)環(huán)境噪聲

圖9 對準母線時測到的電暈干擾

可見超聲接收探頭軸向近處母線電暈產(chǎn)生的噪聲對測量有一定影響，在測量末屏放電時應盡量避開軸向近處母線。

通過實驗和實際應用得到的結(jié)果與正常運行數(shù)據(jù)相比，得出末屏放電的診斷方法，綜合如下：

(1)檢測距離在5 m以內(nèi)有效，不宜在雨后、起霧等空氣較潮濕時進行巡檢；在有效距離內(nèi)，若超聲檢測的放電量大于100 μV，則認為存在末屏放電問題;

(2)變壓器出線端和母線的電暈對檢測有微弱干擾，出線端干擾最高可達200 μV，母線干擾最高可達400 μV，但都可通過改變測量角度予以避免，不影響測量;

(3)如果檢測到末屏放電故障，應逐步調(diào)整檢測角度來獲得最大放電量，以便準確定位放電位置。

5 結(jié)束語

研究了一種操作簡便、適用于巡檢的便攜式套管末屏放電帶電檢測裝置，填補了變壓器套管末屏放電帶電檢測的技術(shù)空白，為在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修工作提供了有力支持。該裝置能夠?qū)崟r非接觸地探測放電信號，顯示出測量波形和放電量多少，且方向性好，并可將數(shù)據(jù)導出進行更高級分析。試驗研究了非接觸超聲方法對末屏放電缺陷的檢測，結(jié)果表明不同接地斷開程度、檢測距離和空氣濕度對放電的超聲測量值有不同的影響；在變電站的檢測結(jié)果表明，對于出線端和母線的電暈干擾，可通過調(diào)整檢測角度而避開。本研究的實施，為及時發(fā)現(xiàn)變壓器運行中套管末屏缺陷和其放電他電容型設(shè)備末屏放電提供保障，有利于提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平，具有很好的工程參考價值。