局部放電紫外檢測量化分析系統的設計及應用

馬立新，浦榮杰，陶鵬舉，張 駿

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093)

0 引言

隨著輸變電電壓等級的提高，電力設備的電壓越來越高，對電力設備的絕緣性能要求也越來越高。在這些設備中，由于電極和絕緣表面存在的缺陷，導線外絕緣損傷或老化等原因可能造成電力設備局部放電。如果此類故障得不到及時處理，有可能會導致絕緣的最終擊穿與失效，甚至造成電力設備的損壞。為預防這類事故的發生，在不影響正常輸變電情況下，電力設備局部放電的在線檢測就顯得十分必要［1］。

目前的高壓電力設備放電檢測一般通過紅外成像儀、紫外成像儀、高頻探測儀［2～3］等進行。但存在成本高、操作復雜、靈敏度不足、對早期放電危險難以預報、不能定量表示放電程度等弱點。高壓設備放電會輻射出紫外光，通過檢測紫外光的強度來評估放電的情況，是檢測高壓設備放電的一種新方法。由于放電產生的紫外光信號在檢測時不需要與運行設備直接接觸，而是在與設備相隔一定距離下進行，紫外檢測可以做到不停電、不影響系統運行狀態，并且其抗干擾能力也很強。

1 高壓電氣紫外放電檢測原理

高壓設備發生局部放電時，根據電場強度的不同，會產生不同形式的放電。電離過程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量，通過光譜分析發現，當電子釋放能量時會輻射出光波和聲波，而輻射出的光譜包括紫外、可見光、紅外3 個譜段，隨著外加電壓的增加，局部放電所輻射光譜在紫外區域也隨之增強。

該方法有兩個方面優勢:一是靈敏度高，由于高壓電力設備局部放電產生的紫外光譜主要集中在200 ～400 nm 以下波段。空氣中太陽輻射的波長范圍很寬，但波長220 ～280 nm 之間的成分幾乎被地球的臭氧層完全吸收，波長在300 nm 以下的“太陽光譜盲區”的紫外輻射已經變得極其微弱。二是抗干擾能力強，由于電力設備內部通常是封閉的黑匣環境，正常工作時，設備內部具有很強的電磁干擾，沒有紫外信號的存在，因此，利用該波段的紫外輻射信號作為檢測對象幾乎不受外界環境光的影響。

紫外光檢測法即是利用光電探測器將光信號轉換為電信號，通過對電信號的分析處理來反映局部放電的情況。

2 檢測系統的硬件設計

系統的硬件部分包括傳感器檢測部分、數據采集計算和傳輸部分以及顯示終端部分、結構如圖1 所示。

圖1 系統結構示意圖

2.1 傳感器檢測部分

本文選用的紫外檢測管是HAMAMATSU 公司的R9454，其為R2868 的改進版，其通道工作波段采用日盲區UV-C 中的185 ～260 nm 波段，有效避免太陽光的干擾。

紫外檢測管的工作原理是基于金屬的光電發射效應和電子繁流理論。在傳感器的陽極和光電陰極間加上電壓后，就在兩極間建立了電場。當紫外線射入光電陰極的表面，如果入射光能量大于陰極表面逸出功，就會產生光電發射效應，逸出光電子。由于純金屬陰極的電子產額極低，紫外檢測管中還需要充入特殊氣體，通過繁流放電增加電子輸出。光電子在電場作用下加速向陰極運動，與氣體粒子引起電離，電離產生的新的電子與其他粒子碰撞，在陽極和陰極之間迅速形成很大的電流并產生放電，這種現象稱為電子繁流。根據湯生放電理論，在均勻電場中，繁流放電電流取決于光電流密度、電場強度、管內氣體壓力和氣體種類［4］。

紫外檢測管R9454 經過驅動板C10807 處理后得到標準的方波信號，方波信號頻率與放電產生的紫外線強度有一定的關系［5］。

2.2 數據采集計算和傳輸部分

系統是采用STM32F103RBT6 芯片的STM32開發板，它采集紫外檢測管檢測到的紫外信號計算分析后發送到各個顯示終端［6］。

對紫外方波信號AD 采樣使用規則通道單次采樣模式，采樣率設置239.5 周期，即(239.5 +12.5)/12 M=21 μs 定時采集一次，采集數據放在存貯器中，通過對存儲器中采集的信號邊沿的分析來計算得到信號的周期和頻率。

傳輸部分即把處理后的信號通過串口1 發送到現場的觸摸屏，串口2 發送到無線收發模塊，附近1 000m 附近的上位機Labview 能夠接收，通過串口3 發送給GSM 模塊，警告或報警信息無距離限制送到監控人的手機。

2.3 顯示終端部分

顯示終端包含3 個部分:觸摸屏采用是北京迪文科技有限公司的DMT 48270T043_ 01W 工業串口觸摸屏;無線收發模塊采用的是TI 公司的PC110L 和CC110L;GSM 模塊采用西門子公司的TC35i。

如圖2 所示，現場觸摸屏便于現場安檢，形象直觀，方便在觸摸屏上對STM32 完成參數設置等。

圖2 現場觸摸屏界面(原始數據)

圖3 所示的Labview［7］上位機可以作為監控室的終端服務器遠程監控，能接受多個現場發送的數據，可組網監控，具體監控點數目由電腦支持串口數決定，并能把采集的紫外信號定時保存成excel 表格方便查詢。

圖3 上位機Labview 界面

GSM 模塊接收STM32 開發板采集紫外信號的頻率，當信號頻率達到不同的等級時，模塊定時發送設定好的不同短信息給監控人的手機，監控人也可以編輯短信實時查詢紫外信號頻率，而達到警告級別時，模塊會直接呼叫監控人的手機報警。

3 程序設計流程圖

程序算法［8］在STM32 中有兩個關鍵的問題，一個是信號采樣，另一個是頻率計算。本文AD連續采集500 個點，按照各個終端的協議分別發送到各個串口的顯示。而頻率則是通過對信號上升沿和下一個上升沿的時間間隔來計算的，但是為了減少信號的電磁干擾，必須在低電平的情況下，連續出現10 個點都是高電平才算是上升沿，處理后的信號即圖3 所示的規范方波。程序設計流程圖如圖4 所示。

圖4 程序流程圖

4 實驗結果

在實驗室的條件下，采用高壓帽模擬高壓局部放電，通過改變驅動電路的電流來調節高壓帽的放電強度，如圖5 上部分，圖5 的下半部分是檢測儀器的實物局部圖，它是由觸摸屏、開關電源、STM32、檢測管等部分組成。

圖5 模擬紫外放電和紫外檢測系統實物局部圖

通過檢測計算，能夠根據紫外信號頻率找出對應放電強度之間的關系。經過實驗發現其波形不是周期性的，因此，采用單位時間內高電平所占時間表示測得的紫外光強度，單位時間是1 min，這里用Duty 來表示單位%。圖6 是實驗得到結果，圖中橫坐標是放電電路的電流，縱坐標是Duty 即紫外光強度。可以看到實驗數據的圖形和擬合的圖形不是完全重合，但是誤差不是很大。其電流和占空比成正比關系，從而可以通過測得的數據來判斷放電的強度。

圖6 實驗數據分析

5 結論

在實際的高壓設備中，不同的設備在不同的環境下放電強度不同，因此，必須在同樣的條件下使該系統“學習”在不同程度故障下放電強度的檢測結果。依據該結果，紫外信號頻率即可以人為的劃分相應的等級關系，方便監控人員的檢修和管理。

局部放電紫外檢測系統成本低，便于高壓設備無線組網監控，在電氣局部放電紫外檢測設備中具有一定的推廣意義。

［1］王平，許琴，王林泓，等．電力設備局部放電信號的在線檢測系統研究［J］．電力系統保護與控制，2010，38 (24):190-194．

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［3］楊獻智，章堅．10 kV 配網開關柜局部放電帶電檢測應用［J］．電力科學與工程，2011，27 (6):71-75．

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［5］劉俊剛，楊永明．基于紫外檢測法的非接觸式特高壓驗電器的研究［D］．重慶:重慶大學，2007．

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［7］陳樹學，劉萱．LabVIEW 寶典［M］．北京:電子工業出版社，2011．

［8］談玲．基于ARM 的虛擬示波器的設計與研究［D］．南京:南京信息工程大學，2006．