開關柜局部放電檢測儀器的設計

陳斯琦，陳忠輝，黎金城

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350116)

開關柜局部放電檢測儀器的設計

陳斯琦，陳忠輝，黎金城

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350116)

根據國家電網公司頒布的以地電波檢測作為開關柜帶電檢測手段的相關規定，提出了一種基于ARM9平臺的便攜式開關柜局部放電檢測儀。該儀器采用峰值檢測電路對局部放電信號進行特征參數提取，避免了傳統上采用 A/D 采樣后產生的龐大數據量，方便手持系統更好地對這些數據進行實時處理。

開關柜；局部放電；峰值檢測；暫態對地電壓

0 引言

圖1 系統總體結構框圖

目前，10 kV、35 kV開關柜已經廣泛應用于配電網，主要作用是對線路、設備進行控制和保護。在配電網中，開關柜長期運行于高溫、高壓、潮濕等惡劣的環境下，其絕緣性很容易遭到損壞，進而引發局部放電。如果任其發展最終會導致絕緣喪失介電性能，造成嚴重事故，破壞電力系統的穩定性。根據北京電力公司對2013年～2014年的配網開關柜故障次數的統計分析，由局部放電產生的故障次數在開關柜缺陷總次數中占第二位[1]。因此對開關柜的絕緣性能進行帶電檢測，從而采取相應的預防措施是十分必要的。

開關柜發生局部放電時，電場能量會由于電勢高低的緣故而向接地點相鄰的接地金屬部位聚集，這樣就會在設備表面上形成對地電流[2]。由于放電的間斷性，這種電流是不斷變化的，根據法拉第電磁理論，變化的電流會產生磁場，電磁場在空間的傳播就形成了電磁波。開關柜金屬設備存在縫隙，局部放電產生的電磁波就會通過不連續處傳到外表面，通過貼在金屬箱體的電容器就能檢測到暫態對地電壓(TEV)[3]。局部放電的暫態對地電壓檢測法由于具有檢測靈敏度高、對局部放電脈沖的變化速度比較敏感的特點，成為電力行業最主要的局部放電檢測技術。

本文采用ARM9作為主控結構，通過地電波預處理模塊與人機交互模塊組成便攜式局部放電在線檢測系統。

1 系統總體設計方案

系統總體結構如圖1所示。整個系統由信號預處理模塊和人機交互模塊構成。信號預處理模塊包含傳感器、放大器、濾波器和峰值檢波器。傳感器耦合開關柜表面的地電波，經濾波器濾除噪聲，放大器提高信噪比后輸入到峰值檢波器檢測地電波的峰值。人機交互模塊中ARM2440開發平臺根據寫入的應用程序將預處理模塊采集的數據存儲和處理并以時域圖的形式在LCD上顯示。用戶可以通過觸控模塊對局部放電檢測儀器的參數進行設置。

圖4 放大電路原理圖

2 預處理模塊硬件電路

2.1 TEV傳感器

開關柜內部局部放電產生的地電波總有部分能傳到金屬箱體外面。在金屬箱體外壁，通過放置電容性的傳感器就可檢測到暫態對地電壓信號[4]。容性傳感器是在開關柜表面敷設薄銅片，作為金屬電極，在該金屬電極與開關柜柜體之間加入電容介質，形成一個電容C1，地電波信號可通過電容C1耦合到所設置的檢測電容C2上。傳感器原理電路如圖2所示。

圖2 傳感器原理電路

2.2 濾波檢測電路

開關柜所處環境充斥著各種噪聲或干擾，為了能夠有效耦合高頻信號，避免站內其他信號的干擾，需要用濾波器對信號進行預處理[5]。濾波器的通帶頻率范圍是10 MHz～60 MHz。

本文設計一個基于R、C元件的無源濾波器，其電路原理圖如圖3所示，C1為開關柜的金屬外壁與傳感器構成的等效電容，C2為濾波電容，C3為耦合電容，通過合理選擇C2的值可獲得相應的上限截止頻率，合理設置R3、C3的值可獲得適當的下限截止頻率。

圖3 濾波電路原理圖

2.3 前置放大電路設計

地電波信號是高速脈沖信號，其瞬時電壓值在幾毫伏至幾伏的范圍內變化，因此，地電波信號的放大電路應該具有高帶寬、較大的動態范圍和放大倍數可調的特點。本文選用UA733芯片作為放大電路的核心芯片。該芯片是一個具有差分輸入、差分輸出的二級視頻運算放大器，其內部的串聯反饋電路使得其具有寬帶寬、低失真度及放大倍數穩定等性能，射隨的電路設計使其具有良好的輸出性能，只需經過簡單的連接電路就會有10 V/V～400 V/V穩定的增益，且不必進行頻率補償。放大器的電路原理如圖4所示，放大器采用單端輸入雙端輸出的接法，濾波電路輸出的信號從放大芯片的負端輸入，通過在放大芯片的引腳GAIN ADJ1A和GAIN ADJ 1B之間串接電阻，設置放大器的增益，放大增益為26 dB。為了滿足運算放大器穩定靜態工作點的需要，運放的正端通過串接51 Ω電阻后再接地，正端串接電阻。

2.4 峰值檢測電路設計

本文設計一個可實現對地電波峰值電平提取的電路，該電路由地電波參考峰值電平產生電路和峰值比較電路組成。

根據EA Technology 公司制定的準則，地電波所感應出的暫態對地電壓分為61個等級。測量的取值范圍為0～60 dB，由式(1)可得到局部放電量的峰值的取值范圍為1 mV～1 V。

(1)

地電波的參考峰值電平產生電路是通過將開發板輸出的 PWM信號，經過單位增益二階壓控電壓源低通濾波器來實現D/A轉換，從而產生相應的峰值電平。ARM2440開發板有5個16位的定時器，其中0、1、2、3定時器都有一個外部輸出引腳(GPB0～GPB3)，通過定時器可以控制引腳周期性地輸出高低電平，能實現PWM功能。在設計有源濾波器時，考慮到便攜式設備低功耗的要求，采用雙路微功耗軌至軌輸入和輸出的運算放大器。峰值電平產生電路原理圖如圖5所示。

圖5 峰值電平產生電路原理圖

峰值比較電路主要由高速雙路差分比較器與4路2輸入正與非門集成芯片以及相應的R、C元器件組成。高速差分比較器具有傳輸時延低于12 ns、選通輸入接口和輸出接口均兼容TTL電路的特點。差分比較器的主要功能是將前置放大器的差分輸出與峰值參考電平進行比較。與非門集成芯片主要是用于設計與非門RS觸發器、鎖存差分比較器的輸出值，并將RS觸發器的輸出作為ARM2440的外部中斷源EINT0。峰值比較電路的原理圖如圖6所示，圖中差分比較器引入正反饋是為了提高信號轉換速率，當輸出信號增大時，通過正反饋網絡，輸入信號與比較信號的差將快速增大。TP9為參考電平輸入口，電平從60 dB至0 dB不斷遞減變化，當檢測到地電波的峰值時，峰值比較器的輸出就通過鎖存器使外部中斷EINT0有效(低電平有效)，嵌入式處理器在收到中斷后，讀取此時的參考電平值，并在時域軸上進行繪制等操作。TP11輸入口主要用于異步置“1”功能，當TP11為低電平時，RS觸發器輸出為高電平，使外部中斷EINT0無效化，以便檢測后續的峰值電平。

圖6 峰值比較電路原理圖

3 軟件部分

3.1 基于PWM實現峰值電平

本設計采用ARM2440開發板的定時器0實現脈沖寬度調制，定時器0使用經過2分頻的系統時鐘PCLK作為時鐘輸入，每計數一次耗時0.02 μs。定時器使用3個16位的寄存器TCNTB、TCMPB和TCON來完成PWM功能。TCNTB是定時器緩存寄存器，其功能是存儲定時器初始計數值，當遞減計數器減為0時，定時器中斷請求生成通知CPU定時器操作完成，此時相應地將TCNTB的值裝載到遞減計數器中繼續下一個操作。TCMPB是定時器比較緩存寄存器，用于脈寬調制，當遞減計數器的值與比較寄存器中的值匹配時，定時器控制邏輯改變輸出電平。TCON是定時器控制寄存器，為實現連續的PWM輸出，需要讓定時器工作在自動重載模式，即當定時器計數器減為0時，定時器中斷處理函數自動更新TCNTB和TCMPB。

TCNTB和TCMPB寄存器賦初值，要實現峰值電平，TCNTB和TCMPB寄存器的值需滿足式(2):

(2)

定時器0初始化時經過以下步驟：

(1)TCON寄存器中人工裝載位配置為1，TCNTB和TCMPB更新到內部計數器；

(2)TCON寄存器中自動重載位配置為1，從而實現連續的脈寬調制功能；

(3)TCON寄存器中輸出反轉位配置為1，脈沖以高電平開始；

(4)TCON寄存器置為啟動位；

(5)TCON寄存器設置關閉人工裝載，定時器開始啟動。

經過以上配置后，將定時器0輸出引腳PB0配置為PWM輸出模式，就可以進行PWM輸出。基于PWM的峰值電平程序流程圖如圖7所示。

圖7 基于PWM的峰值電平程序流程圖

3.2 嵌入式系統和圖形用戶界面的設計

嵌入式系統是一種專用的計算機系統，它以計算機技術為基礎，以應用為中心。嵌入式相比通用計算機有很多優點，首先它結構精簡、功能更加個性，其次嵌入式系統可以運行操作系統，同時具有功耗低、體積小的特點[6]。本項目采用以S3C2440為平臺的開發板，開發板采用超小型設計，占用的空間非常小，并且采用雙排1.27間距插針式的方式，這不僅引出了更多的CPU信號腳，而且能夠確保在劇烈震動的工作環境下穩定運行，非常適用于網絡終端、車載、檢測等領域。

嵌入式系統應用軟件的開發環境是由目標硬件開發板和宿主機(PC)所構成的。操作系統和應用軟件是運行在開發板上的，而宿主機需要完成核心板所運行的操作系統內核的編譯移植、應用程序的開發、調試等。在Ubuntu14.04平臺下完成開發板的操作系統內核的編譯移植。在QT/embedded平臺上對應用程序進行編寫和測試，最后根據ARM2440硬件平臺，交叉編譯嵌入式應用。應用軟件功能框圖如圖8所示。

圖8 應用軟件功能框圖

4 現場應用

在現場利用本套裝置對開關柜進行局部放電檢測，其結果如圖9所示。系統使用綠燈、黃燈和紅燈分別表示地

圖9 局部放電測試圖

電波峰值電平的3個電平范圍(綠燈：0～19 dB，黃燈：20～27 dB，紅燈：28～60 dB)。圖9中矩形框里顯示的是當前檢測到的地電波的瞬時峰值。圖9右下角顯示與地電波信號相關的特征參數，“脈沖個數”表示測試周期內(2 s)的脈沖個數；“脈沖/周期”是工頻下的周期脈沖數；“嚴重程度”表示短期局部放電嚴重程度，具體計算公式如式(3)。

短期嚴重程度=TEV幅值×每周期脈沖數

(3)

5 結論

本文對地電波檢測系統進行了設計，提出了TEV傳感器的結構，設計出采用峰值檢波的地電波檢測電路，并成功構建了一個地電波檢測系統。經過對配電網中的開關柜進行現場反復測試，結果表明，本文設計的儀器具有良好的準確性與便攜性，可以快速有效地檢測出開關柜局部放電的嚴重程度。

[1] 黃詩敏.10 kV開關柜局部放電帶電檢測技術應用與仿真分析研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[2] 雷志勇.局部放電檢測技術在配電設備缺陷查找中的應用[J]. 中國新技術新產品,2011 (22):154.

[3] 駱潔藝.基于暫態地電壓和超聲波測試的10 kV開關柜絕緣狀態評估技術的研究[D]. 廣州:華南理工大學，2010.

[4] 葉培霖.基于地電波原理的開關柜局部放電檢測與定位系統研究[D].廣州:華南理工大學，2014.

[5] 金瑩，賈志杰,陳軻娜，等.一種便攜式開關柜局部放電檢測儀器的設計[J].微型機與應用,2015，34(12):20-22，26.

[6] 杜冠.基于ARM的嵌入式Linux系統移植的研究與實現[D].武漢:華中科技大學,2006.

陳忠輝 (1961-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：通信系統與信號處理。

黎金城(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電子信息工程。

A design of partial discharge detection equipment for switchgear

Chen Siqi，Chen Zhonghui，Li Jincheng

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

According to the rules of employing Transient Earth Voltage(TEV) detection as a means of switchgear live detection released by State Grid, the paper provides a portable PD detection device that is based on ARM9-platforms. The device adopts peak value detection circuit to extract characteristic parameters of PD signal, the peak value detection circuit avoids high density data generated by traditionally using A/D sampling, so that hardware of the handheld system can better process the data in real-time.

switchgear; partial discharge; peak value detection; Transient Earth Volage (TEV)

TP274

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.013

陳斯琦，陳忠輝，黎金城.開關柜局部放電檢測儀器的設計[J].微型機與應用，2017,36(9)：41-44，48.

2016-12-24)

陳斯琦(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號處理與傳輸。