一種非接觸式變壓器套管空間電場監測裝置的研制

孫小磊，陳 昊*，王 抗，吳曉辰，張東東，王 晨

（1.國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京211102；2.南京工程學院，江蘇 南京211167）

0 引言

隨著日益增長的電能需求，全社會對電網安全可靠運行的要求也在日益提高［1-2］。電力變壓器作為電能傳輸的關鍵環節，其運行狀態是否良好與電網安全穩定運行關系重大。變壓器套管將變壓器內部高、低壓引線引到油箱外部，對變壓器套管運行狀態進行監測具有重要意義［3-4］。

對于變壓器套管在線監測技術的研究與應用，目前主要集中在對其介質損耗因數和電容量的監測。文獻［5-6］主要研究了變壓器套管介質損耗因數的測量技術；文獻［7］開展了介質損耗、電容量、局部放電等電氣特性診斷試驗；文獻［8-10］基于頻域介電譜法，對變壓器套管的受潮情況進行了分析。

上述的檢測方法在一定程度上可以識別變壓器套管的故障隱患，但是上述方法多采用接觸式測量，需結合電力企業停電計劃進行測量［11］；此外，上述方法操作步驟相對繁瑣，且試驗儀器價格高昂，難以滿足對現場設備進行長期連續監測的要求。在此背景下，積極發展對設備外絕緣的非接觸式測量方法［12-16］，對于滿足當前泛在電力物聯網、堅強智能電網的建設需求有著積極意義。

大量研究表明，耐壓設備周圍空間電場強度的變化可以反映其絕緣情況［17-19］，在耐壓設備外絕緣破壞的情況下，其空間電場強度會出現分布異常。變電站電場強度的變化原因是多方面的［20-24］，例如電力負荷波動、周圍帶電體相對位置變化、周圍屏蔽物相對位置變化等等。僅從一個被測點的電場強度數值大小估測設備絕緣狀況，顯然是不可靠的，因此，需要長期多點連續測量，并能對測得的多點測量數據的時間序列進行綜合分析［25］。上述方法將有力地提升變電站設備故障分析水平?；诖?，本文研制了一種便攜式變壓器套管空間電場監測裝置。本裝置基于靜電感應原理，由d-dot 微型探頭、放大器模塊、STM32F1 內核、鋰電池供電模塊、充電模塊、433 數據透傳模塊和GPRS無線收發模塊等組成，從而實現了對變壓器套管空間工頻電場的長期連續測量及告警。

1 電場測量探頭原理及設計

工頻電場測量傳感器基于靜電感應原理［26］，處于靜電場或交變電場中的一切導體，其表面產生的感應電荷會與外部電場場強相平衡，處于靜電平衡的狀態。隨著外部場強的增大，導體表面的感應電荷就越多。把這些感應電荷施加在電容兩端，則會形成感應電壓，在傳感器的電極間接入測量電容器后，可以通過電容器測得的感應電壓的大小，實現傳感器外部場強的間接測量。依據上述原理，將微型電場探頭等效為二維球形傳感器，其結構如圖1所示。

圖1 微型電場探頭及其等價二維球型傳感器結構Fig.1 Micro electric field probe and its equivalent two-dimensional spherical sensor structure

由圖1 可以看出，傳感器由兩片半球狀的金屬電極、一片內部電容和連接導線構成，其中金屬電極厚度為1.5 mm，引出的導線用于接入測量裝置的放大電路。在放入傳感器前，空間電場的場強為E，將傳感器放入該空間電場后，其表面會出現感應電荷，電容C的兩端進而產生電勢差U，電勢差U便是所需要的測量信號。電容C連接傳感器中的兩片金屬電極，設該傳感器左右金屬電極的面積均為S，電極上某點的面密度為σ，對整個半球面進行積分，可知積分結果為電荷總量Q。

式（5）中，E為待測點的場強，C為傳感器內部的電容，U為傳感器的感應電壓。可以通過測量電容兩端的電壓，利用比例關系計算電場強度。由于該裝置傳感器尺寸較小，其測量值大小基本不受傳感器方向影響。

2 監測裝置硬件設計

本文采用STM32 芯片作為工頻電場測量儀的核心，對變壓器套管周圍電場強度進行實時監測，并在場強變化超出設定限值時發出預警信號，實現監測識別變壓器套管的運行狀態。該工頻電場檢測裝置由ddot微型探頭、放大器模塊、STM32F1內核、鋰電池供電模塊、充電模塊、433 數據透傳模塊和GPRS 無線收發模塊等組成，如圖2所示。

圖2中，設備工作過程為：首先，d-dot微型傳感器將采集到的電場強度信息經過放大、濾波后，進入到主控芯片STM32F1 的ADC 模塊中完成模-數轉換，主控芯片對所獲取到的數據進行信息融合處理、修正，得出相對可靠精確的電場強度值，處理完畢后主控芯片將這些數據打包傳輸給GPRS 模塊、433 透傳模塊。433透傳模塊將數據發送給接收端數據處理裝置，GPRS模塊將數據發送至云端供物聯網監控。接收器接收到信號后，按照事先編寫好的規約來判斷本次傳輸數值的可靠性，然后反饋給主控芯片，主控芯片會對數值時間序列進行分析，從而判斷該電場強度是否處于預設的場強門限曲線，若越過場強門限曲線，則會發出報警信號，從而實現運行狀態監測。系統的各子模塊參數及功能介紹如下。

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure

2.1 模塊計算內核

采用STM32單片機（如圖3）實現模擬和數字信號的邏輯運算處理。STM32單片機最小系統包括晶振電路、電源模塊、JTAG接口模塊、串口ISP下載模塊、系統復位模塊。

圖3 STM32單片機工作電路圖Fig.3 Working circuit diagram of STM32 single chip microcomputer

STM32F103 增強型系列使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 內核，ARM 的Cortex-M3 處理器是最新一代嵌入式ARM 處理器，它為實現MCU 的需要提供了低成本平臺、縮減的管腳數目、較低的系統功耗，同時提供優秀的計算性能和先進的中斷系統響應。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，可以提供額外的代碼效率，在通常8和16位系統的存儲空間上得到了ARM核心的高性能。

檢測電路的輸出電壓必須通過A/D轉換為數字量，才能夠用計算機系統進行處理，處理器進行數據處理后輸出的是數字信號，然而控制系統中，一般要求是連續的控制信號來進行系統控制，這樣運算輸出的數字量又必須經過D/A轉換器，將數字信號還原為模擬信息。通過連續的模擬信號控制系統的熱量供給，從而達到工作點溫度保持或增減的要求。信號的A/D轉換、運算、D/A轉換3個步驟，皆可經過STM32來完成。

傳感器測量系統主控電路由STM32F103C8T6 及其外圍電路組成，是系統的核心部分，主要完成數據的傳輸和處理工作。傳感器采集的模擬信號，經過處理器本身內嵌的ADC 進行A/D 轉換后得到實時數據，再經處理器相關處理后通過溫度顯示電路進行實時顯示，同時，處理器還可以通過利用通訊芯片，實現與PC機、手機的遠程通信功能。

STM32 單片機配置的12 位ADC 是一種逐次逼近型模擬數字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2 個內部信號源。各通道的A/D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數據寄存器中。模擬看門狗特性允許應用程序檢測輸入電壓是否超出用戶定義的高/低閥值。

2.2 無線通信與透傳模塊

采用USR-GM3 透傳GPRS 模塊，提供串口轉GPRS 信息傳輸功能，將裝置監測信息通過2G 網絡上傳至服務器，供遠程監控、調用。USR-GM3 功能特點為：四頻GSM850/900，DCS1800/1900 全球通用；支持GSM/GPRS 網絡；支持2G/3G/4G 手機卡的2G 流量；支持4 路網絡連接同時在線，支持TCP Client 和UDP Client；每路連接支持4 kB 數據緩存，連接異常時可選擇緩存數據不丟失；支持遠程短信設置模塊參數；支持短信透傳模式、網絡透傳模式、HTTPD 模式，UDC 模式；支持基本指令集和擴展指令集；支持簡單指令發送中文/英文短信；支持類RFC2217 功能，可從網絡動態修改模塊的串口參數；支持串口的硬件流控，RTS/CTS；支持UDC協議；支持FTP協議遠程升級。

圖4 GPRS模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of GPRS module

主機和從機之間采用E43-433透傳模塊實現數據傳輸，E43-433T13S 模塊具有4 種工作模式，以及兩種傳輸方式。其采用面向遠距離、低功耗設備的LoRa擴頻無線技術，是一種遠距離、低功耗、低數據速率、低復雜度、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制、數據采集和物聯網［27］等領域，同時旨在構建生態物聯網的一種技術。

2.3 電源DC-DC模塊

電源模塊的設計采用了FR9885S6CTR 和兩塊SGM2019 芯片，外接12 V 直流電，其上接有LED 可顯示電源的工作狀態，這一套電源模塊可以滿足整個系統對實時測量方面的供電需求。

圖5 供電模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of power supply module

2.4 充電模塊

加入太陽能充電模塊目的是作為鋰電池電源的一個補充，若在戶外時出現鋰電池沒電的情況，太陽能電池板能起到一個給鋰電池供電的作用。其原理圖如圖6所示。

圖6 太陽能充電模塊設計圖Fig.6 Schematic diagram of solar charging module

2.5 放大濾波電路

d-dot 微型傳感器［28］探頭靈敏度高，尺寸小，感應電荷相對較少，其感應到的交變電壓也非常小，轉換后的信號相對較弱，需要進行放大處理。測量裝置需處于強工頻電場環境中，傳感器易受共模信號的干擾［29］，設計放大電路時應在考慮放大測量電容兩端電壓信號的同時，有效地抑制共模信號的干擾，確保傳感器的測量精度。

鑒于上述要求，設計了一種差分放大電路，當幅值、相位相同的共模干擾信號輸入時，其差值為零，系統會判定輸入信號無效，則無須考慮共模信號帶來的干擾。后將輸入端的兩個信號之差作為差分輸入電路的有效信號，再通過設計合理的放大系數便能得到電壓輸入信號。輸入信號經過差分電路后，放大倍數約為10 倍。該放大濾波模塊采用AD620儀表放大器芯片，整體工作特性為：單電源4～30 V工作，輸出-10.5 V～+10.5 V；功耗0.25 W；輸出電壓范圍-10.5 V～+10.5 V，線性范圍-10 V～+10 V；精度、線性度優于千分之一；4+1階低通濾波，可完全濾除高于1 000 Hz的噪聲干擾；最大輸入失調電壓50 μV；低輸入失調漂移0.6 μV/℃；輸入偏置電流1.0 nA；共模抑制比100 dB；輸入電壓噪聲9 nV/Hz。

3 裝置性能

3.1 裝置性能指標

3.1.1 電池

從機（發射模）塊采用7.4 V，9 AH 鋰電池供電，從機工作電流為150 mA，電池可滿足從機不間斷工作600 h，當從機電池電壓低于7 V，通過無線方式反饋電壓過低信號給主機，主機收到從機饋電信號后，主機中的從機電壓過低指示燈點亮，可采用市電給從機充電。

主機（接收模）塊采用7.4 V，9 AH 鋰電池供電，從機工作電流為100 mA，電池可滿足主機不間斷工作90 h，當主機電池電壓低于7 V，主機中的主機電壓過低指示燈點亮。

3.1.2 無線預警信號傳輸距離

由于433 MHz 頻段具備優秀的繞射能力，在無障礙的情況下通訊距離可達300 m 以上，而在一般的敞開式變電站中，其通訊距離可達150 m以上。

3.1.3 設備與聯網

主機可通過物聯網模塊實時發送電場強度至數據監控中心，數據中心通過智能分析算法，判斷監測設備是否處于預警狀態，一旦處于預警狀態，可通過電話和短信等方式第一時間通知作業設備操作人，及時對變壓器套管進行相應檢查。設備主機與從機結構如圖7所示。

圖7 從機（傳感器端）（左）主機（中繼）（右）Fig.7 Slave machines(sensor)(left)and principal machine(repeater)(right)

3.2 裝置性能比較

本裝置與現有裝置對比情況如表1。

從表1 可以看出，與現有空間電場強度測量裝置相比，本裝置在待電/續航方面明顯更具優勢，從而滿足對變壓器套管場強進行長期監測的要求。此外，本裝置具有無線透傳和物聯網功能，方便將數據傳送至數據中心，從而對變壓器套管狀態進行實時分析。

表1 裝置與現有裝置對比情況表Table 1 Comparison between the device and the existing prototype

4 現場試驗

為檢驗裝置在工作現場的實際應用情況，在南京地區某500 kV 變電站利用該裝置進行現場帶電監測試驗。本次試驗中共設置了3 個測試點，以其中一處測試點為例，將從機分別放置在避雷器底端和220 kV電容式電壓互感器外殼附近，同時通過變電站監控后臺觀察相應間隔負荷波動［30］信息，試驗環境如圖8所示。

圖8 現場試驗情況Fig.8 Field test

試驗發現主機可以實時監測獲得從機發送的工頻電磁環境數據，有效距離超過150 m；當從機感知電場強度幅值越界，或變化量超過閾值時，主機會發送報警信號，手機、PC 終端會有明顯的提示，如圖9、圖10所示。

圖9 PC終端物聯網界面Fig.9 IOT interface of PC terminal

圖10 手機終端物聯網界面Fig.10 IOT interface of mobile terminal

5 結語

本文論述了基于靜電感應原理的便攜式非接觸式變壓器套管空間電場監測裝置的設計和研制，并設計實現了無線通訊物聯網系統以及識別預警系統，可以應用于日常運檢工作以及智能裝備無人運檢工作中。通過在500 kV變電站的現場實際應用，驗證了該裝置在變壓器套管空間電場測量方面的準確性和便攜性，符合當前智能電網和泛在電力物聯網的建設方向。

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