基于正交鎖相的絕緣子泄漏電流在線監測裝置

陳新崗,張金京,袁 揚,馬志鵬,譚世耀,賈 勇

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院, 重慶 400054;2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心, 重慶 400054;3.國網江西省電力有限公司 新干縣供電分公司, 江西 吉安 331300)

0 引言

絕緣子通常工作在戶外,會受到霧、雨、雪等環境因素影響,導致絕緣性能大大降低。在受潮的絕緣子表面,隨著污穢的堆積,放電現象極易沿污穢表面發生,即發生閃絡[1-3],這是電網大面積停電的重要原因,會嚴重影響線路運行安全性[4-5]。閃絡的常規防護措施是定期清掃和調整絕緣子的爬電距離。然而,上述方法會消耗大量的人力與物力,且具有很高的盲目性。而通過對線路絕緣子絕緣性能的實時監控可以有效降低人力和物力的無謂消耗,提高運維人員的巡線效率[6-9]。

目前,研究人員在線路絕緣子狀態評估領域中已經開展了一系列工作。余海等[10]采用紅外測溫法分析絕緣子各點溫度與老化程度之間的關系,并研究憎水分級法和參數估計理論來判定老化等級的劃分區間。該方法可以對復合絕緣子的老化程度進行初步量化評估,但紅外測溫儀受外部環境溫度影響較大,且成本較高,僅適用于對工作環境穩定的室內絕緣子進行監測。蘇圓圓等[11]提出使用基于聲波表面射頻對絕緣子的溫濕度進行識別的方法。該方法將溫濕度與絕緣子泄漏電流的關系作為預估絕緣性能的參考依據,解決了在惡劣條件下進行絕緣子在線溫濕度監測時可靠性不足的問題。然而,該方法檢測微弱泄漏電流的下限較高,僅適用于低精度下的絕緣性能監測。

絕緣子運行全過程會均不可避免地伴隨泄漏電流的形成,故通過對泄漏電流的檢測可以掌握絕緣子表面的綜合狀況[12-15]。泄漏電流監測中的關鍵問題是檢測信號準確性的提高,以及降低電流檢測下限。這是因為在絕緣子正常工作時,其表面泄漏電流信號不僅微弱(毫安級),而且存在各種噪聲和干擾[16]。因此,本文中提出利用鎖相放大技術來解決這一實際問題,在微弱信號檢測應用中具有穩定性好、精度高等優勢,在強噪聲環境下可以實現微弱信號的準確檢測[17-19]。在分析鎖相放大技術基礎上,設計了絕緣子泄漏電流在線監測裝置,可以精確監測泄漏電流的有效值。依據其區段特性設定裝置的報警閾值,在泄漏電流超過閾值時將會進行就地聲光報警和遠程通信報警。另外,在接收報警信息的運維中心可以隨時通過物聯網平臺調取泄漏電流的歷史數據,以便分析絕緣子當前狀態,有效評估其工作適應性。該裝置可以提高架空線路巡線的效率與電網運行的穩定性。

1 原理及分析

因為絕緣子的工作環境內存在強磁場與強電場,所以裝置的監測對象(毫安級泄漏電流)會含有噪聲信號,且其幅值遠超出待測信號[20-21]。因此,為了確保監測信號的準確性,需要將電流傳感器的采集信號進行放大與去噪,一種適宜的方法是正交鎖相放大技術。

正交鎖相放大技術將待測信號與參考信號進行乘法運算來遷移待測信號的頻譜,再利用低通濾波方法去除噪聲。該方法可以消除高低頻噪聲的影響,極大幅度提高待測信號的信噪比,且檢測靈敏度高,是微弱信號檢測的高效方法[22-24]。基本原理如圖1所示。相敏檢測電路相當于乘法器,用于將待測信號與兩路正交的參考信號進行結果計算,再由低通濾波器濾除高頻分量后,輸出與待測電流信號有效值相關的直流信號。

假設n(t)為噪聲,x(t)為待測信號,r(t)為參考方波信號,Es與Er為待測信號與參考信號的幅值,ω0為信號角頻率,θ為信號初始相位,t為時間。則待測輸入信號為

x(t)=Εscos(ω0t+θ)+n(t)

(1)

參考信號r(t)經過傅里葉變化可得:

(2)

因此,參考信號與待測信號的乘積u(p)可表示為

(3)

考慮低通濾波器對信號u(p)的處理效果。式(3)中第1項為差頻分量,第2項為和頻分量,第3項為噪聲。經過低通濾波后,僅剩余n=1的差頻分量,則低通濾波后輸出的u1(t)為:

(4)

若待測信號與相位相差90°的第2組參考信號依據式(3)所示進行乘積運算,則可得第2組輸出u2(t)為:

(5)

依據三角函數定理可知sin2θ+cos2θ=1。故將u1(t)與u2(t)平方相加可得:

(6)

因此,由式(6)可獲取與交流待測信號x(t)成正比的直流成分u0(t)。那么,待測信號幅值Es可表示為:

(7)

基于上述推導,利用Simulink軟件搭建如圖2所示仿真模型,在輸入待測信號不包含噪聲和含有噪聲的2種情況下進行仿真,信噪比設置為20 dB。

圖2 鎖相放大仿真模型結構框圖

仿真結果如圖3所示,含有噪聲的輸出信號波形與未含有噪聲的輸出信號波形具有一致的變化特征,即增長后最終趨于穩定狀態。另外,如果將兩類輸出波形數據點進行逐點對比,則其輸出數據的最大偏差僅為3.4%。因此,上述仿真結果充分說明,利用鎖相放大技術可以在檢測微弱信號時很好地濾除噪聲信號(信噪比為20 dB),且輸出未出現波形失真現象。因此,利用該技術可以為絕緣子泄漏電流監測裝置的傳感數據準確性提供保證。

圖3 鎖相放大仿真結果

2 裝置整體設計

絕緣子泄漏電流在線監測裝置主要包括電流互感器、鎖相放大器、GPRS模塊、聲光報警器等。其總體結構框圖如圖4所示。電流互感器采集流過導體的毫安級泄漏電流,并向鎖相放大器提供原始信號進行放大與濾波處理后,可輸出其有效值數據。該數據由型號為STM32F103VET6的主控芯片處理成可供GPRS模塊傳輸的信息。芯片最高工作頻率可達72 MHz,且具有豐富的I/O接口,可以很好地滿足裝置需求。GPRS模塊將數據發送至云平臺并與設定的閾值比較后,判斷是否發出報警信號。

表1 泄漏電流分段

2.1 電流互感器

用于測量泄漏電流的傳感器需要滿足精度高、抗電磁干擾能力強、穩定性好等特點[25-26]。景小兵等[27]將絕緣子污閃過程中的泄漏電流幅值劃分為3個區間。基于此,據文獻[28-30]的實驗數據,將絕緣子運行過程分為3階段,如表1所示。

圖4 裝置總體結構框圖

由表1可作出初步判斷:裝置的檢測對象為毫安級的電流,最小檢測下限范圍應在0～30 mA。因此,針對這一需求,存在2種電流傳感方式:羅氏線圈和電流互感器。羅氏線圈不存在飽和現象,適合測量電流不可知的情況。但它對被測電流的位置敏感,靈敏度不足,不適宜測量小電流。電流互感器測量時原邊電路的位置對測量精度的影響小,帶寬范圍大,誤差最低可達0.1%,且結構簡單,線性度良好,適用于對絕緣子泄漏電流這類小電流的測量。因此,本裝置選用型號為CTK150-C的電流互感器,其磁芯材料為微晶磁芯,磁導率可達104H/m,相較于一般的非晶磁芯材料具有更高的飽和強度,抗干擾能力強,測量時精度更高。為方便安裝,傳感器結構選用開合式穿芯形狀,可將絕緣子串套在互感器中。

2.2 鎖相放大器

2.2.1 前級信號處理模塊

因為傳感器輸出信號波動范圍極大,故前級信號處理須對采樣信號進行線性放大,利用程控增益對放大倍數進行控制并提高采樣的精度,其電路圖見圖5。選用INA128對輸入信號進行初步放大,電流信號經過采樣電阻R轉化為電壓信號;考慮到電源波動會引入更多的噪聲,在電源兩端并聯濾波電容。選擇MAX4238與數字電位器結合,實現對增益自適應的控制。數字電位器采用數字控制調節電位器阻值,通過對單片機內部寄存器的讀寫,即可實現發送控制指令的操作。

圖5 自適應增益放大電路

2.2.2 相敏檢測電路

相敏檢測為鎖相放大的核心部分,主要是將處理過的輸入信號和參考信號先后進行乘法與積分運算,輸出含有待測電路信號幅值信息的直流信號。該電路中應用了AD630平衡調制器,具有2 MHz的帶寬,在100 dB的噪聲中仍可提取信號,通道失調電壓較低,可保證電路的對稱程度與檢測精度。

根據圖1所示的信號處理方法,需要將兩路正交信號與待測信號進行運算,因此采用2個AD630芯片,相敏檢測電路如圖6所示。 2個芯片分別對待測信號與2個相位相差90°的方波信號執行乘法運算。信號通道從1腳RINA進入,2個參考信號從10腳SEL A進入;信號從13腳VOUT輸出,后連接低通濾波電路。

圖6 相敏檢測電路

2.3 報警程序設計

裝置報警功能基于STM32進行開發,選用MDK作為開發調試軟件,設計程序流程如圖7所示。首先對裝置進行初始化設置,判斷裝置是否與服務器連接,確保裝置可以正常工作。ADC以DMA的方式直接采集信號,采樣時間間隔為1 s。信號經過數據處理后判斷其值是否超出設定閾值,并設置超出時間范圍。若在該范圍內都超過閾值,則啟動聲光報警,并將數據打包發送至TLink云平臺。

圖7 報警程序流程

2.4 上位機遠程監控設計

采用TLink物聯網平臺實現上位機遠程監控功能,其監測界面如圖8所示。通過平臺,上位機可實現以下功能:① 監測數據的實時查看;② 歷史數據查詢;③ 當數據超過設定值時發送報警信息。

圖8 上位機監測界面

3 裝置測試

為了驗證裝置的準確性,在實驗室環境下,通過模擬實驗對監測裝置進行測試。將工頻正弦電壓信號連入一個分壓電阻與精密小電阻的串聯回路中,精密小電阻流過電流即可作為待測電流,將開口式互感器穿過導線,便可獲得感應輸出。通過改變工頻輸出電壓信號的大小以及分壓電阻的阻值即可得到實驗所需的不同待測電流。圖9是實驗測試的平臺實物圖,實驗測試數據如表2所示。

圖9 實驗測試平臺實物圖

表2 實驗測試數據

根據表1所示的泄漏電流分段,測試中考慮對0～30 mA的數據進行檢測。由表2可知,裝置在0～30 mA的測量范圍內誤差在±5%以內。對所測量數據進行線性擬合,其結果如圖10所示。擬合結果顯示線性相關系數為0.999 99,表明裝置的測量結果具有很高的線性度。另外,均方根誤差(RMSE)和擬合得到的曲線斜率與截距也表明裝置測量值的離散度較小,測量結果具有較好準確性。

圖10 實測數據線性擬合曲線

4 結論

1) 利用正交鎖相放大技術對待測電流進行放大處理。通過仿真證實了該方法可以很好地濾除噪聲信號,且輸出波形不失真。

2) 基于前述原理設計了硬件電路,實現了對泄漏電流信號的采集。通過GPRS技術將監測數據上傳至TLink云平臺。設計TLink云平臺中的數據處理方法,實現了用戶通過移動終端設備實時監測絕緣子的運行狀況,以及歷史數據查詢與信息報警的功能。

3) 應用該監測裝置可使運維人員實時監測數據和報警信息,掌握絕緣子的運行狀態,降低配電網閃絡故障防護工作的盲目性,有效提高配電網巡線的智能化水平。