一種便攜式開關(guān)柜局部放電檢測儀器的設(shè)計

金　瑩，賈志杰，陳軻娜，羅　洋，萬星辰（.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北　武漢　430074；.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川　成都　6007）

一種便攜式開關(guān)柜局部放電檢測儀器的設(shè)計

金瑩1，賈志杰2，陳軻娜2，羅洋2，萬星辰1
（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢430074；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川成都610072）

為實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的帶電檢測并保證其檢測結(jié)果準(zhǔn)確，提出了一種將超聲波法（AE）與暫態(tài)對地電壓法（TEV）相結(jié)合的同步聯(lián)合檢測方法，并研制了檢測裝置。該裝置前端采用12位的ADS805模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主控部分采取FPGA+ARM的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理部分采用iMX257為核心，不但提高了檢測系統(tǒng)的可靠性，并且具有豐富的人機(jī)交互界面。

開關(guān)柜；局部放電；檢測；數(shù)據(jù)采集

0　引言

隨著電力設(shè)備技術(shù)的提高，封閉式開關(guān)成套設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個變電站中。然而，隨著設(shè)備裝用量的增加，故障發(fā)生次數(shù)也呈上升趨勢，一旦發(fā)生絕緣破壞等故障，造成的損失及修復(fù)時間遠(yuǎn)比敞開式設(shè)備高得多。以開關(guān)柜為例，2005年～2010年，全國共發(fā)生各類開關(guān)柜絕緣故障56次，占開關(guān)柜故障總數(shù)的14.3％，因此在運(yùn)行狀態(tài)下對高壓開關(guān)成套設(shè)備進(jìn)行不停電檢測具有重大意義。

開關(guān)柜局部放電檢測方法主要包括超聲波法（AE）［1］和暫態(tài)對地電壓法（TEV）［2］等。開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時，由于電場力的作用或壓力的作用，放電部位的氣體會發(fā)生膨脹或者收縮，在這個過程中，局部體積發(fā)生變化，這種變化在外部會產(chǎn)生疏密波即聲波［3］。通過檢測產(chǎn)生的超聲波信號來判定局部放電的方法即為超聲波法。同樣，通過測量高頻電流經(jīng)過縫隙時產(chǎn)生的暫態(tài)對地電壓來判定局部放電的方法為暫態(tài)電壓法［4］。但是單獨(dú)采用一種方法往往無法準(zhǔn)確反映開關(guān)柜內(nèi)的絕緣狀態(tài)，因此本文提出聯(lián)合AE與TEV等檢測手段，研制一套開關(guān)柜局部放電的檢測裝置。

本文采用FPGA+ARM作為主控結(jié)構(gòu)，以Freescale的iMX257+Cyclone III EP3C10E144為其儀器硬件核心，通過連接信號調(diào)理模塊與人機(jī)交互模塊組成一套帶電局放檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)不停電狀態(tài)下準(zhǔn)確檢測開關(guān)柜內(nèi)部局部放電情況的功能。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)前端采用ADS805接收AE和TEV的傳感器［5］信號，F(xiàn)PGA將信號采集并緩存至SDRAM中，當(dāng)收到ARM數(shù)據(jù)接收信號后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM（iMX257）中進(jìn)行處理分析，處理完成后將結(jié)果顯示給用戶。用戶通過USB端口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，完成一個檢測過程。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件部分

2.1信號調(diào)理

2.1.1濾波器

（1）AE傳感器部分

在現(xiàn)場運(yùn)用超聲法檢測開關(guān)柜絕緣狀態(tài)時，由于超聲波在開關(guān)柜內(nèi)衰減較大，因此選用了頻段較低（40kHz）的超聲傳感器，加強(qiáng)了對可聽聲頻段信號的抑制，這樣既避免了可聽頻段信號對局放信號的干擾又提高了檢測靈敏度，增強(qiáng)了開關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測的可靠性［6］。其信號調(diào)理電路中的濾波和放大電路原理圖如圖2、圖3所示。

圖2　前置放大電路原理圖

圖3　濾波電路

（2）TEV傳感器部分

對于TEV傳感器，為了能夠有效耦合高頻信號，避免站內(nèi)其他信號的干擾，需要用濾波器對信號進(jìn)行預(yù)處理。一般認(rèn)為10MHz～60MHz為主要檢測頻段。

本文設(shè)計了一個基于L、C元件的4階巴特沃斯帶通濾波器，因被檢的局放信號是脈沖信號，所以無需設(shè)置相位延遲和群延遲。圖4為4階巴特沃斯帶通濾波器原理圖，圖5為濾波器的幅頻響應(yīng)。其中50Ω電阻符號均為輸入阻抗和輸出阻抗。

圖4TEV濾波電路

圖5　幅頻、相頻響應(yīng)

該4階巴特沃斯濾波器實際制作時，采用與后續(xù)檢波器和線纜驅(qū)動共板設(shè)計，采用FR4板材，需要對高頻信號通道采用傳輸線方式設(shè)計PCB布線，保證50Ω阻抗匹配。濾波器具體的元件均采用高頻電容、電感，電容采用0403封裝，電感采用0603封裝，以減少PCB尺寸。經(jīng)過實測，該濾波器插入損耗小于1dB。

2.1.2對數(shù)檢波器

由于傳感器檢測局部放電檢測信號動態(tài)范圍較大，因此設(shè)計需求規(guī)定了傳感器的動態(tài)范圍要大于65dB；另外根據(jù)前述AE傳感器與TEV傳感器檢測頻段，檢波器工作頻段為40±1kHz與10MHz～60MHz。由于輸入信號動態(tài)范圍較大，且工作頻段下限較低，因此傳感器信號調(diào)理電路對數(shù)檢波器部分選擇采用集成型對數(shù)檢波芯片AD8307為核心進(jìn)行設(shè)計［7］。AD8307基于連續(xù)壓縮技術(shù)，具備6個放大限幅級，100MHz時動態(tài)范圍高達(dá)88dB；工作頻段為DC～500MHz，誤差為1dB；集成度高，無需實質(zhì)與檢波相關(guān)的外部元件，用其設(shè)計制作的對數(shù)檢波電路無需調(diào)試。

由于AD8307芯片INM和INP兩個引腳之間輸入阻抗為1.1kΩ，為了保證檢波電路輸入阻抗為50Ω，因此需要在前端并聯(lián)52.3Ω的匹配電阻；檢波電路采用AC耦合方式［8］，采用了C1和C2兩個100nF的電容進(jìn)行信號耦合。檢波電路圖如圖6所示。

圖6　檢波電路圖

2.2數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集AD轉(zhuǎn)換器采用德州儀器公司推出的ADS805，其電路圖如圖7所示。它的采樣頻率為20MHz，精度為12bit，具有68dB的高信噪比和300mW的低功耗功能。數(shù)據(jù)采集及緩存控制由FPGA操作執(zhí)行。

圖7ADS805電路圖

數(shù)據(jù)處理采用Freescale的iMX257作為控制核心，它以ARM926EJS為內(nèi)核，主頻為400MHz，外設(shè)接口豐富，可以連接顯示屏、鍵盤及觸控單元，并具有USB OTG功能。

3　軟件部分

3.1FPGA程序

FPGA負(fù)責(zé)控制AD采集AE和TEV傳感器的信號，并將其存儲在SDRAM中。當(dāng)ARM需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，發(fā)出請求信號，F(xiàn)PGA收到后將數(shù)據(jù)發(fā)到ARM處理。FPGA有3個模塊，分別是數(shù)據(jù)的采集、與ARM通信以及SDRAM的控制。為了讓數(shù)據(jù)采集速度更快，本項目的SDRAM采用32位，并且在FPGA設(shè)置了RAM作為數(shù)據(jù)緩存，以乒乓操作的方式控制數(shù)據(jù)流，有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.2ARM設(shè)計

ARM是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的，具有耗電低、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，局放數(shù)據(jù)的處理就是由其完成的。本項目的ARM嵌入式主板采用以ARM926EJS為核心的iMX257，它尺寸小巧，功耗低，適合用于運(yùn)行環(huán)境惡劣、無人值守、連續(xù)工作的領(lǐng)域。此外，該內(nèi)核豐富的接口類型，滿足了項目的各種需求。

儀器采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在桌面Linux平臺下編寫虛擬儀表的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。采用QT/embedded設(shè)計虛擬儀表軟面板，使用QT的輕量級集成開發(fā)環(huán)境QT Creator完成開發(fā)，最后在桌面Linux平臺的開發(fā)環(huán)境中編譯生成可執(zhí)行二進(jìn)制文件，并將其移植到儀器嵌入式Linux系統(tǒng)中運(yùn)行。軟件功能框圖如圖8所示。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

在現(xiàn)場利用本套裝置對配電柜進(jìn)行局部放電檢測，其結(jié)果如圖9所示。

圖9　局部放電測試圖

可以看到圖9（a）中放電幅度隨著相位的變化而發(fā)生了明顯的改變，放電次數(shù)與相位呈現(xiàn)帶狀分布，信號相位充分性高；脈沖信號幅值相位分布和脈沖數(shù)相位分布為雙峰型，且兩峰間相位差為180°左右。圖9（b）是PRPD圖，反映了測試時相位、幅值和次數(shù)之間的關(guān)系，可以看到此時PRPD圖譜顯示出了明顯的局部放電特征。

5　結(jié)論

本裝置通過超聲波法和暫態(tài)對地電壓法的同步聯(lián)合檢測方式，完成了對開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電檢測，兩種方法取長補(bǔ)短，不僅保證了檢測數(shù)據(jù)的可靠性，而且檢測速度大大提高。經(jīng)過反復(fù)檢測，結(jié)果表明，本裝置具有良好的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，可以快速有效地完成局部放電的檢測。

［1］李燕青.超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2004.［2］任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態(tài)對地電壓法綜合檢測開關(guān)柜局部放電［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（10）：2460-2466.

［3］王成江，官云，倪璐佳.影響聲發(fā)射法檢測氣隙放電因素的分析［J］.電氣開關(guān)，2009，47（5）：80-82.

［4］靳鍵云.開關(guān)柜局部放電暫態(tài)對地電壓檢測法的研究［J］.山西電力，2011（10）：10-12.

［5］褚靜，駱英，萬維，等.超聲波檢測的AE傳感器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)測量與控制，2008，16（4）：464-467.

［6］駱潔藝.基于暫態(tài)地電壓和超聲波測試的10kV開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估技術(shù)的研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［7］單淑娟，李明東，呂國豐.AD8307型對數(shù)放大器及其應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2010，18（1）：125-127.

［8］付作峰.局放信號的高頻檢波電路設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

A design of portable PD detection device for switch cabinet

Jin Ying1，Jia Zhijie2，Chen Kena2，Luo Yang2，Wan Xingchen1
（1.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China；2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

To achieve the conduct live detection of partial discharge in power distribution cabinet and guarantee the detection result correct，the paper provides a method combining AE with TEV and develops the detection device.The device adopts 12 bit ADS805 converter module，the main control part adopts the structure of FPGA+ARM implementation，and the data processing part uses iMX257.All of these increase reliability of the detection system and realize rich HMI.

switch cabinet；partial discharge；detection；data acquisition

TP274

A

1674-7720（2015）12-0020-03

2015-01-26）

金瑩（1980-），女，本科，主要研究方向：狀態(tài)監(jiān)測與評價。

賈志杰（1985-），男，碩士研究生，主要研究方向：高電壓絕緣技術(shù)。