復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

南方電網(wǎng)玉溪供電局 徐 鵬

1 復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重要意義

自80年代起復(fù)合絕緣子開始被大規(guī)模應(yīng)用于外絕緣系統(tǒng)中，90年代其應(yīng)用數(shù)量更是飛速增長。復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，能有效的對支柱絕緣子進(jìn)行無損檢測，避免由于支柱絕緣子缺陷引發(fā)事故發(fā)生。對支柱絕緣子進(jìn)行無損檢測，能避免缺陷支柱絕緣子帶病運(yùn)行，消除安全隱患，減少停電時(shí)間，提高供電可靠性。

2 復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)硬件部分研制

復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測裝置主要由幾部分構(gòu)成：微波定位裝置，微波反射端，前置放大器，數(shù)據(jù)采集裝置，電源及同軸電纜附件。其中定位裝置在改進(jìn)前采用定向接收裝置，它在短距離內(nèi)能夠保障微波全息定位接收精度，但同時(shí)也使得它在遠(yuǎn)距離測量信號幅值過小，容易淹沒在背景噪聲之間。改進(jìn)前系統(tǒng)各硬件部件連接圖如圖1所示。

圖1 硬件部分連接圖

該檢測系統(tǒng)的微波接收定位部分接收由穿透待檢測的絕緣子發(fā)射回的微波信號，采集到的微弱微波信號進(jìn)入超高頻信號采集系統(tǒng)進(jìn)行信號放大，并將微波信號轉(zhuǎn)化為易測量的電流信號，微弱電流信號通過信號調(diào)理單元，包括信號濾波、放大處理后，最后轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡可采集的合適的電壓信號，電壓信號在PC中通過系統(tǒng)軟件的分析、處理、判斷，從而達(dá)到在線檢測絕緣子缺陷放電的目的。

2.1 微波電信號增益裝置

普通微波電信號增益裝置的微波譜響應(yīng)曲線如圖2所示。它由外部5V左右的電源供電。微波電流增益通過外部接入的電壓控制單元進(jìn)行控制，作為微波電流增益電壓，其調(diào)節(jié)范圍為0～1.25V。

圖2 微波電信號增益裝置的微波譜響應(yīng)曲線

2.2 前置放大器

微波電信號增益裝置接收到缺陷微波全息微波后響應(yīng)輸出的微波電流信號應(yīng)該是一種脈沖信號的，而且是一種快速傳輸?shù)拿}沖信號，PMT輸出的電流信號頻譜絕大部分集中在信號低頻部分。

在選擇合適放大器時(shí)，首先對微波電流脈沖信號進(jìn)行理想的低通濾波處理，同時(shí)考慮到輸出的信號脈沖間隔都比較長，一般都達(dá)到5μs以上，因此200kHz以上帶寬的放大器都是考慮的范圍。通過對信號濾波仿真分析可知，對于20MHz的信號濾波器，由于帶寬高，能很好還原信號特征；而對于500kHz濾波器，將會(huì)損失信號能量（500kHz大概只有20MHz能量的1/10）。為了使得采集卡能夠達(dá)到實(shí)時(shí)采集，綜合考慮后，系統(tǒng)選擇帶寬為500kHz的放大器。

該放大器輸入、輸出阻抗均為50，連接引線采用50射頻同軸電纜。工作模式主要有兩種：低噪聲和高速度，各有7個(gè)檔位。放大器最終的各項(xiàng)具體性能指標(biāo)見表1。

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

在系統(tǒng)改進(jìn)以前，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為NI公司基于PCMCIA接口的5102數(shù)據(jù)采集卡，由于PCMCIA接口自身數(shù)據(jù)傳輸速度的限制，使得數(shù)據(jù)采集時(shí)主要存在以下兩個(gè)方面的問題：

采集卡的數(shù)據(jù)傳輸速率有限。實(shí)時(shí)采集所需要的接口傳輸速率遠(yuǎn)大于接口能夠提供的數(shù)據(jù)傳輸能力。傳輸速率的局限性使得軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集并不是真正的實(shí)時(shí)采集，只是使用了一種模擬實(shí)時(shí)采集的方法，整周期的采集放電波形然后將采到的數(shù)據(jù)拼接起來，并不考慮放電時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)，而是利用該間隔時(shí)間去存儲(chǔ)脈沖數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)的內(nèi)存有限。從采集卡內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)必須首先放到內(nèi)存里去，后期處理數(shù)據(jù)也要在內(nèi)存中完成。如果把所有采集來的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在內(nèi)存里，后期的處理將會(huì)很方便。在采集數(shù)據(jù)、讀取原始數(shù)據(jù)或是后期分析處理時(shí)，均采用按照工頻周期的時(shí)間長度來部分存儲(chǔ)和讀取的方式。

重新選用的數(shù)據(jù)采集卡具有100MHz的帶寬，100MS/s的實(shí)時(shí)采樣率、即96MB/s的實(shí)時(shí)采樣率，并基于高速度的PCI接口，PCI最高的數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到133MB/s，因此完全滿足實(shí)時(shí)采集及傳送功能，該數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)如表2。

表2 PCI-5112數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)

2.4 數(shù)字示波表

考慮到現(xiàn)場條件的限制以及操作人員的特點(diǎn)，遠(yuǎn)程缺陷微波全息檢測儀的顯示裝置不可能采用工控機(jī)或者筆記本PC，主要需要考慮兩個(gè)方面：方便操作，功能完整；便攜性。對于每個(gè)絕緣子都采用詳細(xì)的數(shù)據(jù)來分析是需要很多時(shí)間的，也是沒有必要的，采用手持式示波器來檢驗(yàn)絕緣子是否有缺陷放電產(chǎn)生完全能夠滿足辨別劣質(zhì)絕緣子的要求。對于檢測出產(chǎn)生缺陷的復(fù)合絕緣子可以采用數(shù)據(jù)采集卡以及軟件程序?qū)λM(jìn)行詳細(xì)分析。綜合考慮系統(tǒng)集成和便攜性，選用Fluke生產(chǎn)的手持?jǐn)?shù)字萬用示波表Fluke123/124，實(shí)時(shí)觀測放電波形，方便現(xiàn)場監(jiān)測。

2.5 微波定位裝置

系統(tǒng)改進(jìn)以前，遠(yuǎn)程缺陷微波全息檢測儀的微波定位裝置為一個(gè)微波發(fā)射接收裝置，該裝置在短距離內(nèi)（20m）能夠保證定位測量的精確度。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行絕緣子缺陷檢測時(shí)，由于測量距離一般在20cm以內(nèi)，因此使用該裝置能夠保證其測量精度。

表1 電流放大器的性能指標(biāo)

3 復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)與改進(jìn)

基于計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)了系統(tǒng)軟件，整個(gè)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。從軟件的執(zhí)行過程來看，軟件系統(tǒng)可以分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、顯示和輸出結(jié)果四個(gè)部分；從系統(tǒng)的功能模塊劃分，軟件系統(tǒng)可以分為系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、計(jì)算放電參數(shù)、顯示放電波形、保存測量結(jié)果、打印結(jié)果和查看歷史數(shù)據(jù)10個(gè)模塊。軟件提供離線分析和在線檢測，可進(jìn)行實(shí)時(shí)微波電流信號的處理、存儲(chǔ)、顯示和分析，最終軟件給出采集到的脈沖的極值和其分布等分析結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)的軟件處理模塊如圖3所示。整個(gè)程序框架采用Windows程序常用的消息驅(qū)動(dòng)模式，能夠根據(jù)用戶的需求從圖中三個(gè)不同的起點(diǎn)開始工作，得到所需的結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)軟件基本模塊圖

根據(jù)軟件體系結(jié)構(gòu)圖，分別對各部分的功能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可歸結(jié)為三大模塊的設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。在硬件條件不變的情況下，可以通過軟件模塊的修改和增加來完善系統(tǒng)原有的功能，擴(kuò)充和增加新的功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

程序接收到采集命令后開始初始化有關(guān)采集的變量，設(shè)置采集卡的采樣率、采集的時(shí)間段、緩存大小、門檻閾值等。設(shè)置結(jié)束后，程序檢測采集卡的內(nèi)部觸發(fā)信號，采集正式開始。程序還需要檢查采集的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)達(dá)到緩存的上限，并隨時(shí)將緩存中的數(shù)據(jù)送出，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)門檻濾波和峰值保持后送入數(shù)據(jù)庫保存。數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖4所示。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存是有限的，程序不能把所有采集的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)進(jìn)行存貯，而只能采用內(nèi)觸發(fā)方式，對所有采集的信息中進(jìn)行脈沖提取，只采集脈沖波形。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊是軟件系統(tǒng)中的重要部分，已完成的功能如下：統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)放電的最大幅值以及脈沖的平均幅值；統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)超過某個(gè)閾值的放電次數(shù)以及總脈沖放電時(shí)間；計(jì)算并顯示某一時(shí)間段內(nèi)放電幅值和放電次數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系；顯示某次放電的波形；相鄰脈沖放電時(shí)間間隔顯示分析。

數(shù)據(jù)處理模塊中最重要的一個(gè)功能是放電脈沖幅值與放電次數(shù)統(tǒng)計(jì)，它采用軟件峰值保持加以實(shí)現(xiàn)。軟件峰值保持模擬了硬件峰值保持的原理，并且大大簡化了電路。雖然峰值保持丟失了一部分放電信息，但通過合理劃分時(shí)間段，完全可以滿足測量的需要。軟件系統(tǒng)為用戶提供了修改時(shí)間段的權(quán)限，可以滿足不同測試的要求。放電脈沖幅值與放電次數(shù)的軟件流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)處理分析模塊中還有一個(gè)重要的功能是，能對相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而能夠判斷一次放電是雙極性脈沖還是單極性脈沖。

圖5 放電脈沖幅值與放電次數(shù)的軟件流程圖

程序界面如圖6所示，橫軸代表相鄰脈沖出現(xiàn)的時(shí)間，縱軸代表該時(shí)間內(nèi)脈沖統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。因?yàn)槊看畏逯禃r(shí)，都將出現(xiàn)脈沖群（脈沖群可能只含有幾個(gè)脈沖，也可能含大量脈沖），所以絕大部分相鄰脈沖的時(shí)間間隔為0ms附近，但是由一個(gè)脈沖群轉(zhuǎn)移到下一個(gè)脈沖群時(shí)，其脈沖間隔將會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：如果下一個(gè)脈沖群的極性和前一個(gè)相同，即只存在單極性脈沖，那么相鄰脈沖群間隔為工頻周期20ms或20ms的整數(shù)倍附近，如圖6（a）所示；如果下一個(gè)脈沖群的極性和前一個(gè)不同，即正負(fù)極性缺陷都出現(xiàn)，那么將會(huì)有很多脈沖相鄰間隔出現(xiàn)在10ms或10ms的整數(shù)倍附近，如圖6（b）所示。

圖6 不同極性下相鄰脈沖時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

本文主要進(jìn)行了復(fù)合絕緣子缺陷微波全息檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，研究內(nèi)容包括軟硬件構(gòu)成、軟件結(jié)構(gòu)，并探討和分析該系統(tǒng)存在的問題。根據(jù)當(dāng)前存在的問題，提出改進(jìn)措施，進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的性能。