一種非接觸式變壓器套管空間電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置的研制

孫小磊，陳 昊*，王 抗，吳曉辰，張東東，王 晨

（1.國(guó)網(wǎng)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(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

隨著日益增長(zhǎng)的電能需求，全社會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的要求也在日益提高［1-2］。電力變壓器作為電能傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀態(tài)是否良好與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大。變壓器套管將變壓器內(nèi)部高、低壓引線引到油箱外部，對(duì)變壓器套管運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義［3-4］。

對(duì)于變壓器套管在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，目前主要集中在對(duì)其介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量的監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［5-6］主要研究了變壓器套管介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量技術(shù)；文獻(xiàn)［7］開展了介質(zhì)損耗、電容量、局部放電等電氣特性診斷試驗(yàn)；文獻(xiàn)［8-10］基于頻域介電譜法，對(duì)變壓器套管的受潮情況進(jìn)行了分析。

上述的檢測(cè)方法在一定程度上可以識(shí)別變壓器套管的故障隱患，但是上述方法多采用接觸式測(cè)量，需結(jié)合電力企業(yè)停電計(jì)劃進(jìn)行測(cè)量［11］；此外，上述方法操作步驟相對(duì)繁瑣，且試驗(yàn)儀器價(jià)格高昂，難以滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。在此背景下，積極發(fā)展對(duì)設(shè)備外絕緣的非接觸式測(cè)量方法［12-16］，對(duì)于滿足當(dāng)前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)需求有著積極意義。

大量研究表明，耐壓設(shè)備周圍空間電場(chǎng)強(qiáng)度的變化可以反映其絕緣情況［17-19］，在耐壓設(shè)備外絕緣破壞的情況下，其空間電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)分布異常。變電站電場(chǎng)強(qiáng)度的變化原因是多方面的［20-24］，例如電力負(fù)荷波動(dòng)、周圍帶電體相對(duì)位置變化、周圍屏蔽物相對(duì)位置變化等等。僅從一個(gè)被測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值大小估測(cè)設(shè)備絕緣狀況，顯然是不可靠的，因此，需要長(zhǎng)期多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量，并能對(duì)測(cè)得的多點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行綜合分析［25］。上述方法將有力地提升變電站設(shè)備故障分析水平。基于此，本文研制了一種便攜式變壓器套管空間電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置。本裝置基于靜電感應(yīng)原理，由d-dot 微型探頭、放大器模塊、STM32F1 內(nèi)核、鋰電池供電模塊、充電模塊、433 數(shù)據(jù)透?jìng)髂K和GPRS無線收發(fā)模塊等組成，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器套管空間工頻電場(chǎng)的長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量及告警。

1 電場(chǎng)測(cè)量探頭原理及設(shè)計(jì)

工頻電場(chǎng)測(cè)量傳感器基于靜電感應(yīng)原理［26］，處于靜電場(chǎng)或交變電場(chǎng)中的一切導(dǎo)體，其表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷會(huì)與外部電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相平衡，處于靜電平衡的狀態(tài)。隨著外部場(chǎng)強(qiáng)的增大，導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷就越多。把這些感應(yīng)電荷施加在電容兩端，則會(huì)形成感應(yīng)電壓，在傳感器的電極間接入測(cè)量電容器后，可以通過電容器測(cè)得的感應(yīng)電壓的大小，實(shí)現(xiàn)傳感器外部場(chǎng)強(qiáng)的間接測(cè)量。依據(jù)上述原理，將微型電場(chǎng)探頭等效為二維球形傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微型電場(chǎng)探頭及其等價(jià)二維球型傳感器結(jié)構(gòu)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(nèi)部電容和連接導(dǎo)線構(gòu)成，其中金屬電極厚度為1.5 mm，引出的導(dǎo)線用于接入測(cè)量裝置的放大電路。在放入傳感器前，空間電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E，將傳感器放入該空間電場(chǎng)后，其表面會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，電容C的兩端進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差U，電勢(shì)差U便是所需要的測(cè)量信號(hào)。電容C連接傳感器中的兩片金屬電極，設(shè)該傳感器左右金屬電極的面積均為S，電極上某點(diǎn)的面密度為σ，對(duì)整個(gè)半球面進(jìn)行積分，可知積分結(jié)果為電荷總量Q。

式（5）中，E為待測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，C為傳感器內(nèi)部的電容，U為傳感器的感應(yīng)電壓?？梢酝ㄟ^測(cè)量電容兩端的電壓，利用比例關(guān)系計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度。由于該裝置傳感器尺寸較小，其測(cè)量值大小基本不受傳感器方向影響。

2 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

本文采用STM32 芯片作為工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x的核心，對(duì)變壓器套管周圍電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在場(chǎng)強(qiáng)變化超出設(shè)定限值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)識(shí)別變壓器套管的運(yùn)行狀態(tài)。該工頻電場(chǎng)檢測(cè)裝置由ddot微型探頭、放大器模塊、STM32F1內(nèi)核、鋰電池供電模塊、充電模塊、433 數(shù)據(jù)透?jìng)髂K和GPRS 無線收發(fā)模塊等組成，如圖2所示。

圖2中，設(shè)備工作過程為：首先，d-dot微型傳感器將采集到的電場(chǎng)強(qiáng)度信息經(jīng)過放大、濾波后，進(jìn)入到主控芯片STM32F1 的ADC 模塊中完成模-數(shù)轉(zhuǎn)換，主控芯片對(duì)所獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理、修正，得出相對(duì)可靠精確的電場(chǎng)強(qiáng)度值，處理完畢后主控芯片將這些數(shù)據(jù)打包傳輸給GPRS 模塊、433 透?jìng)髂K。433透?jìng)髂K將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端數(shù)據(jù)處理裝置，GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端供物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。接收器接收到信號(hào)后，按照事先編寫好的規(guī)約來判斷本次傳輸數(shù)值的可靠性，然后反饋給主控芯片，主控芯片會(huì)對(duì)數(shù)值時(shí)間序列進(jìn)行分析，從而判斷該電場(chǎng)強(qiáng)度是否處于預(yù)設(shè)的場(chǎng)強(qiáng)門限曲線，若越過場(chǎng)強(qiáng)門限曲線，則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的各子模塊參數(shù)及功能介紹如下。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure

2.1 模塊計(jì)算內(nèi)核

采用STM32單片機(jī)（如圖3）實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字信號(hào)的邏輯運(yùn)算處理。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路、電源模塊、JTAG接口模塊、串口ISP下載模塊、系統(tǒng)復(fù)位模塊。

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

STM32F103 增強(qiáng)型系列使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 內(nèi)核，ARM 的Cortex-M3 處理器是最新一代嵌入式ARM 處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU 的需要提供了低成本平臺(tái)、縮減的管腳數(shù)目、較低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供優(yōu)秀的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。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(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了ARM核心的高性能。

檢測(cè)電路的輸出電壓必須通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能夠用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出的是數(shù)字信號(hào)，然而控制系統(tǒng)中，一般要求是連續(xù)的控制信號(hào)來進(jìn)行系統(tǒng)控制，這樣運(yùn)算輸出的數(shù)字量又必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信息。通過連續(xù)的模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的熱量供給，從而達(dá)到工作點(diǎn)溫度保持或增減的要求。信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、D/A轉(zhuǎn)換3個(gè)步驟，皆可經(jīng)過STM32來完成。

傳感器測(cè)量系統(tǒng)主控電路由STM32F103C8T6 及其外圍電路組成，是系統(tǒng)的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理工作。傳感器采集的模擬信號(hào)，經(jīng)過處理器本身內(nèi)嵌的ADC 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關(guān)處理后通過溫度顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，處理器還可以通過利用通訊芯片，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)、手機(jī)的遠(yuǎn)程通信功能。

STM32 單片機(jī)配置的12 位ADC 是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)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?jìng)髂K

采用USR-GM3 透?jìng)鱃PRS 模塊，提供串口轉(zhuǎn)GPRS 信息傳輸功能，將裝置監(jiān)測(cè)信息通過2G 網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，供遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)用。USR-GM3 功能特點(diǎn)為：四頻GSM850/900，DCS1800/1900 全球通用；支持GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)；支持2G/3G/4G 手機(jī)卡的2G 流量；支持4 路網(wǎng)絡(luò)連接同時(shí)在線，支持TCP Client 和UDP Client；每路連接支持4 kB 數(shù)據(jù)緩存，連接異常時(shí)可選擇緩存數(shù)據(jù)不丟失；支持遠(yuǎn)程短信設(shè)置模塊參數(shù)；支持短信透?jìng)髂Ｊ?、網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?、HTTPD 模式，UDC 模式；支持基本指令集和擴(kuò)展指令集；支持簡(jiǎn)單指令發(fā)送中文/英文短信；支持類RFC2217 功能，可從網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)修改模塊的串口參數(shù)；支持串口的硬件流控，RTS/CTS；支持UDC協(xié)議；支持FTP協(xié)議遠(yuǎn)程升級(jí)。

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

主機(jī)和從機(jī)之間采用E43-433透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(yuǎn)距離、低功耗設(shè)備的LoRa擴(kuò)頻無線技術(shù)，是一種遠(yuǎn)距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和物聯(lián)網(wǎng)［27］等領(lǐng)域，同時(shí)旨在構(gòu)建生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的一種技術(shù)。

2.3 電源DC-DC模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)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(tài)，這一套電源模塊可以滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)補(bǔ)充，若在戶外時(shí)出現(xiàn)鋰電池沒電的情況，太陽能電池板能起到一個(gè)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(shè)計(jì)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(yīng)電荷相對(duì)較少，其感應(yīng)到的交變電壓也非常小，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)相對(duì)較弱，需要進(jìn)行放大處理。測(cè)量裝置需處于強(qiáng)工頻電場(chǎng)環(huán)境中，傳感器易受共模信號(hào)的干擾［29］，設(shè)計(jì)放大電路時(shí)應(yīng)在考慮放大測(cè)量電容兩端電壓信號(hào)的同時(shí)，有效地抑制共模信號(hào)的干擾，確保傳感器的測(cè)量精度。

鑒于上述要求，設(shè)計(jì)了一種差分放大電路，當(dāng)幅值、相位相同的共模干擾信號(hào)輸入時(shí)，其差值為零，系統(tǒng)會(huì)判定輸入信號(hào)無效，則無須考慮共模信號(hào)帶來的干擾。后將輸入端的兩個(gè)信號(hào)之差作為差分輸入電路的有效信號(hào)，再通過設(shè)計(jì)合理的放大系數(shù)便能得到電壓輸入信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)過差分電路后，放大倍數(shù)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：?jiǎn)坞娫?～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(yōu)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(diào)電壓50 μV；低輸入失調(diào)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(biāo)

3.1.1 電池

從機(jī)（發(fā)射模）塊采用7.4 V，9 AH 鋰電池供電，從機(jī)工作電流為150 mA，電池可滿足從機(jī)不間斷工作600 h，當(dāng)從機(jī)電池電壓低于7 V，通過無線方式反饋電壓過低信號(hào)給主機(jī)，主機(jī)收到從機(jī)饋電信號(hào)后，主機(jī)中的從機(jī)電壓過低指示燈點(diǎn)亮，可采用市電給從機(jī)充電。

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

3.1.2 無線預(yù)警信號(hào)傳輸距離

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

3.1.3 設(shè)備與聯(lián)網(wǎng)

主機(jī)可通過物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)發(fā)送電場(chǎng)強(qiáng)度至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)中心通過智能分析算法，判斷監(jiān)測(cè)設(shè)備是否處于預(yù)警狀態(tài)，一旦處于預(yù)警狀態(tài)，可通過電話和短信等方式第一時(shí)間通知作業(yè)設(shè)備操作人，及時(shí)對(duì)變壓器套管進(jìn)行相應(yīng)檢查。設(shè)備主機(jī)與從機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 從機(jī)（傳感器端）（左）主機(jī)（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(xiàn)有裝置對(duì)比情況如表1。

從表1 可以看出，與現(xiàn)有空間電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量裝置相比，本裝置在待電/續(xù)航方面明顯更具優(yōu)勢(shì)，從而滿足對(duì)變壓器套管場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。此外，本裝置具有無線透?jìng)骱臀锫?lián)網(wǎng)功能，方便將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心，從而對(duì)變壓器套管狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

表1 裝置與現(xiàn)有裝置對(duì)比情況表Table 1 Comparison between the device and the existing prototype

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)裝置在工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，在南京地區(qū)某500 kV 變電站利用該裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)帶電監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中共設(shè)置了3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以其中一處測(cè)試點(diǎn)為例，將從機(jī)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(shí)通過變電站監(jiān)控后臺(tái)觀察相應(yīng)間隔負(fù)荷波動(dòng)［30］信息，試驗(yàn)環(huán)境如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況Fig.8 Field test

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲得從機(jī)發(fā)送的工頻電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，有效距離超過150 m；當(dāng)從機(jī)感知電場(chǎng)強(qiáng)度幅值越界，或變化量超過閾值時(shí)，主機(jī)會(huì)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)、PC 終端會(huì)有明顯的提示，如圖9、圖10所示。

圖9 PC終端物聯(lián)網(wǎng)界面Fig.9 IOT interface of PC terminal

圖10 手機(jī)終端物聯(lián)網(wǎng)界面Fig.10 IOT interface of mobile terminal

5 結(jié)語

本文論述了基于靜電感應(yīng)原理的便攜式非接觸式變壓器套管空間電場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和研制，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無線通訊物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)，可以應(yīng)用于日常運(yùn)檢工作以及智能裝備無人運(yùn)檢工作中。通過在500 kV變電站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該裝置在變壓器套管空間電場(chǎng)測(cè)量方面的準(zhǔn)確性和便攜性，符合當(dāng)前智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)方向。

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