0 引言

    近年來，國內(nèi)有關(guān)研究機構(gòu)對特高頻局部放電檢測技術(shù)進行了廣泛的研究。西安交通大學等建立了檢測頻帶可調(diào)的實驗室檢測系統(tǒng)及局部放電自動識別系統(tǒng)。清華大學則試圖通過在變壓器內(nèi)部安置特高頻天線的方法來測量變壓器的內(nèi)部放電，并在實驗室進行了一些實驗研究。國外的研究一般在電力設(shè)備頂部靠近高壓側(cè)的箱體上開一窗口(介質(zhì)窗)，傳感器通過介質(zhì)窗提取局部放電信號，并通過頻譜分析儀進行分析?？傊?，國內(nèi)外利用UHF法檢測電力變壓器的工作大多集中在實驗室進行，現(xiàn)場開展的較少，且開發(fā)的檢測系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備均為頻譜分析儀，不但價格昂貴且不適合在現(xiàn)場長期運行^[2]。

    在新形勢下的智能電網(wǎng)推廣與運行維護過程中，一方面，傳統(tǒng)UHF局放檢測儀采用下變頻+高速AD卡+X86工控機架構(gòu)，其中下變頻采用一路本振與輸入信號相乘，會導致頻譜混疊。而高速AD卡只負責采樣，不負責信號處理，嚴重增加后端工控機處理負荷；另一方面，局部放電產(chǎn)生的特高頻信號頻率已達微波頻段，若直接采集，對采集設(shè)備的采樣率和存儲深度的要求非常高。所以，必須設(shè)計全新架構(gòu)來解決頻譜混疊和工控負荷過重等問題。

1 特高頻局部放電檢測

    UHF法、AE法等是目前現(xiàn)場檢測局部放電的常用方法，也是目前國際上公認的、最適合現(xiàn)場使用的局部放電檢測技術(shù)，其有效性得到國際大電網(wǎng)會議 CIGRE 聯(lián)合工作組的一致認同。目前，這種靈敏的、幾乎無干擾的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于常規(guī)高壓電力設(shè)備的局部放電在線監(jiān)測或巡檢工作。

    電力設(shè)備每一次局放都會伴隨著一個納秒級的陡電流脈沖向周圍輻射電磁波，頻率可達300 MHz～3 GHz，特高頻(UHF)檢測技術(shù)就是通過對該電磁波進行捕獲、分析，從而對局放源進行定位。把局部放電看做是一個點源，其產(chǎn)生的電磁擾動隨時間變化而產(chǎn)生電磁波，遵循 Maxwell 的電磁場基本方程。其時變電磁場基本方程通過引入動態(tài)向量位和動態(tài)標量位轉(zhuǎn)化為動態(tài)位方程：

    求解，得：

其中V為電荷的分布空間。該解說明PD電磁波以速度y沿著r方向傳播，是時間與位置的函數(shù)，為橫向電磁波，其能力沿電磁波傳播方向流動^[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。采用自主創(chuàng)新的“嵌入式LINUX操作系統(tǒng)+嵌入式工控機+專用采集分析板卡+專用分析軟件”構(gòu)架，實現(xiàn)了對局部放電信號的采集、放大、分析、存儲重放。

2.2 信號的采集模塊

    利用模擬開關(guān)可以將一路測量電路采集兩個探頭，一路測量環(huán)境噪聲，一路測量特高頻信號。因為普通的繼電器在斷開時，觸點間有寄生電容，不能真正阻斷高頻信號的繼續(xù)前進，而在接通時，對特高頻信號損耗較大，不適合此處應(yīng)用。所以在這里選用特高頻信號專用的半導體模擬開關(guān)，實現(xiàn)二轉(zhuǎn)一的功能。

    考慮到智能電網(wǎng)現(xiàn)場工作環(huán)境的復雜性，本系統(tǒng)為之設(shè)計了四波段開關(guān)濾波器組。目前來看，多路開關(guān)濾波器組件中高低波段的相互串擾難以避免。雖然不能消除它，但可以通過將兩組四波段濾波器串聯(lián)的辦法使之盡可能地減小。其中一條波段的線路如圖2所示^[5]。

2.3 程控放大器模塊

    不同頻段的信號經(jīng)過測量板卡的放大、混頻、濾波后進入AD芯片前，增益會發(fā)生變化，這里在AD芯片前級設(shè)計了程控放大器，針對不同的頻段信號，設(shè)定不同的增益，以保證不同頻段信號測量的準確性。本設(shè)計采用TQM8M9075數(shù)字可變增益放大器，如圖3所示。

2.4 雙通道模塊

　　程控放大器和FPGA之間如果只有一路本振信號，與特高頻信號混頻后頻譜搬移效果如圖4所示。

    而雙路正交混頻后頻譜搬移如圖5所示，其較好地解決了頻譜混疊現(xiàn)象。

2.5 大容量FPGA與同步信號

    AD芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要進行處理，而通過軟件對兩路105M采樣的數(shù)據(jù)進行實時處理使CPU壓力非常大，因此后端設(shè)計了FPGA進行數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA實現(xiàn)數(shù)字下變頻、FFT變換、數(shù)字低通濾波、功率統(tǒng)計，大大降低了后端工控機處理負荷。同步信號模塊則負責將輸入的工頻信號耦合、整形后送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入的同步信號決定什么時候開始處理信號，也就是說，同步信號模塊提供FPGA一個參考0相位。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 運行流程

    圖6為信號采集和處理的軟件流程圖。在線監(jiān)測儀在安置、調(diào)試完成后將正式上電啟動。首先將由工作人員設(shè)定底噪，可以按照默認值也可以重新設(shè)定；然后設(shè)定現(xiàn)場監(jiān)控所需的頻段、帶寬及增益，所有設(shè)定過程全部通過人機交互展開。所需參數(shù)設(shè)定完畢后，局放監(jiān)測探頭開始采集信號，信號特征經(jīng)過自動化處理后展現(xiàn)在儀器屏幕上^[8]。

3.2 效果展示

    使用時，如果您不知道現(xiàn)場設(shè)備的中心頻率，可以使用掃頻功能，系統(tǒng)將自動分析從設(shè)備發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，從而計算出一個合理的值，填充到中心頻率輸入框中。

    接下來進入系統(tǒng)主工作界面，如圖7所示。其中，區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域4作為主顯示區(qū)域，分別展示峰值趨勢圖或均值趨勢圖、放電次數(shù)-相位圖、幅度-相位圖。區(qū)域2和區(qū)域5處的各種按鈕負責對以上顯示區(qū)域進行各種操作、控制。最底層的三個區(qū)域分別是：系統(tǒng)菜單欄、當前通道狀況和快捷鍵欄。

4 結(jié)論

    本文利用特高頻法研究智能電網(wǎng)的局部放電，克服了傳統(tǒng)的脈沖電流法測量頻率低、頻帶窄的缺點，可以較全面地研究局部放電的特征。其中，可檢測的主要狀態(tài)量及通道包含UHF-4通道、同步電壓-1通道，接收300 MHz~3 200 MHz頻段的信號，具有良好的信噪比。能捕捉的最低局放信號精度達到了50pc，可廣泛應(yīng)用于10 M/100 M/1 000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和RS232配置接口。本文對智能電網(wǎng)局部放電特高頻檢測技術(shù)進行的理論及應(yīng)用研究，已經(jīng)取得了較好的效果，其廣泛的應(yīng)用將會在智能電網(wǎng)監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。若與數(shù)字化測量相結(jié)合，建立局部放電指紋庫，利用數(shù)字化的處理方式，將會實現(xiàn)局部放電的自動識別。

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