摘  要： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的帶電檢測(cè)并保證其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，提出了一種將超聲波法（AE）與暫態(tài)對(duì)地電壓法（TEV）相結(jié)合的同步聯(lián)合檢測(cè)方法，并研制了檢測(cè)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(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理部分采用iMX257為核心，不但提高了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，并且具有豐富的人機(jī)交互界面。

　　關(guān)鍵詞： 開關(guān)柜；局部放電；檢測(cè)；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(gè)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(shì)，一旦發(fā)生絕緣破壞等故障，造成的損失及修復(fù)時(shí)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(guó)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(duì)高壓開關(guān)成套設(shè)備進(jìn)行不停電檢測(cè)具有重大意義。

　　開關(guān)柜局部放電檢測(cè)方法主要包括超聲波法（AE）[1]和暫態(tài)對(duì)地電壓法（TEV）[2]等。開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)，由于電場(chǎng)力的作用或壓力的作用，放電部位的氣體會(huì)發(fā)生膨脹或者收縮，在這個(gè)過程中，局部體積發(fā)生變化，這種變化在外部會(huì)產(chǎn)生疏密波即聲波[3]。通過檢測(cè)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)來判定局部放電的方法即為超聲波法。同樣，通過測(cè)量高頻電流經(jīng)過縫隙時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)對(duì)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(cè)手段，研制一套開關(guān)柜局部放電的檢測(cè)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(hào)調(diào)理模塊與人機(jī)交互模塊組成一套帶電局放檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不停電狀態(tài)下準(zhǔn)確檢測(cè)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(jì)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(hào)，F(xiàn)PGA將信號(hào)采集并緩存至SDRAM中，當(dāng)收到ARM數(shù)據(jù)接收信號(hào)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(gè)檢測(cè)過程。

2 硬件部分

　　2.1 信號(hào)調(diào)理

　　2.1.1 濾波器

　?。?）AE傳感器部分

　　在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用超聲法檢測(cè)開關(guān)柜絕緣狀態(tài)時(shí)，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（40 kHz）的超聲傳感器，加強(qiáng)了對(duì)可聽聲頻段信號(hào)的抑制，這樣既避免了可聽頻段信號(hào)對(duì)局放信號(hào)的干擾又提高了檢測(cè)靈敏度，增強(qiáng)了開關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測(cè)的可靠性[6]。其信號(hào)調(diào)理電路中的濾波和放大電路原理圖如圖2、圖3所示。

　　（2）TEV傳感器部分

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

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(hào)是脈沖信號(hào)，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50 Ω電阻符號(hào)均為輸入阻抗和輸出阻抗。

　　該4階巴特沃斯濾波器實(shí)際制作時(shí)，采用與后續(xù)檢波器和線纜驅(qū)動(dòng)共板設(shè)計(jì)，采用FR4板材，需要對(duì)高頻信號(hào)通道采用傳輸線方式設(shè)計(jì)PCB布線，保證50 Ω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(shí)測(cè)，該濾波器插入損耗小于1 dB。

　　2.1.2 對(duì)數(shù)檢波器

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

　　由于AD8307芯片INM和INP兩個(gè)引腳之間輸入阻抗為1.1 kΩ，為了保證檢波電路輸入阻抗為50 Ω，因此需要在前端并聯(lián)52.3 Ω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(gè)100 nF的電容進(jìn)行信號(hào)耦合。檢波電路圖如圖6所示。

　　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20 MHz，精度為12 bit，具有68 dB的高信噪比和300 mW的低功耗功能。數(shù)據(jù)采集及緩存控制由FPGA操作執(zhí)行。

　　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400 MHz，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

　　3.1 FPGA程序

　　FPGA負(fù)責(zé)控制AD采集AE和TEV傳感器的信號(hào)，并將其存儲(chǔ)在SDRAM中。當(dāng)ARM需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，F(xiàn)PGA收到后將數(shù)據(jù)發(fā)到ARM處理。FPGA有3個(gè)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(xiàng)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。

　　3.2 ARM設(shè)計(jì)

　　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(xiàng)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(xiàng)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(tái)下編寫虛擬儀表的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。采用QT／embedded設(shè)計(jì)虛擬儀表軟面板，使用QT的輕量級(jí)集成開發(fā)環(huán)境QT Creator完成開發(fā)，最后在桌面Linux平臺(tái)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(chǎng)應(yīng)用

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

　　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(hào)相位充分性高；脈沖信號(hào)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(cè)試時(shí)相位、幅值和次數(shù)之間的關(guān)系，可以看到此時(shí)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(duì)地電壓法的同步聯(lián)合檢測(cè)方式，完成了對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電檢測(cè)，兩種方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，不僅保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，而且檢測(cè)速度大大提高。經(jīng)過反復(fù)檢測(cè)，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(cè)。

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