陳斯琦，陳忠輝，黎金城

　　(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350116）

　　摘要：根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的以地電波檢測(cè)作為開(kāi)關(guān)柜帶電檢測(cè)手段的相關(guān)規(guī)定，提出了一種基于ARM9平臺(tái)的便攜式開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)儀。該儀器采用峰值檢測(cè)電路對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，避免了傳統(tǒng)上采用 A/D 采樣后產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量，方便手持系統(tǒng)更好地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

　　關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜；局部放電；峰值檢測(cè)；暫態(tài)對(duì)地電壓

　　中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.013

　　引用格式：陳斯琦，陳忠輝，黎金城.開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：41-44，48.

0引言

　　目前，10 kV、35 kV開(kāi)關(guān)柜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)，主要作用是對(duì)線路、設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)。在配電網(wǎng)中，開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期運(yùn)行于高溫、高壓、潮濕等惡劣的環(huán)境下，其絕緣性很容易遭到損壞，進(jìn)而引發(fā)局部放電。如果任其發(fā)展最終會(huì)導(dǎo)致絕緣喪失介電性能，造成嚴(yán)重事故，破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)北京電力公司對(duì)2013年~2014年的配網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜故障次數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，由局部放電產(chǎn)生的故障次數(shù)在開(kāi)關(guān)柜缺陷總次數(shù)中占第二位［1］。因此對(duì)開(kāi)關(guān)柜的絕緣性能進(jìn)行帶電檢測(cè)，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施是十分必要的。

　　開(kāi)關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)，電場(chǎng)能量會(huì)由于電勢(shì)高低的緣故而向接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位聚集，這樣就會(huì)在設(shè)備表面上形成對(duì)地電流［2］。由于放電的間斷性，這種電流是不斷變化的，根據(jù)法拉第電磁理論，變化的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)在空間的傳播就形成了電磁波。開(kāi)關(guān)柜金屬設(shè)備存在縫隙，局部放電產(chǎn)生的電磁波就會(huì)通過(guò)不連續(xù)處傳到外表面，通過(guò)貼在金屬箱體的電容器就能檢測(cè)到暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)［3］。局部放電的暫態(tài)對(duì)地電壓檢測(cè)法由于具有檢測(cè)靈敏度高、對(duì)局部放電脈沖的變化速度比較敏感的特點(diǎn)，成為電力行業(yè)最主要的局部放電檢測(cè)技術(shù)。

　　本文采用ARM9作為主控結(jié)構(gòu)，通過(guò)地電波預(yù)處理模塊與人機(jī)交互模塊組成便攜式局部放電在線檢測(cè)系統(tǒng)。

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。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理模塊和人機(jī)交互模塊構(gòu)成。信號(hào)預(yù)處理模塊包含傳感器、放大器、濾波器和峰值檢波器。傳感器耦合開(kāi)關(guān)柜表面的地電波，經(jīng)濾波器濾除噪聲，放大器提高信噪比后輸入到峰值檢波器檢測(cè)地電波的峰值。人機(jī)交互模塊中ARM2440開(kāi)發(fā)平臺(tái)根據(jù)寫(xiě)入的應(yīng)用程序?qū)㈩A(yù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理并以時(shí)域圖的形式在LCD上顯示。用戶可以通過(guò)觸控模塊對(duì)局部放電檢測(cè)儀器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2預(yù)處理模塊硬件電路

　　2.1TEV傳感器

　　開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的地電波總有部分能傳到金屬箱體外面。在金屬箱體外壁，通過(guò)放置電容性的傳感器就可檢測(cè)到暫態(tài)對(duì)地電壓信號(hào)［4］。容性傳感器是在開(kāi)關(guān)柜表面敷設(shè)薄銅片，作為金屬電極，在該金屬電極與開(kāi)關(guān)柜柜體之間加入電容介質(zhì)，形成一個(gè)電容C1，地電波信號(hào)可通過(guò)電容C1耦合到所設(shè)置的檢測(cè)電容C2上。傳感器原理電路如圖2所示。

　　2.2濾波檢測(cè)電路

　　開(kāi)關(guān)柜所處環(huán)境充斥著各種噪聲或干擾，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［5］。濾波器的通帶頻率范圍是10 MHz~60 MHz。

　　本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于R、C元件的無(wú)源濾波器，其電路原理圖如圖3所示，C1為開(kāi)關(guān)柜的金屬外壁與傳感器構(gòu)成的等效電容，C2為濾波電容，C3為耦合電容，通過(guò)合理選擇C2的值可獲得相應(yīng)的上限截止頻率，合理設(shè)置R3、C3的值可獲得適當(dāng)?shù)南孪藿刂诡l率。

　　2.3前置放大電路設(shè)計(jì)

　　地電波信號(hào)是高速脈沖信號(hào)，其瞬時(shí)電壓值在幾毫伏至幾伏的范圍內(nèi)變化，因此，地電波信號(hào)的放大電路應(yīng)該具有高帶寬、較大的動(dòng)態(tài)范圍和放大倍數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)。本文選用UA733芯片作為放大電路的核心芯片。該芯片是一個(gè)具有差分輸入、差分輸出的二級(jí)視頻運(yùn)算放大器，其內(nèi)部的串聯(lián)反饋電路使得其具有寬帶寬、低失真度及放大倍數(shù)穩(wěn)定等性能，射隨的電路設(shè)計(jì)使其具有良好的輸出性能，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的連接電路就會(huì)有10 V/V~400 V/V穩(wěn)定的增益，且不必進(jìn)行頻率補(bǔ)償。放大器的電路原理如圖4所示，放大器采用單端輸入雙端輸出的接法，濾波電路輸出的信號(hào)從放大芯片的負(fù)端輸入，通過(guò)在放大芯片的引腳GAIN ADJ1A和GAIN ADJ 1B之間串接電阻，設(shè)置放大器的增益，放大增益為26 dB。為了滿足運(yùn)算放大器穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的需要，運(yùn)放的正端通過(guò)串接51 Ω電阻后再接地，正端串接電阻。

　　2.4峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地電波峰值電平提取的電路，該電路由地電波參考峰值電平產(chǎn)生電路和峰值比較電路組成。

　　根據(jù)EA Technology 公司制定的準(zhǔn)則，地電波所感應(yīng)出的暫態(tài)對(duì)地電壓分為61個(gè)等級(jí)。測(cè)量的取值范圍為0~60 dB，由式(1)可得到局部放電量的峰值的取值范圍為1 mV~1 V。

　　測(cè)量值(dB)=20log局部放電量峰值1 mV(1)

　　地電波的參考峰值電平產(chǎn)生電路是通過(guò)將開(kāi)發(fā)板輸出的 PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)單位增益二階壓控電壓源低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的峰值電平。ARM2440開(kāi)發(fā)板有5個(gè)16位的定時(shí)器，其中0、1、2、3定時(shí)器都有一個(gè)外部輸出引腳（GPB0~GPB3），通過(guò)定時(shí)器可以控制引腳周期性地輸出高低電平，能實(shí)現(xiàn)PWM功能。在設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)，考慮到便攜式設(shè)備低功耗的要求，采用雙路微功耗軌至軌輸入和輸出的運(yùn)算放大器。峰值電平產(chǎn)生電路原理圖如圖5所示。

　　峰值比較電路主要由高速雙路差分比較器與4路2輸入正與非門集成芯片以及相應(yīng)的R、C元器件組成。高速差分比較器具有傳輸時(shí)延低于12 ns、選通輸入接口和輸出接口均兼容TTL電路的特點(diǎn)。差分比較器的主要功能是將前置放大器的差分輸出與峰值參考電平進(jìn)行比較。與非門集成芯片主要是用于設(shè)計(jì)與非門RS觸發(fā)器、鎖存差分比較器的輸出值，并將RS觸發(fā)器的輸出作為ARM2440的外部中斷源EINT0。峰值比較電路的原理圖如圖6所示，圖中差分比較器引入正反饋是為了提高信號(hào)轉(zhuǎn)換速率，當(dāng)輸出信號(hào)增大時(shí)，通過(guò)正反饋網(wǎng)絡(luò)，輸入信號(hào)與比較信號(hào)的差將快速增大。TP9為參考電平輸入口，電平從60 dB至0 dB不斷遞減變化，當(dāng)檢測(cè)到地電波的峰值時(shí)，峰值比較器的輸出就通過(guò)鎖存器使外部中斷EINT0有效(低電平有效)，嵌入式處理器在收到中斷后，讀取此時(shí)的參考電平值，并在時(shí)域軸上進(jìn)行繪制等操作。TP11輸入口主要用于異步置“1”功能，當(dāng)TP11為低電平時(shí)，RS觸發(fā)器輸出為高電平，使外部中斷EINT0無(wú)效化，以便檢測(cè)后續(xù)的峰值電平。

3軟件部分

　　3.1基于PWM實(shí)現(xiàn)峰值電平

　　本設(shè)計(jì)采用ARM2440開(kāi)發(fā)板的定時(shí)器0實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，定時(shí)器0使用經(jīng)過(guò)2分頻的系統(tǒng)時(shí)鐘PCLK作為時(shí)鐘輸入，每計(jì)數(shù)一次耗時(shí)0.02 μs。定時(shí)器使用3個(gè)16位的寄存器TCNTB、TCMPB和TCON來(lái)完成PWM功能。TCNTB是定時(shí)器緩存寄存器，其功能是存儲(chǔ)定時(shí)器初始計(jì)數(shù)值，當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，定時(shí)器中斷請(qǐng)求生成通知CPU定時(shí)器操作完成，此時(shí)相應(yīng)地將TCNTB的值裝載到遞減計(jì)數(shù)器中繼續(xù)下一個(gè)操作。TCMPB是定時(shí)器比較緩存寄存器，用于脈寬調(diào)制，當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器中的值匹配時(shí)，定時(shí)器控制邏輯改變輸出電平。TCON是定時(shí)器控制寄存器，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM輸出，需要讓定時(shí)器工作在自動(dòng)重載模式，即當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，定時(shí)器中斷處理函數(shù)自動(dòng)更新TCNTB和TCMPB。

　　TCNTB和TCMPB寄存器賦初值，要實(shí)現(xiàn)峰值電平，TCNTB和TCMPB寄存器的值需滿足式(2):

　　Level(dB)=60+20logTCNTB-TCMPBTCNTB(2)

　　定時(shí)器0初始化時(shí)經(jīng)過(guò)以下步驟：

　?。?）TCON寄存器中人工裝載位配置為1，TCNTB和TCMPB更新到內(nèi)部計(jì)數(shù)器；

　　（2）TCON寄存器中自動(dòng)重載位配置為1，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的脈寬調(diào)制功能；

　?。?）TCON寄存器中輸出反轉(zhuǎn)位配置為1，脈沖以高電平開(kāi)始；

　?。?）TCON寄存器置為啟動(dòng)位；

　　（5）TCON寄存器設(shè)置關(guān)閉人工裝載，定時(shí)器開(kāi)始啟動(dòng)。

　　經(jīng)過(guò)以上配置后，將定時(shí)器0輸出引腳PB0配置為PWM輸出模式，就可以進(jìn)行PWM輸出?；赑WM的峰值電平程序流程圖如圖7所示。

　　3.2嵌入式系統(tǒng)和圖形用戶界面的設(shè)計(jì)

　　嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心。嵌入式相比通用計(jì)算機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、功能更加個(gè)性，其次嵌入式系統(tǒng)可以運(yùn)行操作系統(tǒng)，同時(shí)具有功耗低、體積小的特點(diǎn)［6］。本項(xiàng)目采用以S3C2440為平臺(tái)的開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板采用超小型設(shè)計(jì)，占用的空間非常小，并且采用雙排1.27間距插針式的方式，這不僅引出了更多的CPU信號(hào)腳，而且能夠確保在劇烈震動(dòng)的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，非常適用于網(wǎng)絡(luò)終端、車載、檢測(cè)等領(lǐng)域。

　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境是由目標(biāo)硬件開(kāi)發(fā)板和宿主機(jī)（PC）所構(gòu)成的。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件是運(yùn)行在開(kāi)發(fā)板上的，而宿主機(jī)需要完成核心板所運(yùn)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯移植、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試等。在Ubuntu14.04平臺(tái)下完成開(kāi)發(fā)板的操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯移植。在QT/embedded平臺(tái)上對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編寫(xiě)和測(cè)試，最后根據(jù)ARM2440硬件平臺(tái)，交叉編譯嵌入式應(yīng)用。應(yīng)用軟件功能框圖如圖8所示。

　　4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　在現(xiàn)場(chǎng)利用本套裝置對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測(cè)，其結(jié)果如圖9所示。系統(tǒng)使用綠燈、黃燈和紅燈分別表示地電波峰值電平的3個(gè)電平范圍（綠燈：0~19 dB，黃燈：20~27 dB，紅燈：28~60 dB）。圖9中矩形框里顯示的是當(dāng)前檢測(cè)到的地電波的瞬時(shí)峰值。圖9右下角顯示與地電波信號(hào)相關(guān)的特征參數(shù)，“脈沖個(gè)數(shù)”表示測(cè)試周期內(nèi)(2 s)的脈沖個(gè)數(shù)；“脈沖/周期”是工頻下的周期脈沖數(shù)；“嚴(yán)重程度”表示短期局部放電嚴(yán)重程度，具體計(jì)算公式如式(3)。

　　短期嚴(yán)重程度=TEV幅值×每周期脈沖數(shù)(3)

5結(jié)論

　　本文對(duì)地電波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了TEV傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出采用峰值檢波的地電波檢測(cè)電路，并成功構(gòu)建了一個(gè)地電波檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)配電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)試，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的儀器具有良好的準(zhǔn)確性與便攜性，可以快速有效地檢測(cè)出開(kāi)關(guān)柜局部放電的嚴(yán)重程度。

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