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)國家電網(wǎng)公司頒布的以地電波檢測作為開關(guān)柜帶電檢測手段的相關(guān)規(guī)定，提出了一種基于ARM9平臺的便攜式開關(guān)柜局部放電檢測儀。該儀器采用峰值檢測電路對局部放電信號進(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)更好地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理。
關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；局部放電；峰值檢測；暫態(tài)對地電壓
中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.013
引用格式：陳斯琦，陳忠輝，黎金城.開關(guān)柜局部放電檢測儀器的設(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開關(guān)柜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)，主要作用是對線路、設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)。在配電網(wǎng)中，開關(guān)柜長期運(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2013年~2014年的配網(wǎng)開關(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)在開關(guān)柜缺陷總次數(shù)中占第二位［1］。因此對開關(guān)柜的絕緣性能進(jìn)行帶電檢測，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施是十分必要的。
開關(guān)柜發(fā)生局部放電時，電場能量會由于電勢高低的緣故而向接地點(diǎn)相鄰的接地金屬部位聚集，這樣就會在設(shè)備表面上形成對地電流［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，變化的電流會產(chǎn)生磁場，電磁場在空間的傳播就形成了電磁波。開關(guān)柜金屬設(shè)備存在縫隙，局部放電產(chǎn)生的電磁波就會通過不連續(xù)處傳到外表面，通過貼在金屬箱體的電容器就能檢測到暫態(tài)對地電壓(TEV)［3］。局部放電的暫態(tài)對地電壓檢測法由于具有檢測靈敏度高、對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技術(shù)。
本文采用ARM9作為主控結(jié)構(gòu)，通過地電波預(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。整個系統(tǒng)由信號預(yù)處理模塊和人機(jī)交互模塊構(gòu)成。信號預(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地電波的峰值。人機(jī)交互模塊中ARM2440開發(fā)平臺根據(jù)寫入的應(yīng)用程序?qū)㈩A(yù)處理模塊采集的數(shù)據(jù)存儲和處理并以時域圖的形式在LCD上顯示。用戶可以通過觸控模塊對局部放電檢測儀器的參數(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，通過放置電容性的傳感器就可檢測到暫態(tài)對地電壓信號［4］。容性傳感器是在開關(guān)柜表面敷設(shè)薄銅片，作為金屬電極，在該金屬電極與開關(guān)柜柜體之間加入電容介質(zhì)，形成一個電容C1，地電波信號可通過電容C1耦合到所設(shè)置的檢測電容C2上。傳感器原理電路如圖2所示。
2.2濾波檢測電路
開關(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，避免站內(nèi)其他信號的干擾，需要用濾波器對信號進(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)一個基于R、C元件的無源濾波器，其電路原理圖如圖3所示，C1為開關(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)
地電波信號是高速脈沖信號，其瞬時電壓值在幾毫伏至幾伏的范圍內(nèi)變化，因此，地電波信號的放大電路應(yīng)該具有高帶寬、較大的動態(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。該芯片是一個具有差分輸入、差分輸出的二級視頻運(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)過簡單的連接電路就會有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從放大芯片的負(fù)端輸入，通過在放大芯片的引腳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)放的正端通過串接51 Ω電阻后再接地，正端串接電阻。
2.4峰值檢測電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)一個可實(shí)現(xiàn)對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)對地電壓分為61個等級。測量的取值范圍為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)生電路是通過將開發(fā)板輸出的 PWM信號，經(jīng)過單位增益二階壓控電壓源低通濾波器來實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的峰值電平。ARM2440開發(fā)板有5個16位的定時器，其中0、1、2、3定時器都有一個外部輸出引腳（GPB0~GPB3），通過定時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，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轉(zhuǎn)換速率，當(dāng)輸出信號增大時，通過正反饋網(wǎng)絡(luò)，輸入信號與比較信號的差將快速增大。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)檢測到地電波的峰值時，峰值比較器的輸出就通過鎖存器使外部中斷EINT0有效(低電平有效)，嵌入式處理器在收到中斷后，讀取此時的參考電平值，并在時域軸上進(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，RS觸發(fā)器輸出為高電平，使外部中斷EINT0無效化，以便檢測后續(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開發(fā)板的定時器0實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，定時器0使用經(jīng)過2分頻的系統(tǒng)時鐘PCLK作為時鐘輸入，每計(jì)數(shù)一次耗時0.02 μs。定時器使用3個16位的寄存器TCNTB、TCMPB和TCON來完成PWM功能。TCNTB是定時器緩存寄存器，其功能是存儲定時器初始計(jì)數(shù)值，當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器減為0時，定時器中斷請求生成通知CPU定時器操作完成，此時相應(yīng)地將TCNTB的值裝載到遞減計(jì)數(shù)器中繼續(xù)下一個操作。TCMPB是定時器比較緩存寄存器，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，定時器控制邏輯改變輸出電平。TCON是定時器控制寄存器，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM輸出，需要讓定時器工作在自動重載模式，即當(dāng)定時器計(jì)數(shù)器減為0時，定時器中斷處理函數(shù)自動更新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)
定時器0初始化時經(jīng)過以下步驟：
?。?）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；
?。?）TCON寄存器中自動重載位配置為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，脈沖以高電平開始；
?。?）TCON寄存器置為啟動位；
?。?）TCON寄存器設(shè)置關(guān)閉人工裝載，定時器開始啟動。
經(jīng)過以上配置后，將定時器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、功能更加個性，其次嵌入式系統(tǒng)可以運(yùn)行操作系統(tǒng)，同時具有功耗低、體積小的特點(diǎn)［6］。本項(xiàng)目采用以S3C2440為平臺的開發(fā)板，開發(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信號腳，而且能夠確保在劇烈震動的工作環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，非常適用于網(wǎng)絡(luò)終端、車載、檢測等領(lǐng)域。
嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境是由目標(biāo)硬件開發(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)用程序的開發(fā)、調(diào)試等。在Ubuntu14.04平臺下完成開發(fā)板的操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯移植。在QT/embedded平臺上對應(yīng)用程序進(jìn)行編寫和測試，最后根據(jù)ARM2440硬件平臺，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)場應(yīng)用
在現(xiàn)場利用本套裝置對開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測，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)前檢測到的地電波的瞬時峰值。圖9右下角顯示與地電波信號相關(guān)的特征參數(shù)，“脈沖個數(shù)”表示測試周期內(nèi)(2 s)的脈沖個數(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
本文對地電波檢測系統(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電路，并成功構(gòu)建了一個地電波檢測系統(tǒng)。經(jīng)過對配電網(wǎng)中的開關(guān)柜進(jìn)行現(xiàn)場反復(fù)測試，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出開關(guān)柜局部放電的嚴(yán)重程度。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 黃詩敏.10 kV開關(guān)柜局部放電帶電檢測技術(shù)應(yīng)用與仿真分析研究［D］.北京:北京交通大學(xué),2015.
［2］ 雷志勇.局部放電檢測技術(shù)在配電設(shè)備缺陷查找中的應(yīng)用［J］. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011 (22):154.
?。?］ 駱潔藝.基于暫態(tài)地電壓和超聲波測試的10 kV開關(guān)柜絕緣狀態(tài)評估技術(shù)的研究［D］. 廣州:華南理工大學(xué)，2010.
?。?］ 葉培霖.基于地電波原理的開關(guān)柜局部放電檢測與定位系統(tǒng)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2014.
［5］ 金瑩，賈志杰,陳軻娜，等.一種便攜式開關(guān)柜局部放電檢測儀器的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015，34(12):20-22，26.
［6］ 杜冠.基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)移植的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué),2006.