SF6户外环网柜多参数检测系统研究与开发

(华侨大学机电及自动化学院,福建 厦门 361021)

0 引言

电力电缆是户外环网柜的主要输电设备，用于电能的传输与分配。处于恶劣环境下的电力电缆，由于绝缘老化、受潮等原因极易引发绝缘故障，其中，局部放电是电缆绝缘故障的主要体现。持续的局部放电会导致电缆绝缘层发热、老化，最终击穿。SF6是SF6户外环网柜的绝缘和灭弧介质，高温条件下，SF6会进行分解，其分解产物中含有某些高毒性气体，人体大量吸入极易引发头晕和肺气肿，甚至昏迷死亡[1]。由于运行中的户外环网柜长期处于高温和无人监控状态，设备的绝缘故障必然引起柜内环境温度的上升，因此对环网柜环境温度的实时监测十分必要。

本文旨在建立一个SF6环网柜多参数检测系统，对电缆局部放电、SF6泄漏和柜内环境温度进行实时检测并及时预警，排除SF6户外环网柜的安全隐患。

1 系统硬件设计

系统硬件部分主要由电缆局部放电检测平台、SF6气体泄漏传感器、温度传感器、STM32单片机、12864液晶接口电路、RS- 485通信模块和微计算机组成。其中，电缆局部放电检测平台用于实现局放信号的采集、处理；STM32单片机是SF6泄漏检测与温度检测模块的下位机核心处理器，完成信号采集、处理、控制等任务；RS- 485模块用于STM32下位机与上位机通信，实现系统的远程监测。

1.1 电缆局部放电检测平台

目前，电磁耦合法、电容传感器法和差分法在各类局放检测方法中应用广泛[2]。由于电磁耦合法抗干扰能力强，传感器与电缆没有直接的电气连接，安装方便，因此本文采用该方法测量。该方法利用高频电流互感器耦合流经电缆接地线上的脉冲电流来提取局放信息。局部放电检测平台由局放监测仪、高频电流互感器、环网柜三相铠装电缆、数据采集卡以及装有虚拟仪器系统的计算机组成。其中，DPD-2003C数字局放监测仪检测到的放电量作为电缆局放发生与否的判断依据。该仪器应用脉冲电流法，通过控制台调节高压电缆两端的测试电压，经无局放耦合电容和检测阻抗提取局放信息并送至局放检测仪显示放电量。本文选取ADLINK公司的PCI-9820作为数据采集卡，该采集卡采样率可达65 MS/s，支持32位3.3 V或5 V外设部件互连(peripheral components interconnect,PCI)总线，板卡内存高达512 MB。电缆局部放电检测平台硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件框图

由于局部放电信号是瞬态信号，发生时间极短，具有较高的频带[3]，因此在电磁耦合法中，一般选用高频带电流互感器。将电流互感器接在电缆屏蔽层的接地线上，当被测电流流经时，周围会产生瞬变磁场。该磁场会在传感器线圈中产生与被测电流变化率成正比的感应电动势，此时只需在线圈外加一个积分电阻即可反映真实的局部放电脉冲信号[4]。电流互感器等效电路如图2所示。

图2 电流互感器等效电路

图2中：Ls为线圈自感；Rs为线圈等效电阻；Cs为杂散电容；R为积分电阻。

通过选取合适的磁芯材料、线圈匝数与积分电阻，可以提高传感器的工作带宽与灵敏度。基于局放信号特点，本文选取一款特制的穿芯式罗氏线圈电流互感器。该互感器带宽达20 MHz，可在-55～85 ℃之间工作，操作简单，符合试验要求。

1.2 SF6泄漏与温度检测装置

SF6泄漏与温度检测装置电气连接图如图3所示。

图3 装置电气连接图

该装置以STM32单片机为核心，对SF6泄漏浓度及柜内环境温度进行监测，并显示当前SF6泄漏浓度及柜内环境温度值。同时设定SF6与温度报警极限，若SF6发生泄漏或温度值超限，实现声光报警。该装置利用RS- 485完成串口通信，实现上位机远程监控。

1.2.1 SF6检测传感器

试验选用非红外分光(NDIR)型SF6检测传感器。检测原理基于Lambert-beer定律，当红外光照射SF6时，气体会吸收特定波长的红外光，被吸收的红外光能量与气体浓度有关，因而通过测定红外光吸收能量可以反应SF6气体的浓度值[5-6]。SF6探测器核心装置结构如图4所示。

图4 NDIR型SF6探测器核心装置结构

由图4可以看出，红外探测器由两个通道构成：SF6气体通道、参比通道。在SF6气体通道上安装有SF6滤波片，只有能被SF6气体吸收的3.4 nm的红外光才可以通过。当气体分子扩散到气室中时，红外光吸收SF6气体，因而到达SF6气体通道的能量降低，而参比通道不变。

根据Lambert-beer公式，有：

I=I0eKP

(1)

式中：I为照射到探测器的光强度的测量信号；I0为SF6浓度等于0 μL/L时的测量信号；K为系统常数；P为SF6的浓度。已知I、I0，可以计算出SF6气体泄漏浓度。

1.2.2 信号调理电路

由于红外探测器输出为毫伏级的信号，微处理器无法对其进行采样，因此必须对信号进行调理。信号经调理电路放大、滤波、A/D转换后送至STM32单片机进行信号采样、运算。信号放大电路如图5所示。

图5 信号放大电路

按照图5所示放大电路，将SF6气体通道的输出信号与参比通道的输出信号进行比例放大，输出信号送至差分放大电路，用于计算信号差值，以判别气室中是否存在SF6气体。最终经单片机采样后的SF6气体浓度输出范围为0～1 000 μL/L。

1.2.3 温度检测传感器

由于系统对环网柜内各区域环境温度检测精度及分辨率要求不高，通过对比热电阻、热点偶与各类模拟数字式温度传感器，最终选用数字式温度传感器DS18B20作为温度检测传感器。

DS18B20只需一根总线连接，具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强的特点，适用于工厂、车间等复杂的环境中[7]。

1.2.4 人机交互部分

人机交互由4个部分组成：键盘控制、液晶显示、数据通信、超限报警。

① 键盘控制部分由3个独立按键构成，分别为设定键、递加键、递减键。通过输入不同的按键信号完成报警值的控制，同时设定键也用于关闭报警信号。

② 液晶显示部分选用128×64点阵式的汉字图形显示模块，内置128个字符及64×256点阵RAM[8]。液晶显示分为3个页面：当前浓度及温度值页面、当前设定页面、报警状态页面。当前浓度及温度值页面包括当前SF6泄漏浓度(0～1 000 μL/L)、柜内温度值(-55～125 ℃)的显示；当前设定界面用于设定SF6与温度报警值；当前报警页面包括当前系统运行时间及当前系统状态显示。

③ 数据通信部分选用RS- 485串行通信形式。RS- 485接口具有良好的抗干扰能力，被用于本装置长线路通信中。RS- 485是一种半双工的串口通信方式，最高传输速率为10 Mbit/s，考虑到STM32单片机需要与上位机通信，最高速率只能达到115 200 bit/s，因此本文选择的传输速率为9 600 bit/s。RS- 485没有国际标准接口标准，可采用连线端子或者DB-9、DB-25等连接器，本文选用DB-9连接器。

④ 声光报警部分选用蜂鸣器与发光二极管。当SF6发生泄漏或温度值超限时，在STM32单片机的控制下，蜂鸣器与报警灯会发出同频率报警信号。

2 系统软件设计

系统软件分为3部分，分别为电缆局部放电检测模块、SF6泄漏监测模块、环网柜内各区域环境温度监测模块。

系统软件框图如图6所示。

图6 系统软件框图

其中，后台监控单元专指上位机部分，用于局部放电信号采集、显示及数据存储，SF6浓度值以及柜内温度值显示，数据通信，各模块参数设置以及故障诊断与报警。下位机单元专指STM32单片机，主要用于SF6、温度值的采集、超限报警以及与上位机单元的通信。

2.1 上位机软件开发

上位机软件系统包括电缆局部放电检测、SF6泄漏监测、柜内环境温度监测3个部分。上位机软件系统利用NI LabVIEW2011软件编程，按系统功能划分，可分为电缆局放信号采集模块、波形显示和存储模块、SF6浓度显示、温度值显示、故障报警等。

STM32单片机与上位机通过串口完成通信功能。在LabVIEW中，实现串口的驱动主要借助于VISA驱动程序。串口通信步骤如下。

① LabVIEW通过“VISA配置串口”控件配置串口的波特率、数据比特、停止位、奇偶校验等，相应的配置与STM32下位机一致；

② 通过“VISA打开”控件打开VISA资源；

③ 通过“VISA写入”控件将缓存区的数据写入到VISA资源名称中，即将串口数据发送给STM32单片机，写入数据以16进制显示；

④ 通过“VISA读取”控件读出缓存区数据，即将STM32单片机数据发送给LabVIEW；

⑤ 程序运行结束后，通过“VISA关闭”控件关闭指定的串口，解除LabVIEW对资源的占用。

本文中，单片机与上位机的通信协议为：LabVIEW向STM32发送0x7a，STM32收到后，开始进行连续的数据采集。如果LabVIEW向STM32发送0x88，STM32收到后即停止数据采集。

2.2 下位机软件开发

环网柜内温度检测系统下位机以STM32单片机为核心，实现柜内温度采集、SF6浓度采集、键盘控制、显示、超限报警、上位机通信等。相应的软件流程如图7和图8所示。

图7 SF6泄漏检测软件流程图

图8 环网柜内温度检测软件流程图

3 试验结果分析

试验中，设定电缆局放信号采集系统采样频率为60 MHz,采样时间为0.04 s。通过分析电缆在无局放和有局放情况下的频谱特征来提取特征量，判别局放的发生。无局放时和有局放时信号时域、功率谱图如图9、图10所示。

对比图9和图10可知，相对于无局放情况，当电缆发生局放时，信号功率谱曲线发生显著变化，在频率为8～12 MHz处尤为明显。

本文采用8～12 MHz局放信号归一化的功率谱面积作为特征向量，利用Matlab 7.1的BP神经网络[9-11]工具箱，采用单层隐含层(包括1个输入节点，20个隐含节点，1个输出节点)进行网络训练和验证。设定局放仪显示的50 pC局放量为阈值，小于50 pC的电磁耦合数据为无局放样本，记为0；大于50 pC的电磁耦合数据为有局放样本，记为1。将试验获得的80组数据分成两部分，其中50组作为训练样本，30组作为预测样本。BP神经网络识别效果如图11所示。

图9 无局放的时、频信号曲线

图10 有局放的时、频信号曲线

图11 电缆局放故障识别效果图

由图11可知，采用训练好的BP神经网络对局放电进行识别，正确率达到100%,能够有效区分电缆局放的发生。

4 结束语

本文设计了一种户外环网柜多参数检测装置，对

常见的环网柜故障进行检测，包括电缆局部放电的早期识别、SF6气体泄漏监测以及柜内环境温度监测。设计开发了电缆局部放电检测平台以及SF6气体泄漏与温度监测装置，测定了实时SF6泄漏浓度与柜内温度值，实现了键盘控制与故障报警功能。通过上位机与下位机的软件开发，可实现数据采集、存储及系统的远程监控，并通过BP神经网络算法，提取局部放电特征频带的功率谱面积作为特征量，对电缆局放信号进行了有效识别。

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