开关柜局部放电检测仪器的设计

陈斯琦，陈忠辉，黎金城

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州350116)

开关柜局部放电检测仪器的设计

陈斯琦，陈忠辉，黎金城

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州350116)

根据国家电网公司颁布的以地电波检测作为开关柜带电检测手段的相关规定，提出了一种基于ARM9平台的便携式开关柜局部放电检测仪。该仪器采用峰值检测电路对局部放电信号进行特征参数提取，避免了传统上采用 A/D 采样后产生的庞大数据量，方便手持系统更好地对这些数据进行实时处理。

开关柜；局部放电；峰值检测；暂态对地电压

0 引言

图1 系统总体结构框图

目前，10 kV、35 kV开关柜已经广泛应用于配电网，主要作用是对线路、设备进行控制和保护。在配电网中，开关柜长期运行于高温、高压、潮湿等恶劣的环境下，其绝缘性很容易遭到损坏，进而引发局部放电。如果任其发展最终会导致绝缘丧失介电性能，造成严重事故，破坏电力系统的稳定性。根据北京电力公司对2013年～2014年的配网开关柜故障次数的统计分析，由局部放电产生的故障次数在开关柜缺陷总次数中占第二位[1]。因此对开关柜的绝缘性能进行带电检测，从而采取相应的预防措施是十分必要的。

开关柜发生局部放电时，电场能量会由于电势高低的缘故而向接地点相邻的接地金属部位聚集，这样就会在设备表面上形成对地电流[2]。由于放电的间断性，这种电流是不断变化的，根据法拉第电磁理论，变化的电流会产生磁场，电磁场在空间的传播就形成了电磁波。开关柜金属设备存在缝隙，局部放电产生的电磁波就会通过不连续处传到外表面，通过贴在金属箱体的电容器就能检测到暂态对地电压(TEV)[3]。局部放电的暂态对地电压检测法由于具有检测灵敏度高、对局部放电脉冲的变化速度比较敏感的特点，成为电力行业最主要的局部放电检测技术。

本文采用ARM9作为主控结构，通过地电波预处理模块与人机交互模块组成便携式局部放电在线检测系统。

1 系统总体设计方案

系统总体结构如图1所示。整个系统由信号预处理模块和人机交互模块构成。信号预处理模块包含传感器、放大器、滤波器和峰值检波器。传感器耦合开关柜表面的地电波，经滤波器滤除噪声，放大器提高信噪比后输入到峰值检波器检测地电波的峰值。人机交互模块中ARM2440开发平台根据写入的应用程序将预处理模块采集的数据存储和处理并以时域图的形式在LCD上显示。用户可以通过触控模块对局部放电检测仪器的参数进行设置。

图4 放大电路原理图

2 预处理模块硬件电路

2.1 TEV传感器

开关柜内部局部放电产生的地电波总有部分能传到金属箱体外面。在金属箱体外壁，通过放置电容性的传感器就可检测到暂态对地电压信号[4]。容性传感器是在开关柜表面敷设薄铜片，作为金属电极，在该金属电极与开关柜柜体之间加入电容介质，形成一个电容C1，地电波信号可通过电容C1耦合到所设置的检测电容C2上。传感器原理电路如图2所示。

图2 传感器原理电路

2.2 滤波检测电路

开关柜所处环境充斥着各种噪声或干扰，为了能够有效耦合高频信号，避免站内其他信号的干扰，需要用滤波器对信号进行预处理[5]。滤波器的通带频率范围是10 MHz～60 MHz。

本文设计一个基于R、C元件的无源滤波器，其电路原理图如图3所示，C1为开关柜的金属外壁与传感器构成的等效电容，C2为滤波电容，C3为耦合电容，通过合理选择C2的值可获得相应的上限截止频率，合理设置R3、C3的值可获得适当的下限截止频率。

图3 滤波电路原理图

2.3 前置放大电路设计

地电波信号是高速脉冲信号，其瞬时电压值在几毫伏至几伏的范围内变化，因此，地电波信号的放大电路应该具有高带宽、较大的动态范围和放大倍数可调的特点。本文选用UA733芯片作为放大电路的核心芯片。该芯片是一个具有差分输入、差分输出的二级视频运算放大器，其内部的串联反馈电路使得其具有宽带宽、低失真度及放大倍数稳定等性能，射随的电路设计使其具有良好的输出性能，只需经过简单的连接电路就会有10 V/V～400 V/V稳定的增益，且不必进行频率补偿。放大器的电路原理如图4所示，放大器采用单端输入双端输出的接法，滤波电路输出的信号从放大芯片的负端输入，通过在放大芯片的引脚GAIN ADJ1A和GAIN ADJ 1B之间串接电阻，设置放大器的增益，放大增益为26 dB。为了满足运算放大器稳定静态工作点的需要，运放的正端通过串接51 Ω电阻后再接地，正端串接电阻。

2.4 峰值检测电路设计

本文设计一个可实现对地电波峰值电平提取的电路，该电路由地电波参考峰值电平产生电路和峰值比较电路组成。

根据EA Technology 公司制定的准则，地电波所感应出的暂态对地电压分为61个等级。测量的取值范围为0～60 dB，由式(1)可得到局部放电量的峰值的取值范围为1 mV～1 V。

(1)

地电波的参考峰值电平产生电路是通过将开发板输出的 PWM信号，经过单位增益二阶压控电压源低通滤波器来实现D/A转换，从而产生相应的峰值电平。ARM2440开发板有5个16位的定时器，其中0、1、2、3定时器都有一个外部输出引脚(GPB0～GPB3)，通过定时器可以控制引脚周期性地输出高低电平，能实现PWM功能。在设计有源滤波器时，考虑到便携式设备低功耗的要求，采用双路微功耗轨至轨输入和输出的运算放大器。峰值电平产生电路原理图如图5所示。

图5 峰值电平产生电路原理图

峰值比较电路主要由高速双路差分比较器与4路2输入正与非门集成芯片以及相应的R、C元器件组成。高速差分比较器具有传输时延低于12 ns、选通输入接口和输出接口均兼容TTL电路的特点。差分比较器的主要功能是将前置放大器的差分输出与峰值参考电平进行比较。与非门集成芯片主要是用于设计与非门RS触发器、锁存差分比较器的输出值，并将RS触发器的输出作为ARM2440的外部中断源EINT0。峰值比较电路的原理图如图6所示，图中差分比较器引入正反馈是为了提高信号转换速率，当输出信号增大时，通过正反馈网络，输入信号与比较信号的差将快速增大。TP9为参考电平输入口，电平从60 dB至0 dB不断递减变化，当检测到地电波的峰值时，峰值比较器的输出就通过锁存器使外部中断EINT0有效(低电平有效)，嵌入式处理器在收到中断后，读取此时的参考电平值，并在时域轴上进行绘制等操作。TP11输入口主要用于异步置“1”功能，当TP11为低电平时，RS触发器输出为高电平，使外部中断EINT0无效化，以便检测后续的峰值电平。

图6 峰值比较电路原理图

3 软件部分

3.1 基于PWM实现峰值电平

本设计采用ARM2440开发板的定时器0实现脉冲宽度调制，定时器0使用经过2分频的系统时钟PCLK作为时钟输入，每计数一次耗时0.02 μs。定时器使用3个16位的寄存器TCNTB、TCMPB和TCON来完成PWM功能。TCNTB是定时器缓存寄存器，其功能是存储定时器初始计数值，当递减计数器减为0时，定时器中断请求生成通知CPU定时器操作完成，此时相应地将TCNTB的值装载到递减计数器中继续下一个操作。TCMPB是定时器比较缓存寄存器，用于脉宽调制，当递减计数器的值与比较寄存器中的值匹配时，定时器控制逻辑改变输出电平。TCON是定时器控制寄存器，为实现连续的PWM输出，需要让定时器工作在自动重载模式，即当定时器计数器减为0时，定时器中断处理函数自动更新TCNTB和TCMPB。

TCNTB和TCMPB寄存器赋初值，要实现峰值电平，TCNTB和TCMPB寄存器的值需满足式(2):

(2)

定时器0初始化时经过以下步骤：

(1)TCON寄存器中人工装载位配置为1，TCNTB和TCMPB更新到内部计数器；

(2)TCON寄存器中自动重载位配置为1，从而实现连续的脉宽调制功能；

(3)TCON寄存器中输出反转位配置为1，脉冲以高电平开始；

(4)TCON寄存器置为启动位；

(5)TCON寄存器设置关闭人工装载，定时器开始启动。

经过以上配置后，将定时器0输出引脚PB0配置为PWM输出模式，就可以进行PWM输出。基于PWM的峰值电平程序流程图如图7所示。

图7 基于PWM的峰值电平程序流程图

3.2 嵌入式系统和图形用户界面的设计

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它以计算机技术为基础，以应用为中心。嵌入式相比通用计算机有很多优点，首先它结构精简、功能更加个性，其次嵌入式系统可以运行操作系统，同时具有功耗低、体积小的特点[6]。本项目采用以S3C2440为平台的开发板，开发板采用超小型设计，占用的空间非常小，并且采用双排1.27间距插针式的方式，这不仅引出了更多的CPU信号脚，而且能够确保在剧烈震动的工作环境下稳定运行，非常适用于网络终端、车载、检测等领域。

嵌入式系统应用软件的开发环境是由目标硬件开发板和宿主机(PC)所构成的。操作系统和应用软件是运行在开发板上的，而宿主机需要完成核心板所运行的操作系统内核的编译移植、应用程序的开发、调试等。在Ubuntu14.04平台下完成开发板的操作系统内核的编译移植。在QT/embedded平台上对应用程序进行编写和测试，最后根据ARM2440硬件平台，交叉编译嵌入式应用。应用软件功能框图如图8所示。

图8 应用软件功能框图

4 现场应用

在现场利用本套装置对开关柜进行局部放电检测，其结果如图9所示。系统使用绿灯、黄灯和红灯分别表示地

图9 局部放电测试图

电波峰值电平的3个电平范围(绿灯：0～19 dB，黄灯：20～27 dB，红灯：28～60 dB)。图9中矩形框里显示的是当前检测到的地电波的瞬时峰值。图9右下角显示与地电波信号相关的特征参数，“脉冲个数”表示测试周期内(2 s)的脉冲个数；“脉冲/周期”是工频下的周期脉冲数；“严重程度”表示短期局部放电严重程度，具体计算公式如式(3)。

短期严重程度=TEV幅值×每周期脉冲数

(3)

5 结论

本文对地电波检测系统进行了设计，提出了TEV传感器的结构，设计出采用峰值检波的地电波检测电路，并成功构建了一个地电波检测系统。经过对配电网中的开关柜进行现场反复测试，结果表明，本文设计的仪器具有良好的准确性与便携性，可以快速有效地检测出开关柜局部放电的严重程度。

[1] 黄诗敏.10 kV开关柜局部放电带电检测技术应用与仿真分析研究[D].北京:北京交通大学,2015.

[2] 雷志勇.局部放电检测技术在配电设备缺陷查找中的应用[J]. 中国新技术新产品,2011 (22):154.

[3] 骆洁艺.基于暂态地电压和超声波测试的10 kV开关柜绝缘状态评估技术的研究[D]. 广州:华南理工大学，2010.

[4] 叶培霖.基于地电波原理的开关柜局部放电检测与定位系统研究[D].广州:华南理工大学，2014.

[5] 金莹，贾志杰,陈轲娜，等.一种便携式开关柜局部放电检测仪器的设计[J].微型机与应用,2015，34(12):20-22，26.

[6] 杜冠.基于ARM的嵌入式Linux系统移植的研究与实现[D].武汉:华中科技大学,2006.

陈忠辉 (1961-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：通信系统与信号处理。

黎金城(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电子信息工程。

A design of partial discharge detection equipment for switchgear

Chen Siqi，Chen Zhonghui，Li Jincheng

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

According to the rules of employing Transient Earth Voltage(TEV) detection as a means of switchgear live detection released by State Grid, the paper provides a portable PD detection device that is based on ARM9-platforms. The device adopts peak value detection circuit to extract characteristic parameters of PD signal, the peak value detection circuit avoids high density data generated by traditionally using A/D sampling, so that hardware of the handheld system can better process the data in real-time.

switchgear; partial discharge; peak value detection; Transient Earth Volage (TEV)

TP274

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.013

陈斯琦，陈忠辉，黎金城.开关柜局部放电检测仪器的设计[J].微型机与应用，2017,36(9)：41-44，48.

2016-12-24)

陈斯琦(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：信号处理与传输。