一种固体开关柜局部放电智能检测装置的设计

徐卫东，聂一雄，周文文，彭 丹

(广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006)

一种固体开关柜局部放电智能检测装置的设计

徐卫东，聂一雄，周文文，彭 丹

(广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006)

为实现对固体开关柜内部局部放电的在线监测，获取开关柜内部真实的局部放电量以及评估的绝缘状况，研制了一种固体开关柜局部放电在线检测装置。该装置利用超声波传感器和谐振电路采集发生局部放电时产生的高频信号，将高频信号转换成电压信号;再将电压信号经过数据预处理环节和模数转换后发送到STM32主控芯片；通过函数关系式对采集到的电信号数据进行换算，得到局部放电量的大小并实时显示在LCD屏幕上。若检测到的放电量大于某设定值就自动发出报警，提醒现场电力人员对其进行关注，防止因绝缘损坏导致发生重大电力事故。该装置具有操作简单、信号处理速度快、检测数据实时性高、费用低等特点，适合对中高压设备内部局部放电进行实时监测，方便运行人员对设备进行维保，确保设备的正常运行，对于提高供电可靠性具有重要意义。

局部放电； 在线检测； 嵌入式系统； 超声波信号； 谐振电路

0 引言

开关柜运行状态的好坏直接影响整个配网的供电可靠性。自2014年以来，全国发生因绝缘击穿而导致的故障共有56次，占开关柜故障总数的14.3%[1]，因此有必要对开关柜在带电运行状态下局部放电展开研究。目前，检测局部放电的方法有很多，包括红外成像法、脉冲电流法、超高频法等[2-8]，但大部分都无法在带电运行下进行检测，无法实时检测出开关柜内部整体的局部放电水平，因此有必要对其进行研究。本文采用STM32作为主控芯片，数据处理频率达72 MHz，能够采集到完整的局部放电信号，不会发生因采样速度不够造成局部放电信号漏掉的情况。由信号预处理模块、人机交互模块以及自动报警装置组成一套在线实时检测带电开关柜局部放电装置，实现在不停电的状态下能实时监测开关柜内部的局部放电量。

1 检测装置整体设计

开关柜内部的局部放电装置由谐振电路模块、超声波传感器模块、信号预处理模块、微处理器、电源、液晶显示单元、报警装置单元组成。检测装置整体框图如图1所示。

图1 检测装置整体框图

谐振电路接收局部放电产生的高频声信号[9]，将其转换为电信号，然后进行滤波、放大、A/D采样后，将信号送至微处理器。通过软件程序设计，滤除低于某一阈值的电信号，经过试验数据分析，干扰信号经放大后得到的电信号幅值大部分集中在0.8 V以下，即将0.8 V作为局部放电信号的门槛阈值。若放大后的电信号值超过了预设的阈值，则判定为有局部放电产生。该电信号值显示在当前值数据框内。将当前数据框内的局部放电量和历史最大数据进行对比，判断局部放电水平以及绝缘状况，同时报警器报警，并将记录的数据实时显示在液晶屏上。同样超声波传感器接收局部放电产生的超声波信号[10-12]，经过放大、混频、检波、滤波以及A/D采样后，将两种数据进行汇总对比[13-14]。如果两者同时采集到高频信号且值都超过了预设阈值，则表明确实发生了局部放电，否则就自动判定为干扰信号被自动过滤，局部放电结果也实时显示在LCD屏幕上[15]。电源部分包括超声波驱动模块和信号处理电路的电源。微处理器单元包括STM32最小系统以及必要的外围电路，液晶显示模块采用TFT图形液晶触摸显示模块。

由于开关柜内设备复杂、空间狭小，所以该检测装置要便于安装，对装置大小和形状都要进行合理的设计，使用耐火性能良好的塑料外壳。装置内部电路进行金属薄膜覆盖，起到很好的屏蔽作用，有益于抗干扰，最大限度提高检测数据的准确性。

2 硬件部分

2.1 信号预处理

2.1.1 超声波传感器

超声波传感器因其优越的压电效应，能直接将声音信号转换成电压信号。局部放电伴随着超声波信号的产生，通过选择与局部放电信号相接近频带范围的超声波传感器，就能检测出局部放电信号。在现场运用超声法检测开关柜绝缘状态时，根据测量对象的不同，采用不同频带的传感器可以有效增强开关柜局部放电检测数据的可靠性[16]。局部放电信号与局部放电所产生的超声波信号之间的联系，很难用函数关系来表示。但是针对在某种特定环境条件下的局部放电，可以用超声波信号的幅值、频率等特征来描述局部放电的特性。

局部放电信号与超声波信号如图2所示。

图2 局部放电信号与超声波信号

2.1.2 谐振耦合电路

由于超声波传感器在信号采集过程中会接收到所有频率带宽的信号，也夹杂着大量的噪声信号，所以就需要采用谐振耦合电路对采集到的信号进行进一步分析。根据局部放电信号特征，一般局部放电发生时产生的高频信号频率为100～500 kHz[17]。因此，在谐振上选用300 kHz的谐振频率作为中心接收频率，将谐振采集到的频率与超声波采集到的频率进行对比分析，就能获取真实的局部放电信号，可以有效避免背景噪声干扰造成信号采集不准确导致的结果误差，最大程度地保证了局部放电信号采集的准确性。

2.2 信号滤波与放大

2.2.1 信号滤波

由于局部放电信号的响应频率为40～500 kHz，因此，理论上应该设计一个带通为40～500 kHz的带通滤波器，以保证滤除不在局部放电信号频段的信号。为便于设计符合要求的带通滤波器，将高通的截止频率设在10 kHz左右，低通的截止频率设为500 kHz，最大限度地滤除来自低频及高频耦合数字部分信号[18]。以本装置中用到的运放INA118为例，带通滤波器电路图、带通滤波谱图分别如图3、图4所示。

图3 带通滤波电路图

图4 带通滤波谱图

带通滤波器由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成，局部放电信号频率范围为10～500 kHz，所以根据低通和高通截止频率计算公式，可以计算各个电路元件的阻值。低通和导通截止频率计算公式如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式中：f0为低通截止频率；fp为高通截止频率;C1、C2、C4、C5为电容值；R1、R2、R4、R5、R6为电阻值。

从仿真谱图来看，设计的带通滤波器电路能够满足局部放电信号的过滤使用。

2.2.2 放大电路

采用INA118运放芯片，将滤波过后的原始局部放电信号进行放大。INA118内部自带保护电路，信号放大倍数由外部可调增益电阻进行控制。INA118具有精度高、功耗低、等优点[15]，常用在对微小信号进行放大。整个放大模块内部由三个运算放大器组成差分放大。通过调节外部增益电阻，可实现增益1～1 000 dB自由调节，运用范围十分广泛。运放电路如图5所示。

图5 运放电路图

从图5可知，增益电阻R1接在1、8管脚之间，2、3管脚接信号输入，6管脚接输出。根据原始信号和输出信号进行比较，确定增益倍数为10，满足检测需求。增益电阻公式为R=50 kΩ/(G-1)，调节阻值旋钮即可实现对微弱信号的特定倍数的放大。

2.3 局部放电信号模数转换

数据A/D转换模块采用ADC0801。它的采样频率为20 MHz，12位数据处理能力，精度为1/4 096 ，具有高信噪比和低功耗特点。采用转换模块对接收到的模拟信号进行数据处理。STM32主芯片负责驱动高精度采样电路，ADC0801转换芯片在正常工作时功耗仅300 mW左右。ADC0801对模拟输入信号电压值要求不高，十分适合用来作为原始局部放电信号模数转换使用。

ADC0801具有单极性和双极性[18]两种工作模式。由于本文不需要额外参考电压，所以单极性工作模式即可满足要求。该芯片需要外部提供+3.3 V参考源，一方面作为参考电压值，另一方面同时为芯片供电。由于ADC0801对输入信号的电压值要求不高，其量程FSR由参考电压值UREF与SEL引脚之间的分压电阻R1、R2决定，其关系如式(3)所示:

(3)

式中：R1为5 kΩ；R2为10 kΩ。

输入模拟电压值最大不超过电源电压+3.3V，可以得到ADC输出数字量转换成的电压值如式(4)所示：

(4)

式中：D为ADC进行模数转换后输出的数字量；FSR为模拟输入的最大量程；N为ADC转换芯片的位数。

3 软件部分

3.1 STM32程序

STM32作为整个装置中核心处理器，主要负责控制A/D采集超声波传感器和谐振电路信号，并将其存储在SRAM中，以及将存储的数据进行提取。将数据通过内部函数转换成局部放电信号显示，显示屏通过SPI数据接口和主控芯片进行连接，大大加强了对数据处理的能力，加快了数据处理速度。A/D模块采用12位的转换芯片通过IIC协议将模拟信号数据转换成数字信号，数字精度达到1/4 096，避免了因局部放电发生时间太短，造成采样数据的丢失和遗漏。采用IIC数据总线进行数据的传输，有助于提高系统的响应速度。

3.2 软件系统设计

局部放电检测装置是在ARM系统框架内采用STM32芯片作为处理器将对数据进行实时处理，软件程序是在KEIL5中进行编写，最后通过串口将编译好的程序下载到局部放电检测装置中。软件程序可根据实际需要能进行更新替换，有利于对装置功能进行后续的补充。软件系统处理流程如图6所示。

图6 软件系统处理流程图

系统从启动电源开始，首先给装置供电，主控芯片以及其他传感器上电后，开始采集数据，将谐振电路以及超声波传感器采集到的局部放电高频信号送入信号处理环节，包括：滤波、信号放大等，然后将局部放电信号进行模数转换。每一次采集到的模拟信号转换成一组数字量，作为一组局部放电值进入下一阶段数据换算。如果数据处理未完成，则需要重新进入信号处理环节，直至数据处理完成。将采集到的电信号通过函数拟合得出电信号与局部放电量之间的关系式，最后将换算后的局部放电量进行显示，同时判断局部放电量是否超过预设阈值。如果未超过，则不触发报警装置；如果超过预设值，则自动触发报警装置，以便提醒相关维护人员进行现场维护。

3.3 人机交互界面

为了更好地将检测结果实时显示，采用TFT液晶显示屏以及自动报警电路的设计。该界面有两个数据框，一个是历史最大值数据框，另一个是实时显示数据框。通过历史最大值、局部放电值与实时检测到的局部放电值进行对比，可以用来判断开关柜内部局部放电严重程度。如果历史值不断被实时值所替换，则说明局部放电程度越来越严重。如果实时局部放电值低于历史最大值，则说明局部放电水平维持现状，不需要停电检修，同时根据软件编写相应程序。当检测到的局部放电值大于预设阈值自动触发蜂鸣器报警电路，提醒工作人员注意观察，及时掌握开关柜内部局部放电水平。

4 结果校验及运用

由于局部放电检测装置直接获取的是电压量，并不能直接显示局部放电量大小，所以需要将电压值和局部放电量进行相互校验，步骤如下。①首先将局部放电装置传感器和标准局部放电仪探头放置同一位置，以保证测得原始局部放电信号的准确性。②记录局部放电检测装置测得的实时电压值和标准局部放电仪测得的实时局部放电量，通过进行多组试验得到不同电压值和局部放电量之间的一一对应关系。③利用多项式拟合函数进行拟合处理，得出电压和局部放电量之间的关系式。④将原始数据与局部放电数据进行函数拟合，以便对局部放电装置原始参数进行调整，完成局部放电装置的校验过程。

采用校验完成的局部放电检测装置去测量开关柜内部的局部放电，可以实时显示检测到的局部放电量。校验过程中采用的局部放电仪型号为局部放电仪型号为WDJFY-2009，能实时显示局部放电量。将校验完成的局部放电检测装置对局部放电进行检测。为验证局部放电装置测量结果的准确性，故采用电火花作为局部放电信号对其进行验证。

该局部放电装置能准确测出局部放电量大小，由于局部放电是随机现象，所以检测得出的数据变化很大，但作为一种能实时检测局部放电量水平的装置已经能够满足现场需求。通过历史数据最大值和实时值进行比较，也容易了解固体开关柜内部局部放电程度大小。根据设定的不同阈值可以实现自动报警功能，这大大减少了现场维保人员的工作量。维保人员只需间隔一段时间记录一次局部放电值，就能评估开关柜内部局部放电状况，在不断电的情况就能完成对局部放电的检测工作，有利于提高供电可靠性。

5 结束语

本装置通过采用超声波和谐振电路联合检测的方法，完成了对开关柜内部的局部放电检测。两种方法取长补短，不仅保证了检测数据的可靠性，而且在不断电的情况下就能完成局部放电检测。经过反复检测结果表明，本装置具有良好的实用性与稳定性，可以快速有效地完成局部放电检测工作。相较于现有局部放电检测方法，该装置具有在设备不用断电的情况下就能在线监测局部放电量的水平，虽在测量精度上还有改进空间，但能够满足现场实际需求。通过当前值数据和历史最大数据进行对比，可以反映放电强度以及判断局部放电严重程度的趋势。同时该装置还具有动作时间快、抗干扰能力强、费用低等优点，无需消耗较多的人力、物力，安装方便；能及时发现开关柜内潜在的绝缘安全隐患，确保开关柜持续、安全、有效地运行，提高供电可靠性。

[1] 陈荭,宋运平,罗传胜,等.高频法在开关柜局部放电检测中的应用[J].广西电力,2015(6)：60-63.

[2] 张灿华.基于特高频、超声波、TEV局部放电检测技术的应用及研究[D].济南：山东大学，2015.

[3] 李军浩,韩旭涛,刘泽辉,等.电气设备局部放电检测技术述评[J].高电压技术,2015(8)：2583-2601.

[4] 刘云鹏,王剑,赵涛.冲击电压下典型局部放电信号的光电检测系统[J].电测与仪表,2015(12)：8-72.

[5] 孙强,董明,任重,等.现场用GIS冲击耐压试验及局部放电检测装置设计[J].高电压技术,2012(3)：39-644.

[6] 卞超,陈少波.基于脉冲电流波形的GIS局部放电检测抗干扰技术研究[J].高压电器,2010(5)：30-33.

[7] 郗晓光,王浩鸣,李旭,等.一种交联聚乙烯电缆局部放电检测装置的研制[J].供用电,2015(6):66-69.

[8] 任明,彭华东,陈晓清,等.采用暂态对地电压法综合检测开关柜局部放电[J].高电压技术，2010(10)：2460-2466.

[9] 许逵,马晓红,赵立进,等.超声波局部放电检测装置的检测及校验[J].电测与仪表,2014(23)：83-87.

[10]杨宁,阎春雨,毕建刚,等.超声波局部放电检测仪校验方法研究及应用[J].电测与仪表,2014(22)：104-109.

[11]贾志杰,陈少卿,陈洪波,等.超声波局部放电检测在GIS耐压试验的应用[J].中国电力，2013(12)：29-32.

[12]律方成,李海德,王子建,等.基于TEV与超声波的开关柜局部放电检测及定位研究[J].电测与仪表，2013(11)：73-78.

[13]李晓峰,刘振,庞先海,等.特高频局部放电检测技术在GIS设备上的典型应用[J].高压电器，2013(7)：100-103.

[14]甘德刚,刘凡,肖伟.融合超高频及脉冲电流法的局部放电监测系统[J].电力自动化设备，2013(3)：162-165.

[15]周彦,卢慧清,周辉,等.基于内嵌式开关柜局部放电监测技术的应用研究[J].华东电力，2012(12)：2295-2298.

[16]陆忠,朱卫东,陈桂文,等.多种局部放电检测手段诊断开关柜放电缺陷[J].高压电器，2012(6)：94-98.

[17]王万宝,李永宁,周迎新,等.GIS超声波局部放电检测技术的应用分析[J].电气技术，2012(2)：49-52.

[18]董化新,孙大为.GIS设备局部放电检测装置的研制[J].黑龙江电力,2008(6)：433-435.

DesignoftheIntelligentDetectingDeviceforPartialDischargeofSolidSwitchgear

XU Weidong，NIE Yixiong，ZHOU Wenwen，PENG Dan

(School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

In order to realize the on-line monitoring of the partial discharge (PD) inside the solid switchgear,and obtain the real local discharge quantity in the switchgear and to evaluate the insulation condition,an online partial discharge detection device for the solid switchgear is developed.By adopting the ultrasonic sensor and the resonant circuit,the device collects the high frequency signals generates when partial discharge occurs,then the high frequency signal is converted to the voltage signal,and the voltage signal is sent to the STM32 master control chip through the data pre-processing and analog-to-digital conversion.The electrical signal data collected are converted to the partial discharge quantity through the function of the relationship,and finally the amount of the PD value is displayed in real-time on the LCD screen.If the detected PD value is greater than a set value,an alarm will be automatically sent to alert operator to pay attention for preventing power accidents caused by insulation damage.The device features many advantages of simple operation,fast speed signal processing,good real-time performance and low cost.It is suitable for real-time monitoring of the local discharge in the middle and high voltage equipment,so as to facilitate the operation and maintenance of the equipment to ensure the normal operation of equipment.It has a great significance for improving the reliability of power supply.

Partial discharge; Online monitoring; Embedded system; Ultrasonic signal; Resonant circuit

TH-39;TP216

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709017

修改稿收到日期:2017-04-01

东莞市科技局产学研合作基金资助项目(2015509132215)

徐卫东(1992—)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为电能质量在线监测技术。E-mail：1195344277@qq.com。 聂一雄(通信作者)，男，博士，副教授，主要研究方向为电能质量分析和控制技术。E-mail：3162362831@qq.com。