复合绝缘子缺陷微波全息检测系统的设计研究

2018-12-27南方电网玉溪供电局

电力设备管理 2018年12期

南方电网玉溪供电局徐鹏

1 复合绝缘子缺陷微波全息检测系统设计研究的重要意义

自80年代起复合绝缘子开始被大规模应用于外绝缘系统中，90年代其应用数量更是飞速增长。复合绝缘子缺陷微波全息检测系统的设计研究，能有效的对支柱绝缘子进行无损检测，避免由于支柱绝缘子缺陷引发事故发生。对支柱绝缘子进行无损检测，能避免缺陷支柱绝缘子带病运行，消除安全隐患，减少停电时间，提高供电可靠性。

2 复合绝缘子缺陷微波全息检测系统硬件部分研制

复合绝缘子缺陷微波全息检测装置主要由几部分构成：微波定位装置，微波反射端，前置放大器，数据采集装置，电源及同轴电缆附件。其中定位装置在改进前采用定向接收装置，它在短距离内能够保障微波全息定位接收精度，但同时也使得它在远距离测量信号幅值过小，容易淹没在背景噪声之间。改进前系统各硬件部件连接图如图1所示。

图1 硬件部分连接图

该检测系统的微波接收定位部分接收由穿透待检测的绝缘子发射回的微波信号，采集到的微弱微波信号进入超高频信号采集系统进行信号放大，并将微波信号转化为易测量的电流信号，微弱电流信号通过信号调理单元，包括信号滤波、放大处理后，最后转化为数据采集卡可采集的合适的电压信号，电压信号在PC中通过系统软件的分析、处理、判断，从而达到在线检测绝缘子缺陷放电的目的。

2.1 微波电信号增益装置

普通微波电信号增益装置的微波谱响应曲线如图2所示。它由外部5V左右的电源供电。微波电流增益通过外部接入的电压控制单元进行控制，作为微波电流增益电压，其调节范围为0～1.25V。

图2 微波电信号增益装置的微波谱响应曲线

2.2 前置放大器

微波电信号增益装置接收到缺陷微波全息微波后响应输出的微波电流信号应该是一种脉冲信号的，而且是一种快速传输的脉冲信号，PMT输出的电流信号频谱绝大部分集中在信号低频部分。

在选择合适放大器时，首先对微波电流脉冲信号进行理想的低通滤波处理，同时考虑到输出的信号脉冲间隔都比较长，一般都达到5μs以上，因此200kHz以上带宽的放大器都是考虑的范围。通过对信号滤波仿真分析可知，对于20MHz的信号滤波器，由于带宽高，能很好还原信号特征；而对于500kHz滤波器，将会损失信号能量（500kHz大概只有20MHz能量的1/10）。为了使得采集卡能够达到实时采集，综合考虑后，系统选择带宽为500kHz的放大器。

该放大器输入、输出阻抗均为50，连接引线采用50射频同轴电缆。工作模式主要有两种：低噪声和高速度，各有7个档位。放大器最终的各项具体性能指标见表1。

2.3 数据采集设备

在系统改进以前，数据采集设备为NI公司基于PCMCIA接口的5102数据采集卡，由于PCMCIA接口自身数据传输速度的限制，使得数据采集时主要存在以下两个方面的问题：

采集卡的数据传输速率有限。实时采集所需要的接口传输速率远大于接口能够提供的数据传输能力。传输速率的局限性使得软件系统的数据采集并不是真正的实时采集，只是使用了一种模拟实时采集的方法，整周期的采集放电波形然后将采到的数据拼接起来，并不考虑放电时间间隔的数据，而是利用该间隔时间去存储脉冲数据。

计算机的内存有限。从采集卡内读取的数据必须首先放到内存里去，后期处理数据也要在内存中完成。如果把所有采集来的数据都存储在内存里，后期的处理将会很方便。在采集数据、读取原始数据或是后期分析处理时，均采用按照工频周期的时间长度来部分存储和读取的方式。

重新选用的数据采集卡具有100MHz的带宽，100MS/s的实时采样率、即96MB/s的实时采样率，并基于高速度的PCI接口，PCI最高的数据传输率可以达到133MB/s，因此完全满足实时采集及传送功能，该数据采集卡的性能指标如表2。

表2 PCI-5112数据采集卡性能指标

2.4 数字示波表

考虑到现场条件的限制以及操作人员的特点，远程缺陷微波全息检测仪的显示装置不可能采用工控机或者笔记本PC，主要需要考虑两个方面：方便操作，功能完整；便携性。对于每个绝缘子都采用详细的数据来分析是需要很多时间的，也是没有必要的，采用手持式示波器来检验绝缘子是否有缺陷放电产生完全能够满足辨别劣质绝缘子的要求。对于检测出产生缺陷的复合绝缘子可以采用数据采集卡以及软件程序对它进行详细分析。综合考虑系统集成和便携性，选用Fluke生产的手持数字万用示波表Fluke123/124，实时观测放电波形，方便现场监测。

2.5 微波定位装置

系统改进以前，远程缺陷微波全息检测仪的微波定位装置为一个微波发射接收装置，该装置在短距离内（20m）能够保证定位测量的精确度。在实验室中进行绝缘子缺陷检测时，由于测量距离一般在20cm以内，因此使用该装置能够保证其测量精度。

表1 电流放大器的性能指标

3 复合绝缘子缺陷微波全息检测系统软件部分设计与改进

基于计算机和数据采集卡构成的硬件平台，系统采用LabVIEW图形化编程语言开发了系统软件，整个软件采用模块化结构。从软件的执行过程来看，软件系统可以分为系统初始化、数据采集、分析计算、显示和输出结果四个部分；从系统的功能模块划分，软件系统可以分为系统初始化、系统参数设置、系统控制、数据采集、数据预处理、计算放电参数、显示放电波形、保存测量结果、打印结果和查看历史数据10个模块。软件提供离线分析和在线检测，可进行实时微波电流信号的处理、存储、显示和分析，最终软件给出采集到的脉冲的极值和其分布等分析结果。整个系统的软件处理模块如图3所示。整个程序框架采用Windows程序常用的消息驱动模式，能够根据用户的需求从图中三个不同的起点开始工作，得到所需的结果。

图3 系统软件基本模块图

根据软件体系结构图，分别对各部分的功能进行软件设计，可归结为三大模块的设计，即数据采集模块、数据分析处理模块和数据库模块。在硬件条件不变的情况下，可以通过软件模块的修改和增加来完善系统原有的功能，扩充和增加新的功能。

3.1 数据采集模块

程序接收到采集命令后开始初始化有关采集的变量，设置采集卡的采样率、采集的时间段、缓存大小、门槛阈值等。设置结束后，程序检测采集卡的内部触发信号，采集正式开始。程序还需要检查采集的数据是否已经达到缓存的上限，并随时将缓存中的数据送出，采集后的数据经门槛滤波和峰值保持后送入数据库保存。数据采集模块流程图如图4所示。由于计算机内存是有限的，程序不能把所有采集的数据都实时进行存贮，而只能采用内触发方式，对所有采集的信息中进行脉冲提取，只采集脉冲波形。

图4 数据采集流程图

3.2 数据分析处理模块

数据分析处理模块是软件系统中的重要部分，已完成的功能如下：统计某一时间段内放电的最大幅值以及脉冲的平均幅值；统计某一时间段内超过某个阈值的放电次数以及总脉冲放电时间；计算并显示某一时间段内放电幅值和放电次数间的对应关系；显示某次放电的波形；相邻脉冲放电时间间隔显示分析。

数据处理模块中最重要的一个功能是放电脉冲幅值与放电次数统计，它采用软件峰值保持加以实现。软件峰值保持模拟了硬件峰值保持的原理，并且大大简化了电路。虽然峰值保持丢失了一部分放电信息，但通过合理划分时间段，完全可以满足测量的需要。软件系统为用户提供了修改时间段的权限，可以满足不同测试的要求。放电脉冲幅值与放电次数的软件流程如图5所示。

数据处理分析模块中还有一个重要的功能是，能对相邻脉冲之间的时间间隔进行统计分析，从而能够判断一次放电是双极性脉冲还是单极性脉冲。

图5 放电脉冲幅值与放电次数的软件流程图

程序界面如图6所示，横轴代表相邻脉冲出现的时间，纵轴代表该时间内脉冲统计个数。因为每次峰值时，都将出现脉冲群（脉冲群可能只含有几个脉冲，也可能含大量脉冲），所以绝大部分相邻脉冲的时间间隔为0ms附近，但是由一个脉冲群转移到下一个脉冲群时，其脉冲间隔将会出现以下两种情况：如果下一个脉冲群的极性和前一个相同，即只存在单极性脉冲，那么相邻脉冲群间隔为工频周期20ms或20ms的整数倍附近，如图6（a）所示；如果下一个脉冲群的极性和前一个不同，即正负极性缺陷都出现，那么将会有很多脉冲相邻间隔出现在10ms或10ms的整数倍附近，如图6（b）所示。