摘  要： 為實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的帶電檢測并保證其檢測結(jié)果準確,，提出了一種將超聲波法（AE）與暫態(tài)對地電壓法（TEV）相結(jié)合的同步聯(lián)合檢測方法，并研制了檢測裝置,。該裝置前端采用12位的ADS805模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，主控部分采取FPGA+ARM的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理部分采用iMX257為核心,，不但提高了檢測系統(tǒng)的可靠性,，并且具有豐富的人機交互界面。

　　關(guān)鍵詞： 開關(guān)柜,；局部放電,；檢測；數(shù)據(jù)采集

0 引言

　　隨著電力設(shè)備技術(shù)的提高,，封閉式開關(guān)成套設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個變電站中,。然而，隨著設(shè)備裝用量的增加,，故障發(fā)生次數(shù)也呈上升趨勢,，一旦發(fā)生絕緣破壞等故障，造成的損失及修復(fù)時間遠比敞開式設(shè)備高得多,。以開關(guān)柜為例,，2005年~2010年，全國共發(fā)生各類開關(guān)柜絕緣故障56次,，占開關(guān)柜故障總數(shù)的14.3%,，因此在運行狀態(tài)下對高壓開關(guān)成套設(shè)備進行不停電檢測具有重大意義。

　　開關(guān)柜局部放電檢測方法主要包括超聲波法（AE）[1]和暫態(tài)對地電壓法（TEV）[2]等,。開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生局部放電時,，由于電場力的作用或壓力的作用，放電部位的氣體會發(fā)生膨脹或者收縮,，在這個過程中,，局部體積發(fā)生變化，這種變化在外部會產(chǎn)生疏密波即聲波[3],。通過檢測產(chǎn)生的超聲波信號來判定局部放電的方法即為超聲波法,。同樣，通過測量高頻電流經(jīng)過縫隙時產(chǎn)生的暫態(tài)對地電壓來判定局部放電的方法為暫態(tài)電壓法[4],。但是單獨采用一種方法往往無法準確反映開關(guān)柜內(nèi)的絕緣狀態(tài),，因此本文提出聯(lián)合AE與TEV等檢測手段，研制一套開關(guān)柜局部放電的檢測裝置,。

　　本文采用FPGA+ARM作為主控結(jié)構(gòu),，以Freescale的iMX257+Cyclone III EP3C10E144為其儀器硬件核心，通過連接信號調(diào)理模塊與人機交互模塊組成一套帶電局放檢測系統(tǒng),，實現(xiàn)不停電狀態(tài)下準確檢測開關(guān)柜內(nèi)部局部放電情況的功能,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)前端采用ADS805接收AE和TEV的傳感器[5]信號,，F(xiàn)PGA將信號采集并緩存至SDRAM中,，當收到ARM數(shù)據(jù)接收信號后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM（iMX257）中進行處理分析，處理完成后將結(jié)果顯示給用戶,。用戶通過USB端口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,，完成一個檢測過程。

2 硬件部分

　　2.1 信號調(diào)理

　　2.1.1 濾波器

　?。?）AE傳感器部分

　　在現(xiàn)場運用超聲法檢測開關(guān)柜絕緣狀態(tài)時,，由于超聲波在開關(guān)柜內(nèi)衰減較大，因此選用了頻段較低（40 kHz）的超聲傳感器,，加強了對可聽聲頻段信號的抑制,，這樣既避免了可聽頻段信號對局放信號的干擾又提高了檢測靈敏度，增強了開關(guān)柜絕緣狀態(tài)檢測的可靠性[6],。其信號調(diào)理電路中的濾波和放大電路原理圖如圖2,、圖3所示。

　?。?）TEV傳感器部分

　　對于TEV傳感器,，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行預(yù)處理,。一般認為10 MHz~60 MHz為主要檢測頻段。

　　本文設(shè)計了一個基于L,、C元件的4階巴特沃斯帶通濾波器,，因被檢的局放信號是脈沖信號，所以無需設(shè)置相位延遲和群延遲,。圖4為4階巴特沃斯帶通濾波器原理圖,，圖5為濾波器的幅頻響應(yīng)。其中50 Ω電阻符號均為輸入阻抗和輸出阻抗,。

　　該4階巴特沃斯濾波器實際制作時,，采用與后續(xù)檢波器和線纜驅(qū)動共板設(shè)計，采用FR4板材,，需要對高頻信號通道采用傳輸線方式設(shè)計PCB布線,，保證50 Ω阻抗匹配。濾波器具體的元件均采用高頻電容,、電感,，電容采用0403封裝,，電感采用0603封裝，以減少PCB尺寸,。經(jīng)過實測,，該濾波器插入損耗小于1 dB。

　　2.1.2 對數(shù)檢波器

　　由于傳感器檢測局部放電檢測信號動態(tài)范圍較大,，因此設(shè)計需求規(guī)定了傳感器的動態(tài)范圍要大于65 dB,；另外根據(jù)前述AE傳感器與TEV傳感器檢測頻段，檢波器工作頻段為40±1 kHz與10 MHz~60 MHz,。由于輸入信號動態(tài)范圍較大,，且工作頻段下限較低，因此傳感器信號調(diào)理電路對數(shù)檢波器部分選擇采用集成型對數(shù)檢波芯片AD8307為核心進行設(shè)計[7],。AD8307基于連續(xù)壓縮技術(shù),，具備6個放大限幅級，100 MHz時動態(tài)范圍高達88 dB,；工作頻段為DC~500 MHz,，誤差為1 dB；集成度高,，無需實質(zhì)與檢波相關(guān)的外部元件,，用其設(shè)計制作的對數(shù)檢波電路無需調(diào)試。

　　由于AD8307芯片INM和INP兩個引腳之間輸入阻抗為1.1 kΩ,，為了保證檢波電路輸入阻抗為50 Ω,，因此需要在前端并聯(lián)52.3 Ω的匹配電阻；檢波電路采用AC耦合方式[8],，采用了C1和C2兩個100 nF的電容進行信號耦合,。檢波電路圖如圖6所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

　　數(shù)據(jù)采集AD轉(zhuǎn)換器采用德州儀器公司推出的ADS805,，其電路圖如圖7所示,。它的采樣頻率為20 MHz，精度為12 bit,，具有68 dB的高信噪比和300 mW的低功耗功能,。數(shù)據(jù)采集及緩存控制由FPGA操作執(zhí)行。

　　數(shù)據(jù)處理采用Freescale的iMX257作為控制核心,，它以ARM926EJS為內(nèi)核,，主頻為400 MHz，外設(shè)接口豐富,，可以連接顯示屏,、鍵盤及觸控單元，并具有USB OTG功能,。

3 軟件部分

　　3.1 FPGA程序

　　FPGA負責控制AD采集AE和TEV傳感器的信號,，并將其存儲在SDRAM中,。當ARM需要對數(shù)據(jù)進行分析時，發(fā)出請求信號,，F(xiàn)PGA收到后將數(shù)據(jù)發(fā)到ARM處理,。FPGA有3個模塊，分別是數(shù)據(jù)的采集,、與ARM通信以及SDRAM的控制。為了讓數(shù)據(jù)采集速度更快,，本項目的SDRAM采用32位,，并且在FPGA設(shè)置了RAM作為數(shù)據(jù)緩存，以乒乓操作的方式控制數(shù)據(jù)流,，有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,。

　　3.2 ARM設(shè)計

　　ARM是負責數(shù)據(jù)處理的，具有耗電低,、功能強的特點,，局放數(shù)據(jù)的處理就是由其完成的。本項目的ARM嵌入式主板采用以ARM926EJS為核心的iMX257,，它尺寸小巧,，功耗低，適合用于運行環(huán)境惡劣,、無人值守,、連續(xù)工作的領(lǐng)域。此外,，該內(nèi)核豐富的接口類型,，滿足了項目的各種需求。

　　儀器采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),，在桌面Linux平臺下編寫虛擬儀表的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序,。采用QT／embedded設(shè)計虛擬儀表軟面板，使用QT的輕量級集成開發(fā)環(huán)境QT Creator完成開發(fā),，最后在桌面Linux平臺的開發(fā)環(huán)境中編譯生成可執(zhí)行二進制文件,，并將其移植到儀器嵌入式Linux系統(tǒng)中運行。軟件功能框圖如圖8所示,。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

　　在現(xiàn)場利用本套裝置對配電柜進行局部放電檢測,，其結(jié)果如圖9所示。

　　可以看到圖9（a）中放電幅度隨著相位的變化而發(fā)生了明顯的改變,，放電次數(shù)與相位呈現(xiàn)帶狀分布,，信號相位充分性高；脈沖信號幅值相位分布和脈沖數(shù)相位分布為雙峰型,，且兩峰間相位差為180°左右,。圖9（b）是PRPD圖,，反映了測試時相位、幅值和次數(shù)之間的關(guān)系,，可以看到此時PRPD圖譜顯示出了明顯的局部放電特征,。

5 結(jié)論

　　本裝置通過超聲波法和暫態(tài)對地電壓法的同步聯(lián)合檢測方式，完成了對開關(guān)柜內(nèi)部的局部放電檢測,，兩種方法取長補短,，不僅保證了檢測數(shù)據(jù)的可靠性，而且檢測速度大大提高,。經(jīng)過反復(fù)檢測,，結(jié)果表明，本裝置具有良好的準確性與穩(wěn)定性,，可以快速有效地完成局部放電的檢測,。

　　參考文獻

　　[1] 李燕青.超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2004.

　　[2] 任明,，彭華東,，陳曉清，等.采用暫態(tài)對地電壓法綜合檢測開關(guān)柜局部放電[J].高電壓技術(shù),，2010,，36（10）：2460-2466.

　　[3] 王成江，官云,，倪璐佳.影響聲發(fā)射法檢測氣隙放電因素的分析[J].電氣開關(guān),，2009，47（5）：80-82.

　　[4] 靳鍵云.開關(guān)柜局部放電暫態(tài)對地電壓檢測法的研究[J].山西電力,，2011（10）：10-12.

　　[5] 褚靜,，駱英，萬維,，等.超聲波檢測的AE傳感器設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,，2008，16（4）：464-467.

　　[6] 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.

　　[7] 單淑娟,，李明東，呂國豐.AD8307型對數(shù)放大器及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程,，2010,，18（1）：125-127.

　　[8] 付作峰.局放信號的高頻檢波電路設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.