摘 要： 為實現對開關柜內部局部放電的帶電檢測并保證其檢測結果準確，提出了一種將超聲波法（AE）與暫態對地電壓法（TEV）相結合的同步聯合檢測方法，并研制了檢測裝置。該裝置前端采用12位的ADS805模數轉換器，主控部分采取FPGA+ARM的結構來實現，數據處理部分采用iMX257為核心，不但提高了檢測系統的可靠性，并且具有豐富的人機交互界面。
關鍵詞： 開關柜；局部放電；檢測；數據采集
0 引言
隨著電力設備技術的提高，封閉式開關成套設備已經廣泛應用于電力系統的各個變電站中。然而，隨著設備裝用量的增加，故障發生次數也呈上升趨勢，一旦發生絕緣破壞等故障，造成的損失及修復時間遠比敞開式設備高得多。以開關柜為例，2005年~2010年，全國共發生各類開關柜絕緣故障56次，占開關柜故障總數的14.3%，因此在運行狀態下對高壓開關成套設備進行不停電檢測具有重大意義。
開關柜局部放電檢測方法主要包括超聲波法（AE）[1]和暫態對地電壓法（TEV）[2]等。開關柜內發生局部放電時，由于電場力的作用或壓力的作用，放電部位的氣體會發生膨脹或者收縮，在這個過程中，局部體積發生變化，這種變化在外部會產生疏密波即聲波[3]。通過檢測產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過縫隙時產生的暫態對地電壓來判定局部放電的方法為暫態電壓法[4]。但是單獨采用一種方法往往無法準確反映開關柜內的絕緣狀態，因此本文提出聯合AE與TEV等檢測手段，研制一套開關柜局部放電的檢測裝置。
本文采用FPGA+ARM作為主控結構，以Freescale的iMX257+Cyclone III EP3C10E144為其儀器硬件核心，通過連接信號調理模塊與人機交互模塊組成一套帶電局放檢測系統，實現不停電狀態下準確檢測開關柜內部局部放電情況的功能。
1 系統總體設計方案
系統總體結構如圖1所示。系統前端采用ADS805接收AE和TEV的傳感器[5]信號，FPGA將信號采集并緩存至SDRAM中，當收到ARM數據接收信號后將數據傳輸到ARM（iMX257）中進行處理分析，處理完成后將結果顯示給用戶。用戶通過USB端口將數據導出，完成一個檢測過程。
2 硬件部分
2.1 信號調理
2.1.1 濾波器
（1）AE傳感器部分
在現場運用超聲法檢測開關柜絕緣狀態時，由于超聲波在開關柜內衰減較大，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，增強了開關柜絕緣狀態檢測的可靠性[6]。其信號調理電路中的濾波和放大電路原理圖如圖2、圖3所示。
（2）TEV傳感器部分
對于TEV傳感器，為了能夠有效耦合高頻信號，避免站內其他信號的干擾，需要用濾波器對信號進行預處理。一般認為10 MHz~60 MHz為主要檢測頻段。
本文設計了一個基于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。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，采用與后續檢波器和線纜驅動共板設計，采用FR4板材，需要對高頻信號通道采用傳輸線方式設計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。經過實測，該濾波器插入損耗小于1 dB。
2.1.2 對數檢波器
由于傳感器檢測局部放電檢測信號動態范圍較大，因此設計需求規定了傳感器的動態范圍要大于65 dB；另外根據前述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。由于輸入信號動態范圍較大，且工作頻段下限較低，因此傳感器信號調理電路對數檢波器部分選擇采用集成型對數檢波芯片AD8307為核心進行設計[7]。AD8307基于連續壓縮技術，具備6個放大限幅級，100 MHz時動態范圍高達88 dB；工作頻段為DC~500 MHz，誤差為1 dB；集成度高，無需實質與檢波相關的外部元件，用其設計制作的對數檢波電路無需調試。
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 數據采集和處理
數據采集AD轉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。數據采集及緩存控制由FPGA操作執行。
數據處理采用Freescale的iMX257作為控制核心，它以ARM926EJS為內核，主頻為400 MHz，外設接口豐富，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需要對數據進行分析時，發出請求信號，FPGA收到后將數據發到ARM處理。FPGA有3個模塊，分別是數據的采集、與ARM通信以及SDRAM的控制。為了讓數據采集速度更快，本項目的SDRAM采用32位，并且在FPGA設置了RAM作為數據緩存，以乒乓操作的方式控制數據流，有助于提高系統的響應速度。
3.2 ARM設計
ARM是負責數據處理的，具有耗電低、功能強的特點，局放數據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，適合用于運行環境惡劣、無人值守、連續工作的領域。此外，該內核豐富的接口類型，滿足了項目的各種需求。
儀器采用嵌入式Linux作為操作系統，在桌面Linux平臺下編寫虛擬儀表的驅動程序和應用程序。采用QT／embedded設計虛擬儀表軟面板，使用QT的輕量級集成開發環境QT Creator完成開發，最后在桌面Linux平臺的開發環境中編譯生成可執行二進制文件，并將其移植到儀器嵌入式Linux系統中運行。軟件功能框圖如圖8所示。
4 現場應用
在現場利用本套裝置對配電柜進行局部放電檢測，其結果如圖9所示。
可以看到圖9（a）中放電幅度隨著相位的變化而發生了明顯的改變，放電次數與相位呈現帶狀分布，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、幅值和次數之間的關系，可以看到此時PRPD圖譜顯示出了明顯的局部放電特征。
5 結論
本裝置通過超聲波法和暫態對地電壓法的同步聯合檢測方式，完成了對開關柜內部的局部放電檢測，兩種方法取長補短，不僅保證了檢測數據的可靠性，而且檢測速度大大提高。經過反復檢測，結果表明，本裝置具有良好的準確性與穩定性，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，2004.
[2] 任明，彭華東，陳曉清，等.采用暫態對地電壓法綜合檢測開關柜局部放電[J].高電壓技術，2010，36（10）：2460-2466.
[3] 王成江，官云，倪璐佳.影響聲發射法檢測氣隙放電因素的分析[J].電氣開關，2009，47（5）：80-82.
[4] 靳鍵云.開關柜局部放電暫態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傳感器設計與實現[J].計算機測量與控制，2008，16（4）：464-467.
[6] 駱潔藝.基于暫態地電壓和超聲波測試的10 kV開關柜絕緣狀態評估技術的研究[D].廣州：華南理工大學，2010.
[7] 單淑娟，李明東，呂國豐.AD8307型對數放大器及其應用[J].電子設計工程，2010，18（1）：125-127.
[8] 付作峰.局放信號的高頻檢波電路設計[D].西安：西安電子科技大學，2011.