Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 一种便携式开关柜局部放电检测仪器的设计 金莹’，贾志杰 ，陈轲娜 ，罗洋 ，万星辰 （１．国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉４３００７４； ２．国网四川Ｉ省电力公司 电力科学研究院，四川 成都６１００７２） 摘 要：为实现对开关柜内部局部放电的带电检测并保证其检测结果准确，提出了一种将超声 波法（ＡＥ）与暂态对地电压法（ＴＥＶ）相结合的同步联合检测方法，并研制了检测装置。该装置前端采 用ｌ２位的ＡＤＳ８０５模数转换器，主控部分采取ＦＰＧＡ＋ＡＲＭ的结构来实现，数据处理部分采用ｉＭＸ２５７ 为核心，不但提高了检测系统的可靠性．并且具有丰富的人机交互界面。 关键词：开关柜；局部放电；检测；数据采集 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７７２０（２０１５）１２—００２０—０３ Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ＰＤ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｓｗｉｔｃｈ ｃａｂｉｎｅｔ ｎｇｃｈｅｎ Ｊｉｎ Ｙｉｎｇ ，Ｊｉａ Ｚｈｉｊｉｅ ，Ｃｈｅｎ Ｋｅｎａ ，Ｌｕｏ Ｙａｎｇ ，Ｗａｎ Ｘｉｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； （１．Ｗｕｈａｎ ＮＡＲＩ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔ２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔ ｌｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｂｉｎｅｔ ａｎｄ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｃｏｒｒｅｃｔ．ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＡＥ Ｗｉｔｈ ＴＥＶ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｄｏｐｔｓ １ ２ ｂｉｔ ＡＤＳ８０５ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒｔ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＦＰＧＡ＋ＡＲＭ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒｔ ｕｓｅｓ ｉＭＸ２５７．Ａｌｌ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｉｃｈ ＨＭＩ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈ ｃａｂｉｎｅｔ；ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｏ引言 随着电力设备技术的提高，封闭式开关成套设备已 经广泛应用于电力系统的各个变电站中。然而．随着设 地电压来判定局部放电的方法为暂态电压法ｌ４】。但是单 独采用一种方法往往无法准确反映开关柜内的绝缘状 态，因此本文提出联合ＡＥ与ＴＥＶ等检测手段，研制一一 套开关柜局部放电的检测装置。 备装用量的增加，故障发生次数也呈上升趋势，一恩发 生绝缘破坏等故障，造成的损失及修复时间远比敞开式 设备高得多。以开关柜为例，２００５年～２０１０年，全国共发 本文采用ＦＰＧＡ＋ＡＲＭ作为主控结构，以Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的 ｉＭＸ２５７＋Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩＩ ＥＰ３ＣＩＯＥＩ４４为其仪器硬件核心，通 过连接信号调理模块与人机交互模块组成一套带电局 生各类开关柜绝缘故障５６次，占开关柜故障总数的１４． ３％，因此在运行状态下对高压开关成套设备进行不停 电检测具有重大意义。 放检测系统．实现不停电状态下准确检测开关柜内部局 部放电情况的功能。 开关柜局部放电检测方法主要包括超声波法（ＡＥ）… 和暂态对地电压法（ ｒＥＶ）［２１等。开关柜内发生局部放电 时，由于电场力的作用或压力的作用，放电部位的气体 会发生膨胀或者收缩。在这个过程中，局部体积发生变 １系统总体设计方案 系统总体结构如图１所示。系统前端采用ＡＤＳ８０５ 接收ＡＥ和ＴＥＶ的传感器【５】信号，ＦＰＧＡ将信号采集并缓 存至ＳＤＲＡＭ中，当收到ＡＲＭ数据接收信号后将数据传 输到ＡＲＭ（ｉＭＸ２５７）中进行处理分析，处理完成后将结 果显示给用户。用户通过ＵＳＢ端口将数据导出，完成一 个检测过程。 化，这种变化在外部会产生疏密波即声波１３］。通过检测 产生的超声波信号来判定局部放电的方法即为超声波 法。同样，通过测量高频电流经过缝隙时产生的暂态对 ２Ｏ 《微型机与应用》２０１５年第３４卷第１２期 Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 暗匦 毒ＳＤＲＡ ＭｌＩ 固圈 奉 ＾ Ｉ －０ ２０ ， ＦＰＧＡ Ｉ Ｉ Ｕ Ｍ／ ＿、 ＼ Ｉ～ ’ ． 平台Ｉ 警 ∞ 量 —ｌｏ Ｊ／ Ｚ ＼ ＳＤＲＡＭＩ ＦＰＧＡ固件Ｌｉｎｕｘ嵌入式平台 。 ，’ 越一６０ 孽 －、 ＼ ＼ ＇ｈａｓＩ —— １ 图ｌ系统结构框图 ８０ ／ ；，，Ｉ ’＿ ｜ 一 ｛§ ） ２硬件部分 —２．１信号调理 １ｏ０ ／ —●： ・ ： ，＼ ， ＼ ＼ 。，Ｍａｇｎ： ｕ＇ｄｅ ，ｄＢ ： 、 ２．１．１滤波器 一ｌ２Ｏ １ Ｍ ： 三！ｏｕｐ￡｝ ｅｌａ）ｒ （Ｓ ） 频率／Ｈｚ （１）ＡＥ传感器部分 在现场运用超声法检测开关柜绝缘状态时，由于超 声波在开关柜内衰减较大，因此选用了频段较低（４０ ｋＨｚ） 阶巴特沃斯滤波器 图５幅频、相频响应 该４阶巴特沃斯滤波器实际制作时，采用与后续检 的超声传感器，加强了对可听声频段信号的抑制，这样既 避免了可听频段信号对局放信号的干扰又提高了检测灵 敏度，增强了开关柜绝缘状态检测的可靠性［６ｌ。其信号调理 电路中的滤波和放大电路原理图如图２、图３所示。 波器和线缆驱动共板设计，采用ＦＲ４板材，需要对高频 信号通道采用传输线方式设计ＰＣＢ布线，保证５０ ｎ阻 抗匹配。滤波器具体的元件均采用高频电容、电感，电容 采用０４０３封装，电感采用０６０３封装，以减少ＰＣＢ尺寸。 经过实测，该滤波器插入损耗小于１ ｄＢ。 ２．１．２对数检波器 由于传感器检测局部放电检测信号动态范围较大， 因此设计需求规定了传感器的动态范围要大于６５ ｄＢ； 另外根据前述ＡＥ传感器与ＴＥＶ传感器检测频段，检波 器工作频段为４０＋１ ｋＨｚ与１０ ＭＨｚ～６０ ＭＨｚ。由于输入 图ｉ前置放大电路原理图 信号动态范围较大，且工作频段下限较低，因此传感器 信号调理电路对数检波器部分选择采用集成型对数检 波芯片ＡＤ８３０７为核心进行设计［７１。ＡＤ８３０７基于连续压 输 出 缩技术，具备６个放大限幅级，１００ ＭＨｚ时动态范围高 达８８ ｄＢ：工作频段为ＤＣ～５００ ＭＨｚ，误差为１ ｄＢ；集成 度高，无需实质与检波相关的外部元件，用其设计制作 的对数检波电路无需调试。 由于ＡＤ８３０７芯片ＩＮＭ和ＩＮＰ两个引脚之间输入阻 ＡＧＮＵ 抗为１．１ ｋｆｔ，为了保证检波电路输入阻抗为５０ ｎ，因此 图３滤波电路 （２）ＴＥＶ传感器部分 需要在前端并联５２．３ Ｑ的匹配电阻；检波电路采用ＡＣ 对于ＴＥＶ传感器，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。一般认为１０ ＭＨｚ～６０ ＭＨｚ为主要检测频段。 本文设计了一个基于Ｌ、Ｃ元件的４阶巴特沃斯带 通滤波器，因被检的局放信号是脉冲信号，所以无需设 置相位延迟和群延迟。图４为４阶巴特沃斯带通滤波器 耦合方式『８１，采用了Ｃｌ和ｃ２两个１００ ｎＦ的电容进行信 原理图。图５为滤波器的幅频响应。其中５０ ｎ电阻符号 均为输入阻抗和输出阻抗。 ４ｔｌｌ ０ｒｄｅｒ Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ Ｃｏｎｔｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ２０．００ ＭＨｚ Ｐａｓｓ Ｂａｌｌｄ Ｗｉｔｈ＝４００ ＭＨｚ 图６检波电路图 ３０．ｏ０ ＭＨｚ ３０．００ ＭＨｚ ２．２数据采集和处理 图４ ＴＥＶ滤波电路 数据采集ＡＤ转换器采用德州仪器公司推出的 《微型机与应用》２０１５年第３４卷第１２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ２１
