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12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

0 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，随着设备装用量的增加，故障发生次数也呈上升趋势，一旦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。

　　开关柜局部放电检测方法主要包括超声波法（AE）[1]和暂态对地电压法（TEV）[2]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，局部体积发生变化，这种变化在外部会产生疏密波即声波[3]。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地电压来判定局部放电的方法为暂态电压法[4]。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，研制一套开关柜局部放电的检测装置。

　　本文采用FPGA+ARM作为主控结构，以Freescale的iMX257+Cyclone III EP3C10E144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。

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。

2 硬件部分

　　2.1 信号调理

　　2.1.1 滤波器

　　（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）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[6]。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。

　　（2）TEV传感器部分

　　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原理图，图5为滤波器的幅频响应。其中50 Ω电阻符号均为输入阻抗和输出阻抗。

　　该4阶巴特沃斯滤波器实际制作时，采用与后续检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 Ω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[7]。AD8307基于连续压缩技术，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抗为1.1 kΩ，为了保证检波电路输入阻抗为50 Ω，因此需要在前端并联52.3 Ω的匹配电阻；检波电路采用AC耦合方式[8]，采用了C1和C2两个100 nF的电容进行信号耦合。检波电路图如图6所示。

　　2.2 数据采集和处理

　　数据采集AD转换器采用德州仪器公司推出的ADS805，其电路图如图7所示。它的采样频率为20 MHz，精度为12 bit，具有68 dB的高信噪比和300 mW的低功耗功能。数据采集及缓存控制由FPGA操作执行。

　　数据处理采用Freescale的iMX257作为控制核心，它以ARM926EJS为内核，主频为400 MHz，外设接口丰富，可以连接显示屏、键盘及触控单元，并具有USB OTG功能。

3 软件部分

　　3.1 FPGA程序

　　FPGA负责控制AD采集AE和TEV传感器的信号，并将其存储在SDRAM中。当ARM需要对数据进行分析时，发出请求信号，FPGA收到后将数据发到ARM处理。FPGA有3个模块，分别是数据的采集、与ARM通信以及SDRAM的控制。为了让数据采集速度更快，本项目的SDRAM采用32位，并且在FPGA设置了RAM作为数据缓存，以乒乓操作的方式控制数据流，有助于提高系统的响应速度。

　　3.2 ARM设计

　　ARM是负责数据处理的，具有耗电低、功能强的特点，局放数据的处理就是由其完成的。本项目的ARM嵌入式主板采用以ARM926EJS为核心的iMX257，它尺寸小巧，功耗低，适合用于运行环境恶劣、无人值守、连续工作的领域。此外，该内核丰富的接口类型，满足了项目的各种需求。

　　仪器采用嵌入式Linux作为操作系统，在桌面Linux平台下编写虚拟仪表的驱动程序和应用程序。采用QT／embedded设计虚拟仪表软面板，使用QT的轻量级集成开发环境QT Creator完成开发，最后在桌面Linux平台的开发环境中编译生成可执行二进制文件，并将其移植到仪器嵌入式Linux系统中运行。软件功能框图如图8所示。

4 现场应用

　　在现场利用本套装置对配电柜进行局部放电检测，其结果如图9所示。

　　可以看到图9（a）中放电幅度随着相位的变化而发生了明显的改变，放电次数与相位呈现带状分布，信号相位充分性高；脉冲信号幅值相位分布和脉冲数相位分布为双峰型，且两峰间相位差为180°左右。图9（b）是PRPD图，反映了测试时相位、幅值和次数之间的关系，可以看到此时PRPD图谱显示出了明显的局部放电特征。

5 结论

　　本装置通过超声波法和暂态对地电压法的同步联合检测方式，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，而且检测速度大大提高。经过反复检测，结果表明，本装置具有良好的准确性与稳定性，可以快速有效地完成局部放电的检测。

　　参考文献

　　[1] 李燕青.超声波法检测电力变压器局部放电的研究[D].保定：华北电力大学，2004.

　　[2] 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，2010，36（10）：2460-2466.

　　[3] 王成江，官云，倪璐佳.影响声发射法检测气隙放电因素的分析[J].电气开关，2009，47（5）：80-82.

　　[4] 靳键云.开关柜局部放电暂态对地电压检测法的研究[J].山西电力，2011（10）：10-12.

　　[5] 褚静，骆英，万维，等.超声波检测的AE传感器设计与实现[J].计算机测量与控制，2008，16（4）：464-467.

　　[6] 骆洁艺.基于暂态地电压和超声波测试的10 kV开关柜绝缘状态评估技术的研究[D].广州：华南理工大学，2010.

　　[7] 单淑娟，李明东，吕国丰.AD8307型对数放大器及其应用[J].电子设计工程，2010，18（1）：125-127.

　　[8] 付作峰.局放信号的高频检波电路设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.