基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电在线监测装置的设计

1 引言

随着社会生产力的飞速提高,开关柜在电力系统中的应用越来越广泛,由开关柜绝缘部件损坏而引发的电气事故呈上升趋势,直接影响到变电站的安全运行,最终影响电网的稳定性和安全性。

开关柜在长期运行中,由于受到振动、温湿变化等因素的影响,绝缘强度会不断下降,最终引发故障和安全问题。局部放电是一种典型的在开关柜绝缘缺陷被击穿前的现象,通过监测局部放电现象,可以及时检测出高压开关柜内部潜在的绝缘故障,促使高压开关柜安全可靠的运行[1,2]。

目前国内外开关柜局部放电的检测方法主要有脉冲电流法、超声波法、特高频法和暂态对地电压法。其中传统的开关柜超声波法、特高频法和暂态对地电压法检测方法均为柜外检测,普遍存在易受外界声、电干扰,具有检测结果与放电严重程度不直接相关的缺点,而且需要投入大量人力进行周期性巡检发现开关柜有无局放,为此本文提出并设计一种利用高压开关柜配置的带电显示器,从带电显示器核相孔获取局部放电信息,不需另行安装监测传感器,并可最终实现高压开关局部放电的在线监测装置,其具有成本低、可靠性高等特点[3-7]。

本装置的应用能够大大减少人工检测工作量,降低运维成本,尤其对于重要用户,局部放电在线监测可以及时发现开关柜故障,增强电力事故预防能力,提高应急响应速度,从而提高整个电网的安全运行水平。

2 脉冲电流法理论分析

在开关柜绝缘系统中,当外加电压足够大时,绝缘系统中电场强度足以使部分区域发生放电,这种放电会在绝缘部分形成不固定的放电通道,但不足以形成导电通道,即未击穿绝缘系统,这种现象称为局部放电[8-11]。

当发生局部放电时,会有一定数量的电荷通过电介质,这一放电时间很短,表征出来就是一次陡峭的电流脉冲,测量这个脉冲的方法就是脉冲电流法。脉冲电流法是目前局部放电测试方法的主流,其对突变信号反应灵敏,测量的放电电流脉冲信息丰富,可以分别测得放电重复率、放电量（视在放电电荷）以及放电能量、平均电流等[12]。

常用的检测脉冲电流的方法是测量耦合电容侧的检测阻抗上的脉冲电流,其基本测量回路如图1所示,图中CX代表试品电容,Zm代表检测阻抗,Ck代表耦合电容,它的作用是为CX与Zm之间提供一个低阻抗的通道,Z代表接在电源与测量回路间的低通滤波器,Z可以让工频电压作用到试品上,但阻止被测的高频脉冲或电源中的高频分量通过[13],当设备内部的缺陷在高电压下产生局部放电时,与CX构成的回路会产生脉冲电流,其频率通常在10kHz以上,由于Z的存在,高频的脉冲电流只有很少一部分通过Z所在的回路,主要的电流都施加在了检测阻抗Zm所在的回路里,这样局放检测装置就可以捕捉到局放信号。

图1 基于测量阻抗的脉冲电流法原理图

图2 基于核相孔的脉冲电流法原理图

上面所述的传统方法需要另外安装昂贵的电容传感器。为了方便局放监测装置的安装,同时降低成本,本设计采用从高压开关柜配置的带电显示器核相孔处取得局部放电的放电脉冲,其原理图如图2所示。检测装置与高压开关柜内的带电显示器核相孔进行并联,由于带电显示器的核相孔每一相连接一个电容传感器,这个电容传感器可以作为耦合电容提供开关柜内部波形信息。只要某一相发生局部放电现象,其产生的放电脉冲就会通过电容传感器耦合到局放检测仪上,从而检测出当前的局部放电信息,再通过对放电信息进行频谱分析,就可以准确的判断出当前相是否发生局部放电和其严重程度[14-15]。通过这一技术可以方便的获得高压开关柜的局部放电信息,而不需另行配置监测传感器,整个监测装置安装便捷、成本低廉,不使用昂贵的传感器,便于局部放电在线监测装置的推广。

3 监测装置的硬件设计

3.1 高压开关柜局部放电监测装置的整体结构

高压开关柜局部放电监测装置通过FPGA采集局部放电信号,微处理器进行处理后显示在液晶屏上,同时还可以将数据上传到后台监控中心进行实时监控和数据查询。主要电路包括三路高速信号采集电路、FPGA、STM32微处理器、显示模块、SD卡存储模块、RS485通信模块、按键模块、电源模块等,其整体结构图如图3所示。

图3 高压开关柜局部放电监测装置的整体结构图

3.2 高速采集电路

图4是一路局部放电高速采集电路,由于高压开关柜局部放电时间在us级别,采用50MHz采样速率可以不失真的采样到完整的局部放电信号[16],而且局部放电的电压不会低于mV级别,所以12位ADC足以保证采样信号精度,根据采样速率和采样精度,最终选择亚德诺半导体（ADI）公司生产的AD9226芯片,其是一款采用单电源供电、12位、65MSPS的模数转换器（ADC）,片内设计了一个高性能采样保持放大器,并且芯片自身提供基准电压源,在整个工作温度范围内保证无失码,满足设计要求,具体设计电路如图4所示。首先需要对脉冲电流法测量的电压进行预处理,满足模数转换器的输入要求。高速运算放大器U1对输入电压进行跟随和电压偏移,跟随部分保证输入的低阻抗信号可以不衰减的被模数转换器U3采集到,同时由于AD9226是单电源供电,所以需要借助基准电压将输入信号整体向上偏移,满足模数转换器采集的标准。运算放大器U2A和U2B对模数转换器AD9226内部提供的基准电压VREF1进行跟随处理,提高基准电压的带负载能力,使得输入的局部放电电压偏移一个2V的电压基准。

3.3 三路ADC信号处理电路

考虑到微处理器工作频率无法满足高速采集电路,因此,先使用FPGA与高速采集电路进行通信,再由FPGA将采集到的数据发送到微处理器中进行处理,整个电路拓扑如图5所示。

图4 一路局部放电高速采集电路

FPGA选用阿尔特拉（Altera）公司生产的EP4CE 10E22C8N。AD1_CLK信号是由FPGA产生的占空比为50%的50MHZ方波信号,用于提供ADC1的工作频率。AD1_OTR是ADC1的溢出标志位,置1时代表ADC1量程溢出,AD1_DB[11:0]是ADC1的12位数据位,在每个时钟沿的上升沿传回数据,其余两路工作原理与此相同。

微处理器采用意法半导体（ST）公司出品的STM32F 103ZET6,其与FPGA通信方式采用FSMC通信格式。FSMC（Flexible Static Memory Controller,可变静态存储控制器）是STM32采用的一种新型的存储器扩展方式,本设计中在FPGA内部构造一个存储器空间,用于保存三路ADC采集的数据,然后通过STM32的FSMC方式从FPGA构造的存储器空间中将数据读取出来。本设计中STM32和FPGA不需要一直进行通信,所以采异步FSMC方式进行通信,RST_FPGA作为FPGA内部的重置信号,Chose[1:0]用于选择传输的是ADC的第几路数据。

3.4 RS485通信模块电路

本装置采用串行现场总线RS485技术与后台监控中心进行通信。RS485通信接口具有抗干扰性高、可联网工作、传输速率高、兼容性好等优点,广泛应用于工业设备当中。RS485采用差分信号进行通信,常用的两线制RS485分为A、B两线,以其电平差表征逻辑。差分输入端A、B端的电压分别为VA 、VB,当VA－VB≥0.2V时逻辑为1;当VA －VB≥－0.2V时逻辑为0;当A、B端电压差绝对值小于0.2V时逻辑为不确定。其电路组成如图6所示。由于RS485采用双绞线相连接,其阻抗特性为120Ω,所以在硬件电路中接入一只120Ω的匹配电阻R30,可以减少信号反射、增加信号强度。考虑工业现场复杂的工作环境,增加瞬态抑制二极管DH1对电路加以保护。

4 监测装置的软件设计

高压开关柜局部放电在线监测软件流程图如图7所示,分为FPGA程序流程图和STM32程序流程图两个部分。

对于FPGA程序流程图。主要承担与高速AD芯片通信的任务,同时将采集到的数据保存在SDRAM中,等待STM32使用FSMC通信方式读取采集数据。

对于STM32程序流程图。微处理器通过FSMC高速通信方式从FPGA中读取一个周期采样的数据点,然后对数据进行FFT变换,通过分析波形图和频谱图,判断高压开关柜是否发生局部放电。如果检测到发生局部放电,则将局部放电的数据通过RS485通信传递到后台监控中心中。通过按键控制液晶屏显示,可以自由切换需要显示的局部放电信息。

图5 三路ADC信号处理电路

图6 RS485通信模块电路

图7 高压开关柜局部放电在线监测软件流程图

5 实验结果

图8 高压开关柜局部放电波形图、频谱图

实验环境:高压开关柜局部放电在线监测装置安装在某电力公司已投运十年的10kV的高压开关柜上,开关柜额定电流为1250A,带电指示器的电容传感器容量为20pF,三相核相孔直径均为5mm。

采样信号从带电显示器核相孔取得,测量得到的三相局部放电信号某一相电压放电的波形图及频谱图如图8所示,使用示波器测得的局部放电波形图如图9所示。从图8中可以看出,高压开关柜局部放电一次的脉冲时间约为15us,脉冲的峰峰值在2.7V左右,局部放电主要的频率集中在0.2MHz到5MHz之间。可以看出局部放电现象明显。对比图8和图9,表明示波器测量的局部放电波形和本装置测量的局部放电波形相吻合。

图9 示波器采集的高压开关柜放电波形图

6 结束语

本设计基于脉冲电流法,采用高速AD芯片与FP GA相结合的方法采集局部放电短暂、微弱的脉冲信号,又通过微处理器STM32对采集的数据进行分析处理,同时控制液晶屏实时显示局部放电信号的波形图、频谱图。经实际测试表明,通过该装置可以有效测量高压开关柜上的局部放电现象,确保安全检查人员及时发现问题,避免高压开关柜绝缘特性劣化导致的电力事故,本装置与现有的局部放电采集装置相比,明显特征是不需要使用昂贵的传感器,而是通过从开关柜配置的带电显示核相孔处取得信号,大大节约了装置成本,此外装置还具有远传功能,在后台监控中心就可以观察到开关柜局部放电信息,提高了检修人员对高压开关柜巡检时的针对性,可节省大量的人力和物力。