局部放电紫外检测量化分析系统的设计及应用

马立新，浦荣杰，陶鹏举，张 骏

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

0 引言

随着输变电电压等级的提高，电力设备的电压越来越高，对电力设备的绝缘性能要求也越来越高。在这些设备中，由于电极和绝缘表面存在的缺陷，导线外绝缘损伤或老化等原因可能造成电力设备局部放电。如果此类故障得不到及时处理，有可能会导致绝缘的最终击穿与失效，甚至造成电力设备的损坏。为预防这类事故的发生，在不影响正常输变电情况下，电力设备局部放电的在线检测就显得十分必要［1］。

目前的高压电力设备放电检测一般通过红外成像仪、紫外成像仪、高频探测仪［2～3］等进行。但存在成本高、操作复杂、灵敏度不足、对早期放电危险难以预报、不能定量表示放电程度等弱点。高压设备放电会辐射出紫外光，通过检测紫外光的强度来评估放电的情况，是检测高压设备放电的一种新方法。由于放电产生的紫外光信号在检测时不需要与运行设备直接接触，而是在与设备相隔一定距离下进行，紫外检测可以做到不停电、不影响系统运行状态，并且其抗干扰能力也很强。

1 高压电气紫外放电检测原理

高压设备发生局部放电时，根据电场强度的不同，会产生不同形式的放电。电离过程中，空气中的电子不断获得和释放能量，通过光谱分析发现，当电子释放能量时会辐射出光波和声波，而辐射出的光谱包括紫外、可见光、红外3 个谱段，随着外加电压的增加，局部放电所辐射光谱在紫外区域也随之增强。

该方法有两个方面优势:一是灵敏度高，由于高压电力设备局部放电产生的紫外光谱主要集中在200 ～400 nm 以下波段。空气中太阳辐射的波长范围很宽，但波长220 ～280 nm 之间的成分几乎被地球的臭氧层完全吸收，波长在300 nm 以下的“太阳光谱盲区”的紫外辐射已经变得极其微弱。二是抗干扰能力强，由于电力设备内部通常是封闭的黑匣环境，正常工作时，设备内部具有很强的电磁干扰，没有紫外信号的存在，因此，利用该波段的紫外辐射信号作为检测对象几乎不受外界环境光的影响。

紫外光检测法即是利用光电探测器将光信号转换为电信号，通过对电信号的分析处理来反映局部放电的情况。

2 检测系统的硬件设计

系统的硬件部分包括传感器检测部分、数据采集计算和传输部分以及显示终端部分、结构如图1 所示。

图1 系统结构示意图

2.1 传感器检测部分

本文选用的紫外检测管是HAMAMATSU 公司的R9454，其为R2868 的改进版，其通道工作波段采用日盲区UV-C 中的185 ～260 nm 波段，有效避免太阳光的干扰。

紫外检测管的工作原理是基于金属的光电发射效应和电子繁流理论。在传感器的阳极和光电阴极间加上电压后，就在两极间建立了电场。当紫外线射入光电阴极的表面，如果入射光能量大于阴极表面逸出功，就会产生光电发射效应，逸出光电子。由于纯金属阴极的电子产额极低，紫外检测管中还需要充入特殊气体，通过繁流放电增加电子输出。光电子在电场作用下加速向阴极运动，与气体粒子引起电离，电离产生的新的电子与其他粒子碰撞，在阳极和阴极之间迅速形成很大的电流并产生放电，这种现象称为电子繁流。根据汤生放电理论，在均匀电场中，繁流放电电流取决于光电流密度、电场强度、管内气体压力和气体种类［4］。

紫外检测管R9454 经过驱动板C10807 处理后得到标准的方波信号，方波信号频率与放电产生的紫外线强度有一定的关系［5］。

2.2 数据采集计算和传输部分

系统是采用STM32F103RBT6 芯片的STM32开发板，它采集紫外检测管检测到的紫外信号计算分析后发送到各个显示终端［6］。

对紫外方波信号AD 采样使用规则通道单次采样模式，采样率设置239.5 周期，即(239.5 +12.5)/12 M=21 μs 定时采集一次，采集数据放在存贮器中，通过对存储器中采集的信号边沿的分析来计算得到信号的周期和频率。

传输部分即把处理后的信号通过串口1 发送到现场的触摸屏，串口2 发送到无线收发模块，附近1 000m 附近的上位机Labview 能够接收，通过串口3 发送给GSM 模块，警告或报警信息无距离限制送到监控人的手机。

2.3 显示终端部分

显示终端包含3 个部分:触摸屏采用是北京迪文科技有限公司的DMT 48270T043_ 01W 工业串口触摸屏;无线收发模块采用的是TI 公司的PC110L 和CC110L;GSM 模块采用西门子公司的TC35i。

如图2 所示，现场触摸屏便于现场安检，形象直观，方便在触摸屏上对STM32 完成参数设置等。

图2 现场触摸屏界面(原始数据)

图3 所示的Labview［7］上位机可以作为监控室的终端服务器远程监控，能接受多个现场发送的数据，可组网监控，具体监控点数目由电脑支持串口数决定，并能把采集的紫外信号定时保存成excel 表格方便查询。

图3 上位机Labview 界面

GSM 模块接收STM32 开发板采集紫外信号的频率，当信号频率达到不同的等级时，模块定时发送设定好的不同短信息给监控人的手机，监控人也可以编辑短信实时查询紫外信号频率，而达到警告级别时，模块会直接呼叫监控人的手机报警。

3 程序设计流程图

程序算法［8］在STM32 中有两个关键的问题，一个是信号采样，另一个是频率计算。本文AD连续采集500 个点，按照各个终端的协议分别发送到各个串口的显示。而频率则是通过对信号上升沿和下一个上升沿的时间间隔来计算的，但是为了减少信号的电磁干扰，必须在低电平的情况下，连续出现10 个点都是高电平才算是上升沿，处理后的信号即图3 所示的规范方波。程序设计流程图如图4 所示。

图4 程序流程图

4 实验结果

在实验室的条件下，采用高压帽模拟高压局部放电，通过改变驱动电路的电流来调节高压帽的放电强度，如图5 上部分，图5 的下半部分是检测仪器的实物局部图，它是由触摸屏、开关电源、STM32、检测管等部分组成。

图5 模拟紫外放电和紫外检测系统实物局部图

通过检测计算，能够根据紫外信号频率找出对应放电强度之间的关系。经过实验发现其波形不是周期性的，因此，采用单位时间内高电平所占时间表示测得的紫外光强度，单位时间是1 min，这里用Duty 来表示单位%。图6 是实验得到结果，图中横坐标是放电电路的电流，纵坐标是Duty 即紫外光强度。可以看到实验数据的图形和拟合的图形不是完全重合，但是误差不是很大。其电流和占空比成正比关系，从而可以通过测得的数据来判断放电的强度。

图6 实验数据分析

5 结论

在实际的高压设备中，不同的设备在不同的环境下放电强度不同，因此，必须在同样的条件下使该系统“学习”在不同程度故障下放电强度的检测结果。依据该结果，紫外信号频率即可以人为的划分相应的等级关系，方便监控人员的检修和管理。

局部放电紫外检测系统成本低，便于高压设备无线组网监控，在电气局部放电紫外检测设备中具有一定的推广意义。

［1］王平，许琴，王林泓，等．电力设备局部放电信号的在线检测系统研究［J］．电力系统保护与控制，2010，38 (24):190-194．

［2］甘景福，韩克勤，周燕飞．超高频变压器局部放电在线监测系统在智能变电站的应用［J］．电力科学与工程，2012，28 (2):41-45．

［3］杨献智，章坚．10 kV 配网开关柜局部放电带电检测应用［J］．电力科学与工程，2011，27 (6):71-75．

［4］文军，何为，李春辉，等．高压电力设备放电在线监测系统［J］．电力自动化设备，2010，30 (6):135-139．

［5］刘俊刚，杨永明．基于紫外检测法的非接触式特高压验电器的研究［D］．重庆:重庆大学，2007．

［6］刘军，张洋，严汉宇．原子教你玩STM32 ［M］．北京:北京航空航天大学教育出版社，2013．

［7］陈树学，刘萱．LabVIEW 宝典［M］．北京:电子工业出版社，2011．

［8］谈玲．基于ARM 的虚拟示波器的设计与研究［D］．南京:南京信息工程大学，2006．