一种非接触式变压器套管空间电场监测装置的研制

孙小磊，陈 昊*，王 抗，吴晓辰，张东东，王 晨

（1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京211102；2.南京工程学院，江苏 南京211167）

0 引言

随着日益增长的电能需求，全社会对电网安全可靠运行的要求也在日益提高［1-2］。电力变压器作为电能传输的关键环节，其运行状态是否良好与电网安全稳定运行关系重大。变压器套管将变压器内部高、低压引线引到油箱外部，对变压器套管运行状态进行监测具有重要意义［3-4］。

对于变压器套管在线监测技术的研究与应用，目前主要集中在对其介质损耗因数和电容量的监测。文献［5-6］主要研究了变压器套管介质损耗因数的测量技术；文献［7］开展了介质损耗、电容量、局部放电等电气特性诊断试验；文献［8-10］基于频域介电谱法，对变压器套管的受潮情况进行了分析。

上述的检测方法在一定程度上可以识别变压器套管的故障隐患，但是上述方法多采用接触式测量，需结合电力企业停电计划进行测量［11］；此外，上述方法操作步骤相对繁琐，且试验仪器价格高昂，难以满足对现场设备进行长期连续监测的要求。在此背景下，积极发展对设备外绝缘的非接触式测量方法［12-16］，对于满足当前泛在电力物联网、坚强智能电网的建设需求有着积极意义。

大量研究表明，耐压设备周围空间电场强度的变化可以反映其绝缘情况［17-19］，在耐压设备外绝缘破坏的情况下，其空间电场强度会出现分布异常。变电站电场强度的变化原因是多方面的［20-24］，例如电力负荷波动、周围带电体相对位置变化、周围屏蔽物相对位置变化等等。仅从一个被测点的电场强度数值大小估测设备绝缘状况，显然是不可靠的，因此，需要长期多点连续测量，并能对测得的多点测量数据的时间序列进行综合分析［25］。上述方法将有力地提升变电站设备故障分析水平。基于此，本文研制了一种便携式变压器套管空间电场监测装置。本装置基于静电感应原理，由d-dot 微型探头、放大器模块、STM32F1 内核、锂电池供电模块、充电模块、433 数据透传模块和GPRS无线收发模块等组成，从而实现了对变压器套管空间工频电场的长期连续测量及告警。

1 电场测量探头原理及设计

工频电场测量传感器基于静电感应原理［26］，处于静电场或交变电场中的一切导体，其表面产生的感应电荷会与外部电场场强相平衡，处于静电平衡的状态。随着外部场强的增大，导体表面的感应电荷就越多。把这些感应电荷施加在电容两端，则会形成感应电压，在传感器的电极间接入测量电容器后，可以通过电容器测得的感应电压的大小，实现传感器外部场强的间接测量。依据上述原理，将微型电场探头等效为二维球形传感器，其结构如图1所示。

图1 微型电场探头及其等价二维球型传感器结构Fig.1 Micro electric field probe and its equivalent two-dimensional spherical sensor structure

由图1 可以看出，传感器由两片半球状的金属电极、一片内部电容和连接导线构成，其中金属电极厚度为1.5 mm，引出的导线用于接入测量装置的放大电路。在放入传感器前，空间电场的场强为E，将传感器放入该空间电场后，其表面会出现感应电荷，电容C的两端进而产生电势差U，电势差U便是所需要的测量信号。电容C连接传感器中的两片金属电极，设该传感器左右金属电极的面积均为S，电极上某点的面密度为σ，对整个半球面进行积分，可知积分结果为电荷总量Q。

式（5）中，E为待测点的场强，C为传感器内部的电容，U为传感器的感应电压。可以通过测量电容两端的电压，利用比例关系计算电场强度。由于该装置传感器尺寸较小，其测量值大小基本不受传感器方向影响。

2 监测装置硬件设计

本文采用STM32 芯片作为工频电场测量仪的核心，对变压器套管周围电场强度进行实时监测，并在场强变化超出设定限值时发出预警信号，实现监测识别变压器套管的运行状态。该工频电场检测装置由ddot微型探头、放大器模块、STM32F1内核、锂电池供电模块、充电模块、433 数据透传模块和GPRS 无线收发模块等组成，如图2所示。

图2中，设备工作过程为：首先，d-dot微型传感器将采集到的电场强度信息经过放大、滤波后，进入到主控芯片STM32F1 的ADC 模块中完成模-数转换，主控芯片对所获取到的数据进行信息融合处理、修正，得出相对可靠精确的电场强度值，处理完毕后主控芯片将这些数据打包传输给GPRS 模块、433 透传模块。433透传模块将数据发送给接收端数据处理装置，GPRS模块将数据发送至云端供物联网监控。接收器接收到信号后，按照事先编写好的规约来判断本次传输数值的可靠性，然后反馈给主控芯片，主控芯片会对数值时间序列进行分析，从而判断该电场强度是否处于预设的场强门限曲线，若越过场强门限曲线，则会发出报警信号，从而实现运行状态监测。系统的各子模块参数及功能介绍如下。

图2 系统结构图Fig.2 System structure

2.1 模块计算内核

采用STM32单片机（如图3）实现模拟和数字信号的逻辑运算处理。STM32单片机最小系统包括晶振电路、电源模块、JTAG接口模块、串口ISP下载模块、系统复位模块。

图3 STM32单片机工作电路图Fig.3 Working circuit diagram of STM32 single chip microcomputer

STM32F103 增强型系列使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 内核，ARM 的Cortex-M3 处理器是最新一代嵌入式ARM 处理器，它为实现MCU 的需要提供了低成本平台、缩减的管脚数目、较低的系统功耗，同时提供优秀的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，可以提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能。

检测电路的输出电压必须通过A/D转换为数字量，才能够用计算机系统进行处理，处理器进行数据处理后输出的是数字信号，然而控制系统中，一般要求是连续的控制信号来进行系统控制，这样运算输出的数字量又必须经过D/A转换器，将数字信号还原为模拟信息。通过连续的模拟信号控制系统的热量供给，从而达到工作点温度保持或增减的要求。信号的A/D转换、运算、D/A转换3个步骤，皆可经过STM32来完成。

传感器测量系统主控电路由STM32F103C8T6 及其外围电路组成，是系统的核心部分，主要完成数据的传输和处理工作。传感器采集的模拟信号，经过处理器本身内嵌的ADC 进行A/D 转换后得到实时数据，再经处理器相关处理后通过温度显示电路进行实时显示，同时，处理器还可以通过利用通讯芯片，实现与PC机、手机的远程通信功能。

STM32 单片机配置的12 位ADC 是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2 个内部信号源。各通道的A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16 位数据寄存器中。模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。

2.2 无线通信与透传模块

采用USR-GM3 透传GPRS 模块，提供串口转GPRS 信息传输功能，将装置监测信息通过2G 网络上传至服务器，供远程监控、调用。USR-GM3 功能特点为：四频GSM850/900，DCS1800/1900 全球通用；支持GSM/GPRS 网络；支持2G/3G/4G 手机卡的2G 流量；支持4 路网络连接同时在线，支持TCP Client 和UDP Client；每路连接支持4 kB 数据缓存，连接异常时可选择缓存数据不丢失；支持远程短信设置模块参数；支持短信透传模式、网络透传模式、HTTPD 模式，UDC 模式；支持基本指令集和扩展指令集；支持简单指令发送中文/英文短信；支持类RFC2217 功能，可从网络动态修改模块的串口参数；支持串口的硬件流控，RTS/CTS；支持UDC协议；支持FTP协议远程升级。

图4 GPRS模块原理图Fig.4 Schematic diagram of GPRS module

主机和从机之间采用E43-433透传模块实现数据传输，E43-433T13S 模块具有4 种工作模式，以及两种传输方式。其采用面向远距离、低功耗设备的LoRa扩频无线技术，是一种远距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、数据采集和物联网［27］等领域，同时旨在构建生态物联网的一种技术。

2.3 电源DC-DC模块

电源模块的设计采用了FR9885S6CTR 和两块SGM2019 芯片，外接12 V 直流电，其上接有LED 可显示电源的工作状态，这一套电源模块可以满足整个系统对实时测量方面的供电需求。

图5 供电模块原理图Fig.5 Schematic diagram of power supply module

2.4 充电模块

加入太阳能充电模块目的是作为锂电池电源的一个补充，若在户外时出现锂电池没电的情况，太阳能电池板能起到一个给锂电池供电的作用。其原理图如图6所示。

图6 太阳能充电模块设计图Fig.6 Schematic diagram of solar charging module

2.5 放大滤波电路

d-dot 微型传感器［28］探头灵敏度高，尺寸小，感应电荷相对较少，其感应到的交变电压也非常小，转换后的信号相对较弱，需要进行放大处理。测量装置需处于强工频电场环境中，传感器易受共模信号的干扰［29］，设计放大电路时应在考虑放大测量电容两端电压信号的同时，有效地抑制共模信号的干扰，确保传感器的测量精度。

鉴于上述要求，设计了一种差分放大电路，当幅值、相位相同的共模干扰信号输入时，其差值为零，系统会判定输入信号无效，则无须考虑共模信号带来的干扰。后将输入端的两个信号之差作为差分输入电路的有效信号，再通过设计合理的放大系数便能得到电压输入信号。输入信号经过差分电路后，放大倍数约为10 倍。该放大滤波模块采用AD620仪表放大器芯片，整体工作特性为：单电源4～30 V工作，输出-10.5 V～+10.5 V；功耗0.25 W；输出电压范围-10.5 V～+10.5 V，线性范围-10 V～+10 V；精度、线性度优于千分之一；4+1阶低通滤波，可完全滤除高于1 000 Hz的噪声干扰；最大输入失调电压50 μV；低输入失调漂移0.6 μV/℃；输入偏置电流1.0 nA；共模抑制比100 dB；输入电压噪声9 nV/Hz。

3 装置性能

3.1 装置性能指标

3.1.1 电池

从机（发射模）块采用7.4 V，9 AH 锂电池供电，从机工作电流为150 mA，电池可满足从机不间断工作600 h，当从机电池电压低于7 V，通过无线方式反馈电压过低信号给主机，主机收到从机馈电信号后，主机中的从机电压过低指示灯点亮，可采用市电给从机充电。

主机（接收模）块采用7.4 V，9 AH 锂电池供电，从机工作电流为100 mA，电池可满足主机不间断工作90 h，当主机电池电压低于7 V，主机中的主机电压过低指示灯点亮。

3.1.2 无线预警信号传输距离

由于433 MHz 频段具备优秀的绕射能力，在无障碍的情况下通讯距离可达300 m 以上，而在一般的敞开式变电站中，其通讯距离可达150 m以上。

3.1.3 设备与联网

主机可通过物联网模块实时发送电场强度至数据监控中心，数据中心通过智能分析算法，判断监测设备是否处于预警状态，一旦处于预警状态，可通过电话和短信等方式第一时间通知作业设备操作人，及时对变压器套管进行相应检查。设备主机与从机结构如图7所示。

图7 从机（传感器端）（左）主机（中继）（右）Fig.7 Slave machines(sensor)(left)and principal machine(repeater)(right)

3.2 装置性能比较

本装置与现有装置对比情况如表1。

从表1 可以看出，与现有空间电场强度测量装置相比，本装置在待电/续航方面明显更具优势，从而满足对变压器套管场强进行长期监测的要求。此外，本装置具有无线透传和物联网功能，方便将数据传送至数据中心，从而对变压器套管状态进行实时分析。

表1 装置与现有装置对比情况表Table 1 Comparison between the device and the existing prototype

4 现场试验

为检验装置在工作现场的实际应用情况，在南京地区某500 kV 变电站利用该装置进行现场带电监测试验。本次试验中共设置了3 个测试点，以其中一处测试点为例，将从机分别放置在避雷器底端和220 kV电容式电压互感器外壳附近，同时通过变电站监控后台观察相应间隔负荷波动［30］信息，试验环境如图8所示。

图8 现场试验情况Fig.8 Field test

试验发现主机可以实时监测获得从机发送的工频电磁环境数据，有效距离超过150 m；当从机感知电场强度幅值越界，或变化量超过阈值时，主机会发送报警信号，手机、PC 终端会有明显的提示，如图9、图10所示。

图9 PC终端物联网界面Fig.9 IOT interface of PC terminal

图10 手机终端物联网界面Fig.10 IOT interface of mobile terminal

5 结语

本文论述了基于静电感应原理的便携式非接触式变压器套管空间电场监测装置的设计和研制，并设计实现了无线通讯物联网系统以及识别预警系统，可以应用于日常运检工作以及智能装备无人运检工作中。通过在500 kV变电站的现场实际应用，验证了该装置在变压器套管空间电场测量方面的准确性和便携性，符合当前智能电网和泛在电力物联网的建设方向。

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