(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州350116）
：根据国家电网公司颁布的以地电波检测作为开关柜带电检测手段的干系规定，提出了一种基于ARM9平台的便携式开关柜局部放电检测仪。该仪器采取峰值检测电路对局部放电旗子暗记进行特色参数提取，避免了传统上采取 A/D 采样后产生的弘大数据量，方便手持系统更好地对这些数据进行实时处理。
：开关柜；局部放电；峰值检测；暂态对地电压
：TP274文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.013
引用格式：陈斯琦，陈忠辉，黎金城.开关柜局部放电检测仪器的设计［J］.微型机与运用，2017,36（9）：41-44，48.
0弁言
目前，10 kV、35 kV开关柜已经广泛运用于配电网，紧张浸染是对线路、设备进行掌握和保护。在配电网中，开关柜长期运行于高温、高压、湿润等恶劣的环境下，其绝缘性很随意马虎遭到破坏，进而引发局部放电。如果任其发展终极会导致绝缘损失介电性能，造成严重事件，毁坏电力系统的稳定性。根据北京电力公司对2013年~2014年的配网开关柜故障次数的统计剖析，由局部放电产生的故障次数在开关柜毛病总次数中占第二位［1］。因此对开关柜的绝缘性能进行带电检测，从而采纳相应的预防方法是十分必要的。
开关柜发生局部放电时，电场能量会由于电势高低的缘故而向接地点相邻的接地金属部位聚拢，这样就会在设备表面上形成对地电流［2］。由于放电的间断性，这种电流是不断变革的，根据法拉第电磁理论，变革的电流会产生磁场，电磁场在空间的传播就形成了电磁波。开关柜金属设备存在缝隙，局部放电产生的电磁波就会通过不连续处传到外表面，通过贴在金属箱体的电容器就能检测到暂态对地电压(TEV)［3］。局部放电的暂态对地电压检测法由于具有检测灵敏度高、对局部放电脉冲的变革速率比较敏感的特点，成为电力行业最紧张的局部放电检测技能。
本文采取ARM9作为主控构造，通过地电波预处理模块与人机交互模块组成便携式局部放电在线检测系统。
1系统总体设计方案
系统总体构造如图1所示。全体系统由旗子暗记预处理模块和人机交互模块构成。旗子暗记预处理模块包含传感器、放大器、滤波器和峰值检波器。传感器耦合开关柜表面的地电波，经滤波器滤除噪声，放大器提高信噪比后输入到峰值检波器检测地电波的峰值。人机交互模块中ARM2440开拓平台根据写入的运用程序将预处理模块采集的数据存储和处理并以时域图的形式在LCD上显示。用户可以通过触控模块对局部放电检测仪器的参数进行设置。
2预处理模块硬件电路
2.1TEV传感器
开关柜内部局部放电产生的地电波总有部分能传到金属箱体表面。在金属箱体外壁，通过放置电容性的传感器就可检测到暂态对地电压旗子暗记［4］。容性传感器是在开关柜表面敷设薄铜片，作为金属电极，在该金属电极与开关柜柜体之间加入电容介质，形成一个电容C1，地电波旗子暗记可通过电容C1耦合到所设置的检测电容C2上。传感器事理电路如图2所示。
2.2滤波检测电路
开关柜所处环境充斥着各种噪声或滋扰，为了能够有效耦合高频旗子暗记，避免站内其他旗子暗记的滋扰，须要用滤波器对旗子暗记进行预处理［5］。滤波器的通带频率范围是10 MHz~60 MHz。
本文设计一个基于R、C元件的无源滤波器，其电路事理图如图3所示，C1为开关柜的金属外壁与传感器构成的等效电容，C2为滤波电容，C3为耦合电容，通过合理选择C2的值可得到相应的上限截止频率，合理设置R3、C3的值可得到适当的下限截止频率。
2.3前置放大电路设计
地电波旗子暗记是高速脉冲旗子暗记，其瞬时电压值在几毫伏至几伏的范围内变革，因此，地电波旗子暗记的放大电路该当具有高带宽、较大的动态范围和放大倍数可调的特点。本文选用UA733芯片作为放大电路的核心芯片。该芯片是一个具有差分输入、差分输出的二级视频运算放大器，其内部的串联反馈电路使得其具有宽带宽、低失落真度及放大倍数稳定等性能，射随的电路设计使其具有良好的输出性能，只需经由大略的连接电路就会有10 V/V~400 V/V稳定的增益，且不必进行频率补偿。放大器的电路事理如图4所示，放大器采取单端输入双端输出的接法，滤波电路输出的旗子暗记从放大芯片的负端输入，通过在放大芯片的引脚GAIN ADJ1A和GAIN ADJ 1B之间串接电阻，设置放大器的增益，放大增益为26 dB。为了知足运算放大器稳定静态事情点的须要，运放的正端通过串接51 Ω电阻后再接地，正端串接电阻。
2.4峰值检测电路设计
本文设计一个可实现对地电波峰值电平提取的电路，该电路由地电波参考峰值电平产生电路和峰值比较电路组成。
根据EA Technology 公司制订的准则，地电波所感应出的暂态对地电压分为61个等级。丈量的取值范围为0~60 dB，由式(1)可得到局部放电量的峰值的取值范围为1 mV~1 V。
丈量值(dB)=20log局部放电量峰值1 mV(1)
地电波的参考峰值电平产生电路是通过将开拓板输出的 PWM旗子暗记，经由单位增益二阶压控电压源低通滤波器来实现D/A转换，从而产生相应的峰值电平。ARM2440开拓板有5个16位的定时器，个中0、1、2、3定时器都有一个外部输出引脚（GPB0~GPB3），通过定时器可以掌握引脚周期性地输出高低电平，能实现PWM功能。在设计有源滤波器时，考虑到便携式设备低功耗的哀求，采取双路微功耗轨至轨输入和输出的运算放大器。峰值电平产生电路事理图如图5所示。
峰值比较电路紧张由高速双路差分比较器与4路2输入正与非门集成芯片以及相应的R、C元器件组成。高速差分比较用具有传输时延低于12 ns、选通输入接口和输出接口均兼容TTL电路的特点。差分比较器的紧张功能是将前置放大器的差分输出与峰值参考电平进行比较。与非门集成芯片紧张是用于设计与非门RS触发器、锁存差分比较器的输出值，并将RS触发器的输出作为ARM2440的外部中断源EINT0。峰值比较电路的事理图如图6所示，图中差分比较器引入正反馈是为了提高旗子暗记转换速率，当输出旗子暗记增大时，通过正反馈网络，输入旗子暗记与比较旗子暗记的差将快速增大。TP9为参考电平输入口，电平从60 dB至0 dB不断递减变革，当检测到地电波的峰值时，峰值比较器的输出就通过锁存器使外部中断EINT0有效(低电平有效)，嵌入式处理器在收到中断后，读取此时的参考电平值，并在时域轴上进行绘制等操作。TP11输入口紧张用于异步置“1”功能，当TP11为低电平时，RS触发器输出为高电平，使外部中断EINT0无效化，以便检测后续的峰值电平。
3软件部分
3.1基于PWM实现峰值电平
本设计采取ARM2440开拓板的定时器0实现脉冲宽度调制，定时器0利用经由2分频的系统时钟PCLK作为时钟输入，每计数一次耗时0.02 μs。定时器利用3个16位的寄存器TCNTB、TCMPB和TCON来完成PWM功能。TCNTB是定时器缓存寄存器，其功能是存储定时器初始计数值，当递减计数器减为0时，定时器中断要求天生关照CPU定时器操作完成，此时相应地将TCNTB的值装载到递减计数器中连续下一个操作。TCMPB是定时器比较缓存寄存器，用于脉宽调制，当递减计数器的值与比较寄存器中的值匹配时，定时器掌握逻辑改变输出电平。TCON是定时器掌握寄存器，为实现连续的PWM输出，须要让定时器事情在自动重载模式，即当定时器计数器减为0时，定时器中断处理函数自动更新TCNTB和TCMPB。
TCNTB和TCMPB寄存器赋初值，要实现峰值电平，TCNTB和TCMPB寄存器的值需知足式(2):
Level(dB)=60+20logTCNTB-TCMPBTCNTB(2)
定时器0初始化时经由以下步骤：
（1）TCON寄存器中人工装载位配置为1，TCNTB和TCMPB更新到内部计数器；
（2）TCON寄存器中自动重载位配置为1，从而实现连续的脉宽调制功能；
（3）TCON寄存器中输出反转位配置为1，脉冲以高电平开始；
（4）TCON寄存器置为启动位；
（5）TCON寄存器设置关闭人工装载，定时器开始启动。
经由以上配置后，将定时器0输出引脚PB0配置为PWM输出模式，就可以进行PWM输出。基于PWM的峰值电平程序流程图如图7所示。
3.2嵌入式系统和图形用户界面的设计
嵌入式系统是一种专用的打算机系统，它以打算机技能为根本，以运用为中央。嵌入式比较通用打算机有很多优点，首先它构造精简、功能更加个性，其次嵌入式系统可以运行操作系统，同时具有功耗低、体积小的特点［6］。本项目采取以S3C2440为平台的开拓板，开拓板采取超小型设计，占用的空间非常小，并且采取双排1.27间距插针式的办法，这不仅引出了更多的CPU旗子暗记脚，而且能够确保在剧烈震撼的事情环境下稳定运行，非常适用于网络终端、车载、检测等领域。
嵌入式系统运用软件的开拓环境是由目标硬件开拓板和宿主机（PC）所构成的。操作系统和运用软件是运行在开拓板上的，而宿主机须要完成核心板所运行的操作系统内核的编译移植、运用程序的开拓、调试等。在Ubuntu14.04平台下完成开拓板的操作系统内核的编译移植。在QT/embedded平台上对运用程序进行编写和测试，末了根据ARM2440硬件平台，交叉编译嵌入式运用。运用软件功能框图如图8所示。
4现场运用
在现场利用本套装置对开关柜进行局部放电检测，其结果如图9所示。系统利用绿灯、黄灯和红灯分别表示地电波峰值电平的3个电平范围（绿灯：0~19 dB，黄灯：20~27 dB，红灯：28~60 dB）。图9中矩形框里显示的是当前检测到的地电波的瞬时峰值。图9右下角显示与地电波旗子暗记干系的特色参数，“脉冲个数”表示测试周期内(2 s)的脉冲个数；“脉冲/周期”是工频下的周期脉冲数；“严重程度”表示短期局部放电严重程度，详细打算公式如式(3)。
短期严重程度=TEV幅值×每周期脉冲数(3)
5结论
本文对地电波检测系统进行了设计，提出了TEV传感器的构造，设计出采取峰值检波的地电波检测电路，并成功构建了一个地电波检测系统。经由对配电网中的开关柜进行现场反复测试，结果表明，本文设计的仪用具有良好的准确性与便携性，可以快速有效地检测出开关柜局部放电的严重程度。
参考文献
［1］ 黄诗敏.10 kV开关柜局部放电带电检测技能运用与仿真剖析研究［D］.北京:北京交通大学,2015.
［2］ 雷志勇.局部放电检测技能在配电设备毛病查找中的运用［J］. 中国新技能新产品,2011 (22):154.
［3］ 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能的研究［D］. 广州:华南理工大学，2010.
［4］ 叶培霖.基于地电波事理的开关柜局部放电检测与定位系统研究［D］.广州:华南理工大学，2014.
［5］ 金莹，贾志杰,陈轲娜，等.一种便携式开关柜局部放电检测仪器的设计［J］.微型机与运用,2015，34(12):20-22，26.
［6］ 杜冠.基于ARM的嵌入式Linux系统移植的研究与实现［D］.武汉:华中科技大学,2006.
