基于紫外傳感器的電暈放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

冉 濤，文 軍，譙小艷，汪金剛，孫 強，吳 健

（1.四川省電力公司達州電業(yè)局生產(chǎn)技術部，四川達州 635000;2.四川省電力公司達州電業(yè)局送電工區(qū)，四川達州 635000;3.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電，是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現(xiàn)電暈放電。電暈放電的主要表現(xiàn)有:電暈放電會產(chǎn)生聲、光、熱等效應，表現(xiàn)為發(fā)出“咝咝”的聲音，發(fā)出藍色光和使周圍空氣溫度升高等，它產(chǎn)生的噪音與一般的相比，會產(chǎn)生高頻脈沖電流，其中包含許多高次諧波，對無線電通訊造成干擾，隨著輸電線路電壓等級的提高，這種影響更為明顯;會使空氣發(fā)生化學反應，生成的臭氧、氮氧化物等會對固體介質(zhì)和金屬電極造成損傷或腐蝕［1］。電暈放電會產(chǎn)生巨大的能量損失，同時會造成電力設備的損壞而引起重大的事故。目前，電暈放電檢測方法主要有目視觀察法和超聲電暈檢測法等。由于電暈放電的目標小、強度弱，目視很難觀察到，而太陽光中含有很強的紅外線，用紅外線望遠鏡觀察誤檢率較高。超聲法在復雜設備放電源定位方面有獨到的優(yōu)點，但是，由于聲波在傳播途徑中衰減，畸變嚴重，聲測法基本不能反映放電量的大小［2］。

基于上述原因，本文將使用方便、靈活的嵌入式系統(tǒng)應用到電力設備電暈放電的監(jiān)測系統(tǒng)中，提出了一種新型的電暈放電在線監(jiān)測方法和思路。

1 監(jiān)測原理

圖1為不同交流電壓下電暈放電光譜圖。從圖上可知，電暈放電產(chǎn)生的光譜主要集中在紫外區(qū)域，在可見光部分的輻射相對較弱。在250～300 nm有一個強的輻射譜線出現(xiàn);在300～400 nm出現(xiàn)的譜線最多;在400～500 nm只有很弱的幾條譜峰出現(xiàn);而在500～600 nm內(nèi)，觀察不到譜峰的出現(xiàn)［3～5］。因此，可以通過監(jiān)測紫外光來判斷電力設備的電暈放電。

根據(jù)電力設備放電的特點，放電時輻射的紫外光類似于脈沖電流法的電流脈沖信號，利用紫外光“日盲型”檢測原理［6］對單位時間的有效脈沖信號的數(shù)目進行統(tǒng)計，從而來判斷電力設備電暈放電的強弱。

圖1 不同交流電壓下電暈放電光譜圖Fig 1 Corona discharge spectrum of under different alternating voltage

2 系統(tǒng)的整體設計原理

系統(tǒng)整體設計的原理圖如圖2所示。當被監(jiān)測的電力設備放電發(fā)出紫外光時，紫外傳感器接收到此紫外光［7］，并將其傳輸?shù)角度胧接嬎銠C系統(tǒng)中，通過嵌入式計算機的處理，測出在某段時間內(nèi)的紫外脈沖個數(shù)，然后與系統(tǒng)中預先設定好的脈沖數(shù)目比較，如果比它大，則通過與串口連接的GSM模塊發(fā)出預警信號到運行人員的手機上，從而運行人員對此電力設備進行檢查維護。

該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要包括:紫外傳感器，選用的是日本生產(chǎn)的R2868傳感器，響應波段為185～260 nm;嵌入式計算機系統(tǒng)，選用的芯片是ARM10微型處理器，它包括USB、串口、網(wǎng)口等接口;GSM模塊，選用的是西門子公司的TC35i模塊。軟件部分主要包括:嵌入式Linux系統(tǒng)，Trolltech公司為嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的圖形界面Qtopia和開發(fā)工具 Qt/Embedded 3.3.7。本文將重點介紹該監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計流程。

圖2 系統(tǒng)設計原理圖Fig 2 Principle diagram of system design

3 嵌入式的軟件設計過程

基于Qt/Embedded的應用軟件開發(fā)工作基本上是在工作站或者PC機上完成的，在工作的機器上調(diào)試運行嵌入式應用程序，并將輸出結果顯示在一個仿真小型設備顯示終端的模擬器上。在開發(fā)的后期，要根據(jù)選擇的嵌入式硬件平臺，將嵌入式應用程序編譯鏈接成適合在這個硬件平臺上運行的二進制目標代碼，另外，由于應用系統(tǒng)使用到了Qt/Embedded的庫，所以，還要將Qt/Embedded庫的源代碼編譯鏈接成為適合在這個硬件平臺上使用的二進制目標代碼庫。當一個Qt/Embedded應用被部署到小型設備上，并可靠地運行，這樣一個開發(fā)過程才宣告結束［8，9］。其開發(fā)的流程圖如圖3所示。

圖3 Qt/Embedded應用開發(fā)流程Fig 3 Flow chart of developing applications in Qt/Embedded

4 系統(tǒng)軟件設計過程

要使嵌入式Linux系統(tǒng)下的應用程序能夠運行，就必須開發(fā)驅動程序，它不像Windows系統(tǒng)，因為在Windows系統(tǒng)下，用戶不用去管驅動程序，系統(tǒng)基本上都集成了這些驅動，而嵌入式Linux系統(tǒng)比較靈活，它的驅動要靠用戶根據(jù)自己的需要來進行編寫［10］。

4.1 驅動的編寫與使用

紫外監(jiān)測設備驅動程序的結構如下:

1）定義用于保存設備文件系統(tǒng)的注冊句柄

devfs_handle_t devfs_ziwai;

2）定義主設備號

#define ZIWAI_TEST_MAJOR 139

3）設計所需的文件操作，定義file_operation結構

4）初始化注冊函數(shù)

a.注冊字符設備

b.申請中斷

在函數(shù)名之前，可以看到一個表示屬性的詞“__init”，加了這個屬性之后，系統(tǒng)會在初始化完成之后丟棄初始化函數(shù)，收回它所占用的內(nèi)存。這樣可以減小內(nèi)核所占用的內(nèi)存空間。但它只對內(nèi)建的驅動程序有用，對于模塊則沒有影響。

5）設備的注銷函數(shù)

6）驅動程序的使用

a.首先將驅動程序編譯進內(nèi)核，使用下面的命令:

編譯好后就生成ziwai_driver.o文件。

b.動態(tài)加載驅動程序:

驅動程序加載好后，就會在設備文件掛接的目錄（通常是/dev）下找到紫外檢測設備。

4.2 軟件的開發(fā)

在驅動程序加載以后就能夠識別紫外設備了，此時就可以進行軟件程序的編寫。軟件開發(fā)的流程圖如圖4所示。

運用Qt/Embedded 3.3.7編寫應用程序，首先讀取紫外設備傳來的紫外數(shù)據(jù)，并將其顯示在圖形界面上，同時也顯示出在某個時間段內(nèi)的紫外脈沖總數(shù)目，與預先設定好的脈沖數(shù)目個數(shù)相比較，大于它的話就通過GSM模塊發(fā)送預警信號到運行人員的手機上，從而運行人員對此設備進行檢查維護。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 4 Flow chart of system software

5 實驗

為了驗證該方法的可行性和準確性，在變電站進行了現(xiàn)場實驗。在四川省達州市220 kV復興變電站通復一線選取了各個隔離開關以及接地刀閘、耦合電容器、變壓器套管等7個點進行了紫外放電檢測實驗，依次編號為1～7。先后在冬天與夏天進行了現(xiàn)場實驗。測量位置均在地面（安全距離之外）。每次檢測時間為30 s，每個檢測點進行5次重復實驗，取5次測量的平均值作為被檢測點的紫外脈沖數(shù)量。實驗結果如圖5、圖6所示。設置報警的閾值為12，當監(jiān)測到的紫外脈沖數(shù)大于12時，就發(fā)送預警信號到手機上，當運行人員收到此信息后，就會對此設備進行相應的維護與處理，以冬季11月份監(jiān)測到的報警數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計其是否報警的表如表1所示。

圖5 復興220 kV變電站各測量點30 s紫外脈沖數(shù)量（冬季11月）Fig 5 Count of UV pulse in 30 s at Fuxing substation（Nov）

圖6 復興220 kV變電站各測量點30 s紫外脈沖數(shù)量（夏季6月）Fig 6 Count of UV pulse in 30 s at Fuxing substation（Jun）

表1 監(jiān)測結果Tab 1 The results of monitoring

1）從上面的實驗數(shù)據(jù)可以得知，對于不同檢測點測量得到的紫外脈沖數(shù)量不同。由于被檢測設備的電極結構和形狀不一樣造成了不同檢測點的紫外脈沖放電數(shù)不一致，在同一電壓等級作用下，放電強弱不一致的原因是其電場分布的均勻性不一致。

2）夏季和冬季兩次測試結果表明:夏季與冬季的放電規(guī)律一致，夏季放電強的位置在冬季時的放電依然很強。達州復興在6月份比在11月份的濕度更大、溫度更高，高壓電力設備的放電概率也就更大，濕度大，加劇了放電程度。

3）設置好閾值后，當監(jiān)測到的紫外脈沖數(shù)大于此值后，該系統(tǒng)就會發(fā)送預警信號到手機上通知運行人員此設備的運行情況。

4）研究和實驗表明:該系統(tǒng)能夠檢測出高壓電力設備的紫外放電脈沖，從而判定高壓電力設備的放電情況。本方法可以在地面上進行檢測，不需要登塔，檢測方便，檢測距離隨電壓等級的升高而增大。

6 結論

本文介紹了一種新型的電力設備電暈放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，將紫外檢測技術、無線通信技術和目前應用廣泛的嵌入式技術緊密結合起來，符合了電力系統(tǒng)在線監(jiān)測的發(fā)展趨勢和要求。從理論入手，詳細介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)軟件的開發(fā)流程。最后，通過現(xiàn)場實驗證明了該系統(tǒng)的可行性，具有一定的市場研究前景。但在硬件的簡化和軟件功能的實現(xiàn)上還需要更多地細化，才能進一步運用到工程實踐當中。

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