基于紫外脈沖檢測技術的電氣設備放電狀態檢測裝置研究

【摘要】本裝置針對高壓電氣設備絕緣降低時會產生電暈放電的特點，采用特定的紫外傳感器，通過傳感器采集日盲區紫外光輻射產生的光脈沖，對單位時間的有效脈沖信號的數目進行統計，通過脈沖數目的大小來判斷電暈放電的強度，將脈沖產生的放電信號送到處理電路轉換成數字信號，再傳入嵌入式微處理器進行分析， 通過3G模塊把數據發送至集控中心，利用GPS定位模塊，準確地定位電氣設備所在位置，方便準確地了解到電氣設備的絕緣性能，給出故障預警。

【關鍵詞】紫外脈沖檢測；電暈放電；3G通訊；在線監測

0.引言

隨著電網規模的迅速擴大和電力需求的日益增加，電力系統電壓等級被迫提高，電氣設備的絕緣問題也顯得越來越突出。電力設備由于運轉操作、使用年數、使用頻度及使用環境等影響，其絕緣材料會逐年發生裂化，進而發生設備故障或電力事故。一旦發生故障或事故就會引起局部甚至全地區的停電，給國民經濟其他部門的生產和運作造成嚴重的不良后果。該紫外脈沖監測設備在電氣設備未停機或者未發生故障的情況下，檢查電氣設備的絕緣材料是否有放電現象，隨時對運行中的電氣設備的絕緣情況進行監督，隨時掌握設備的運行情況。

1.裝置總體設計方案

該系統是一套基于紫外脈沖監測技術，能用于高壓電氣設備的非接觸式放電監測系統。其總體設計框圖如下：

圖1系統總體設計框圖

裝置主要由以下幾個模塊構成：傳感器模塊、信號調理模塊、AD轉換模塊、嵌入式微處理器模塊、存儲器模塊、GPRS無線通訊模塊、液晶顯示及按鍵模塊、聲光報警模塊、GPS定位模塊、電源管理模塊。

系統的工作原理是：本項目利用紫外線傳感器、磁場傳感器、溫濕度傳感器等，分別采集電氣設備的各參數信號；繼而用信號調理模塊處理該信號；隨之經過高精度A/D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號；然后將數據傳輸至嵌入式微處理器中，進行計算分析，顯示實時測試的數據。另外，通過在一些操作按鍵，可以將采集到的數據存儲至SD卡，通過3G模塊把數據發送至集控中心，利用GPS定位模塊，準確知道工作人員及出現故障線路的位置，操作人員可通過液晶顯示和報警系統，方便準確地了解到電氣設備的運行狀況。

2.系統傳感器模塊設計及選型

根據系統要求，傳感器模塊主要包括以下部分：

2.1紫外光敏管R2868

本模塊的主要作用是檢測電暈放電現象，它可以探測到波長為185nm到200nm的狹窄光源，其實物圖如圖4.1所示。它對可見光完全沒有感應，也不需要過濾器任何可見光（不像半導體探測器）。

2.2磁場傳感器HMC1022

本模塊的磁阻傳動機構為四臂的惠斯通電橋，將磁場轉換成差動輸出的電壓。可檢測低至85微高斯的磁場。

2.3 SHT10溫濕度傳感器

SHT10溫濕度傳感器是由瑞士Sensirion公司生產，基于領先世界的CMOSens數字傳感技術，具有極高的可靠性和穩定性。

2.4電場傳感器

采用寬帶集成光波導電場傳感器，由激光器、保偏光纖、電場傳感器、普通光纖、光探測器組成。

3.系統微處理器及其輔助電路設計

本系統采用ATmega16作為核心處理器，ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。本部分包括ATMEGA16單片機、液晶顯示器、蜂鳴器、溫濕度傳感器sht11。單片機通過I2C總線讀取將sht11檢測的溫濕度數據，內部AD采樣記錄磁場信號，內部計數器記錄脈沖個數，蜂鳴器用于報警提示。最后將數據綜合起來，通過算法判斷絕緣子的損壞情況，將結果顯示在液晶顯示屏上，并根據判斷結果等級發出不同聲音報警。

4.紫外脈沖檢測電路

本部分是整個系統的核心部分，其設計的電路圖如圖2所示，這部分電路主要包含升壓電路及脈沖信號處理電路。

4.1升壓電路

本部分電路由電阻R19，電容C19、C20，二極管D6、D5，NPN三極管Q4、升壓變壓器H-01組成。觸發口連至單片機D4引腳。單片機產生40HZ、35%占空比的PWM波，通過開關三極管在H-01的一次側產生交變的電流并在鐵芯中產生交變磁場，H-01的二次側感應出交變電壓，從而將5V電壓轉換成幅值達250V尖脈沖電壓，驅動R2868紫外傳感器。

4.2脈沖處理電路

本部分電路由電阻R16、R17、R18，電容C21、C27、C28，三極管Q3，芯片TS555組成。脈沖輸出口連至單片機B0引腳。R2868接收到紫外線后會產生1.7V左右的尖脈沖信號，通過Q3組成的開關電路形成幅值為5V的窄脈沖信號，再通過TS555單穩觸發電路形成寬脈沖信號，傳送給單片機。

圖2 紫外脈沖檢測電路

5.系統軟件設計及實現

系統軟件主要是單片機程序，其工作流程為：開機后單片機自檢，各類傳感器初始化，開啟定時器中斷并進行計數，同時采集磁場信號，采集電池電壓信號，采集溫濕度信號，當定時時間到了以后，顯示磁場信息，同時給出紫外線脈沖數，完成整個系統的一次循環工作。最后在液晶顯示器上顯示出相關信息，如果有異常情況會給出報警信息。

6.結論

本裝置已經初步研制成功，所有信號監測與控制性能良好，實現的功能主要在以下幾個方面：

（1）能夠檢測5米以內的電暈放電的強度，在液晶顯示器上每隔3秒鐘顯示紫外脈沖數量。

（2）利用實驗室的模擬光源，能明顯檢測區分不同強度的紫外光源。

（3）能完全屏蔽太陽光的干擾，實現了日盲紫外線強度的檢測。

由于目前系統處于研制階段，下一步的目標是盡量增加測試距離，增大系統的靈敏性，同時進行大量現場實驗，獲取電氣設備不同運行狀態下放電強度，尋找絕緣故障有效判據，為電氣設備進行狀態檢修提供可靠的依據與保障。 [科]

【參考文獻】

［１］張占龍，王科，唐炬，周軍，楊振山，何為.變壓器電暈放電紫外脈沖檢測法[J].電力系統自動化，2010，02.

［２］何為，陳濤，劉曉明，楊帆，姚德貴，熊東.基于紫外脈沖法的非接觸式低值（零值）絕緣子在線監測系統[J].電力系統自動化，2006，（10）.