復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統的設計研究

南方電網玉溪供電局 徐 鵬

1 復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統設計研究的重要意義

自80年代起復合絕緣子開始被大規模應用于外絕緣系統中，90年代其應用數量更是飛速增長。復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統的設計研究，能有效的對支柱絕緣子進行無損檢測，避免由于支柱絕緣子缺陷引發事故發生。對支柱絕緣子進行無損檢測，能避免缺陷支柱絕緣子帶病運行，消除安全隱患，減少停電時間，提高供電可靠性。

2 復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統硬件部分研制

復合絕緣子缺陷微波全息檢測裝置主要由幾部分構成：微波定位裝置，微波反射端，前置放大器，數據采集裝置，電源及同軸電纜附件。其中定位裝置在改進前采用定向接收裝置，它在短距離內能夠保障微波全息定位接收精度，但同時也使得它在遠距離測量信號幅值過小，容易淹沒在背景噪聲之間。改進前系統各硬件部件連接圖如圖1所示。

圖1 硬件部分連接圖

該檢測系統的微波接收定位部分接收由穿透待檢測的絕緣子發射回的微波信號，采集到的微弱微波信號進入超高頻信號采集系統進行信號放大，并將微波信號轉化為易測量的電流信號，微弱電流信號通過信號調理單元，包括信號濾波、放大處理后，最后轉化為數據采集卡可采集的合適的電壓信號，電壓信號在PC中通過系統軟件的分析、處理、判斷，從而達到在線檢測絕緣子缺陷放電的目的。

2.1 微波電信號增益裝置

普通微波電信號增益裝置的微波譜響應曲線如圖2所示。它由外部5V左右的電源供電。微波電流增益通過外部接入的電壓控制單元進行控制，作為微波電流增益電壓，其調節范圍為0～1.25V。

圖2 微波電信號增益裝置的微波譜響應曲線

2.2 前置放大器

微波電信號增益裝置接收到缺陷微波全息微波后響應輸出的微波電流信號應該是一種脈沖信號的，而且是一種快速傳輸的脈沖信號，PMT輸出的電流信號頻譜絕大部分集中在信號低頻部分。

在選擇合適放大器時，首先對微波電流脈沖信號進行理想的低通濾波處理，同時考慮到輸出的信號脈沖間隔都比較長，一般都達到5μs以上，因此200kHz以上帶寬的放大器都是考慮的范圍。通過對信號濾波仿真分析可知，對于20MHz的信號濾波器，由于帶寬高，能很好還原信號特征；而對于500kHz濾波器，將會損失信號能量（500kHz大概只有20MHz能量的1/10）。為了使得采集卡能夠達到實時采集，綜合考慮后，系統選擇帶寬為500kHz的放大器。

該放大器輸入、輸出阻抗均為50，連接引線采用50射頻同軸電纜。工作模式主要有兩種：低噪聲和高速度，各有7個檔位。放大器最終的各項具體性能指標見表1。

2.3 數據采集設備

在系統改進以前，數據采集設備為NI公司基于PCMCIA接口的5102數據采集卡，由于PCMCIA接口自身數據傳輸速度的限制，使得數據采集時主要存在以下兩個方面的問題：

采集卡的數據傳輸速率有限。實時采集所需要的接口傳輸速率遠大于接口能夠提供的數據傳輸能力。傳輸速率的局限性使得軟件系統的數據采集并不是真正的實時采集，只是使用了一種模擬實時采集的方法，整周期的采集放電波形然后將采到的數據拼接起來，并不考慮放電時間間隔的數據，而是利用該間隔時間去存儲脈沖數據。

計算機的內存有限。從采集卡內讀取的數據必須首先放到內存里去，后期處理數據也要在內存中完成。如果把所有采集來的數據都存儲在內存里，后期的處理將會很方便。在采集數據、讀取原始數據或是后期分析處理時，均采用按照工頻周期的時間長度來部分存儲和讀取的方式。

重新選用的數據采集卡具有100MHz的帶寬，100MS/s的實時采樣率、即96MB/s的實時采樣率，并基于高速度的PCI接口，PCI最高的數據傳輸率可以達到133MB/s，因此完全滿足實時采集及傳送功能，該數據采集卡的性能指標如表2。

表2 PCI-5112數據采集卡性能指標

2.4 數字示波表

考慮到現場條件的限制以及操作人員的特點，遠程缺陷微波全息檢測儀的顯示裝置不可能采用工控機或者筆記本PC，主要需要考慮兩個方面：方便操作，功能完整；便攜性。對于每個絕緣子都采用詳細的數據來分析是需要很多時間的，也是沒有必要的，采用手持式示波器來檢驗絕緣子是否有缺陷放電產生完全能夠滿足辨別劣質絕緣子的要求。對于檢測出產生缺陷的復合絕緣子可以采用數據采集卡以及軟件程序對它進行詳細分析。綜合考慮系統集成和便攜性，選用Fluke生產的手持數字萬用示波表Fluke123/124，實時觀測放電波形，方便現場監測。

2.5 微波定位裝置

系統改進以前，遠程缺陷微波全息檢測儀的微波定位裝置為一個微波發射接收裝置，該裝置在短距離內（20m）能夠保證定位測量的精確度。在實驗室中進行絕緣子缺陷檢測時，由于測量距離一般在20cm以內，因此使用該裝置能夠保證其測量精度。

表1 電流放大器的性能指標

3 復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統軟件部分設計與改進

基于計算機和數據采集卡構成的硬件平臺，系統采用LabVIEW圖形化編程語言開發了系統軟件，整個軟件采用模塊化結構。從軟件的執行過程來看，軟件系統可以分為系統初始化、數據采集、分析計算、顯示和輸出結果四個部分；從系統的功能模塊劃分，軟件系統可以分為系統初始化、系統參數設置、系統控制、數據采集、數據預處理、計算放電參數、顯示放電波形、保存測量結果、打印結果和查看歷史數據10個模塊。軟件提供離線分析和在線檢測，可進行實時微波電流信號的處理、存儲、顯示和分析，最終軟件給出采集到的脈沖的極值和其分布等分析結果。整個系統的軟件處理模塊如圖3所示。整個程序框架采用Windows程序常用的消息驅動模式，能夠根據用戶的需求從圖中三個不同的起點開始工作，得到所需的結果。

圖3 系統軟件基本模塊圖

根據軟件體系結構圖，分別對各部分的功能進行軟件設計，可歸結為三大模塊的設計，即數據采集模塊、數據分析處理模塊和數據庫模塊。在硬件條件不變的情況下，可以通過軟件模塊的修改和增加來完善系統原有的功能，擴充和增加新的功能。

3.1 數據采集模塊

程序接收到采集命令后開始初始化有關采集的變量，設置采集卡的采樣率、采集的時間段、緩存大小、門檻閾值等。設置結束后，程序檢測采集卡的內部觸發信號，采集正式開始。程序還需要檢查采集的數據是否已經達到緩存的上限，并隨時將緩存中的數據送出，采集后的數據經門檻濾波和峰值保持后送入數據庫保存。數據采集模塊流程圖如圖4所示。由于計算機內存是有限的，程序不能把所有采集的數據都實時進行存貯，而只能采用內觸發方式，對所有采集的信息中進行脈沖提取，只采集脈沖波形。

圖4 數據采集流程圖

3.2 數據分析處理模塊

數據分析處理模塊是軟件系統中的重要部分，已完成的功能如下：統計某一時間段內放電的最大幅值以及脈沖的平均幅值；統計某一時間段內超過某個閾值的放電次數以及總脈沖放電時間；計算并顯示某一時間段內放電幅值和放電次數間的對應關系；顯示某次放電的波形；相鄰脈沖放電時間間隔顯示分析。

數據處理模塊中最重要的一個功能是放電脈沖幅值與放電次數統計，它采用軟件峰值保持加以實現。軟件峰值保持模擬了硬件峰值保持的原理，并且大大簡化了電路。雖然峰值保持丟失了一部分放電信息，但通過合理劃分時間段，完全可以滿足測量的需要。軟件系統為用戶提供了修改時間段的權限，可以滿足不同測試的要求。放電脈沖幅值與放電次數的軟件流程如圖5所示。

數據處理分析模塊中還有一個重要的功能是，能對相鄰脈沖之間的時間間隔進行統計分析，從而能夠判斷一次放電是雙極性脈沖還是單極性脈沖。

圖5 放電脈沖幅值與放電次數的軟件流程圖

程序界面如圖6所示，橫軸代表相鄰脈沖出現的時間，縱軸代表該時間內脈沖統計個數。因為每次峰值時，都將出現脈沖群（脈沖群可能只含有幾個脈沖，也可能含大量脈沖），所以絕大部分相鄰脈沖的時間間隔為0ms附近，但是由一個脈沖群轉移到下一個脈沖群時，其脈沖間隔將會出現以下兩種情況：如果下一個脈沖群的極性和前一個相同，即只存在單極性脈沖，那么相鄰脈沖群間隔為工頻周期20ms或20ms的整數倍附近，如圖6（a）所示；如果下一個脈沖群的極性和前一個不同，即正負極性缺陷都出現，那么將會有很多脈沖相鄰間隔出現在10ms或10ms的整數倍附近，如圖6（b）所示。

圖6 不同極性下相鄰脈沖時間間隔統計

4 結語

本文主要進行了復合絕緣子缺陷微波全息檢測系統的設計與研究，研究內容包括軟硬件構成、軟件結構，并探討和分析該系統存在的問題。根據當前存在的問題，提出改進措施，進一步改進系統的性能。