基于紫外檢測法的智能型特高壓驗電器系統(tǒng)

摘要：提出了一種基于DSP和LabVIEW的智能型特高壓驗電器系統(tǒng)設(shè)計方案。以DSP作為現(xiàn)場智能型特高壓驗電器系統(tǒng)的核心，上位機管理系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為開發(fā)平臺，并采用現(xiàn)場總線CAN將DSP采集的數(shù)據(jù)傳送至上位機進行分析處理。實驗表明，研制開發(fā)的智能型特高壓驗電器系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、多功能和抗干擾較強等特點。
關(guān)鍵詞：紫外檢測法；特高壓；驗電器；DSP；LabVIEW

    隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)負荷需求的提高，我國正在大力發(fā)展特高壓、長距離輸電技術(shù)。高電壓導(dǎo)致強電場、電氣設(shè)備絕緣中的某些薄弱部分在強電場的作用下發(fā)生局部放電，同時當架空輸電線路表面的電場強度超過空氣分子的游離強度(一般在20～30 kV／cm)，氣體會發(fā)生電離，出現(xiàn)電暈放電。因此，為了保障電網(wǎng)線路的穩(wěn)定運行和停電檢修時的安全。采用先進的檢測技術(shù)對輸電線路的狀態(tài)進行檢測具有重
要意義。
    目前國內(nèi)外500 kV電壓等級及其以下的驗電技術(shù)已較為成熟，但隨著電壓等級的提高，目前采用長桿上套裝電容型驗電器的驗電方法已難以滿足特高壓輸電系統(tǒng)發(fā)展的要求；同時利用紅外成像儀、紫外成像儀、超聲波探測儀等檢測方法存在成本高、操作復(fù)雜、靈敏度低，并對早期的放電危險難以預(yù)報，不能定量表示放電程度等缺點。而特高壓系統(tǒng)的絕緣要求更高，一般對地距離較遠，尤其特高壓輸電線路塔架高、跨距大、檢測地點有時受到地理位置限制。檢測距離可能大于80 m，故需要一種靈敏度高、檢測距離遠、成本低、易于掌握的特高壓放電檢測方法，根據(jù)紫外脈沖法在電氣檢測領(lǐng)域的研究經(jīng)驗。采用基于紫外脈沖法的放電檢測技術(shù)。
    通過極高靈敏度的日盲型紫外探頭，對高壓輸電線路的放電紫外光進行連續(xù)的在線檢測，通過計數(shù)紫外脈沖數(shù)，并結(jié)合檢測得到的環(huán)境參數(shù)，從而監(jiān)測高壓輸電線路狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理
    基于紫外檢測法的智能型特高壓驗電器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)采用DSP作為現(xiàn)場智能型特高壓驗電器的核心，其外圍由硬件電路組成，用于采集高壓輸電線路電暈放電信號，并將從紫外傳感器采集到的信號通過現(xiàn)場總線CAN傳送至上位機，上位機管理系統(tǒng)軟件由L-abVIEW開發(fā)，主要完成特高壓驗電器檢測參數(shù)的顯示和信號分析處理功能。

2 傳感器的選型
    紫外線的波長范圍是10～400 nm，太陽光中也含紫外線。波長大于280 nm的部分被稱為UV-C，幾乎全部被大氣中的臭氧吸收，因此通過大氣傳輸?shù)?8％是315～400 nm的UV-A，2％是280～315 nm的UV-B，低于280 nm的波長區(qū)間稱為太陽盲區(qū)。高壓輸電線路放電產(chǎn)生的紫外線大部分波長在280～400 nm之內(nèi)，也有小部分波長在230～280 nm之內(nèi)，探測這部分波長的紫外線，可作為判斷放電的依據(jù)。
    采用特定的紫外傳感器，利用太陽盲區(qū)，使儀器工作在波長185～260 nm，而對其他頻譜不敏感，去除可見光源的干擾。紫外傳感器光譜響應(yīng)特性的上限取決于陰極材料表面的功函數(shù)，必須大于4．1eV，一般用W、Mo、Ni等做陰極材料；下限取決于管殼材料透紫波長，透紫玻璃的極限波長是185 nm，適合應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
    經(jīng)過比較分析，選用HAMAMATSU公司的日盲型紫外傳感器R2868，如圖2所示。其技術(shù)指標為光譜響應(yīng)為185～260nm，放電起始電壓為280 VDC，工作電壓為325±25 VDC，工作電流小于30 mA，靈敏度為5 000 cps，背影噪聲小于10 cpm，該傳感器的工作波段采用太陽盲區(qū)中的185～260 nm波段，該波段不受太陽輻射的干擾，其靈敏度達5 000 cps，可有效檢測到電暈放電的紫外脈沖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)采用高性能的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為核心處理單元，擴展外圍功能電路，如圖3所示，主要包括：紫外傳感器及其驅(qū)動電路、溫濕度采集電路、時鐘電路、指示電路、存儲器擴展電路、JTAG接口電路和CAN通信接口電路等。

3．1 紫外傳感器驅(qū)動電路
    特高壓驗電器的核心器件是紫外傳感器，其工作電源可采用干電池或者太陽能電池，驅(qū)動電路如圖4所示，為了獲得325±25 VDC，前端必須進行DC／AC／DC轉(zhuǎn)換。逆變器U1輸入電壓為+3．3 V，驅(qū)動電路通過橋式整流對逆變器U1輸出的交流電壓進行整流，再通過C26、R3和R4組成的RC濾波電路進行濾波，調(diào)整R3和R4的值，將傳感器的工作電壓調(diào)到325V左右。紫外線入射時，紫外傳感器放電，電流由充電電容C27提供，并在電阻R7上產(chǎn)生瞬時電流，輸出一個脈沖電壓，引入電容C28可將輸出的脈沖電壓變得平滑穩(wěn)定；停止放電后，電源向電容C27逐漸充電，陽極電位增加。達到放電起始電壓后，如再有紫外光照射到傳感器上則再次放電。驅(qū)動電路包括信號處理模塊，消除了由自然激勵光源引起的背景放電信號。

3．2 溫濕度采集電路
    高壓輸電線路的電暈放電是一個復(fù)雜的過程，利用紫外檢測法必須考慮到周圍環(huán)境的影響。具體表現(xiàn)為：空氣污染越嚴重，空氣密度越小，濕度越大，電暈放電越強。這里采用數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71，在檢測高壓輸電線路電暈放電的同時，將溫度和濕度作為考慮因素，可以更好地檢測其放電情況。[!--empirenews.page--]
3．3 時鐘電路
    DSP工作是以時鐘為基準，如果時鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。在TMS320F2812上，有基于PLL時鐘模塊，為器件及各種外設(shè)提供時鐘信號。鎖相環(huán)有4位倍頻設(shè)置位，可以為處理器提供各種速度的時鐘信號。時鐘模塊提供2種操作模式：
    1)晶體工作模式，該模式允許通過外部晶體為芯片提供時鐘基準；2)外部時鐘源工作模式，此模式下內(nèi)部的振蕩器將旁路。芯片設(shè)備的時鐘由外部時鐘源從XTAL1／CLKIN引腳上輸入。在這種情況下，XTAL1／CLKIN引腳將與外部晶體振蕩電路相連。
    本系統(tǒng)用20 MHz外部晶體給DSP提供時鐘，并使用TMS320F2812片上PLL電路。PLL倍頻系數(shù)由PLL控制寄存器PLLCR的低4位控制，可由軟件動態(tài)地修改。
3. 4 指示電路
    為了便于選擇檢測時間和控制背景光等的亮暗，設(shè)置了選擇、確認，繼續(xù)和背景燈控制3個按鍵。在現(xiàn)代顯示器件發(fā)展中，液晶顯示器件以其功耗低、體積小、色調(diào)柔和、可與CMOS電路直接匹配和易于實現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點而應(yīng)用廣泛。這里采用了內(nèi)藏T6963C控制驅(qū)動器圖形液晶顯示模塊MGL(S)-12864T實現(xiàn)特定的漢字顯示。
3．5 存儲器擴展電路
    為方便調(diào)試和使用方便，設(shè)計擴展一個外部數(shù)據(jù)存儲器，采用ISSI公司的ISLV6416。該器件是一片64 Kx16 b的高速靜態(tài)RAM，采用3．3 V電源供電。這里3．3 V電壓信號由電源轉(zhuǎn)換器TPS75733轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，該芯片可將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成+3．3 V，供DSP工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4．1 下位機軟件設(shè)計
    下位機軟件采用C語言與匯編語言混合編寫。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后先進行各個模塊的初始化，然后開中斷等待中斷事件。當高壓輸電線路存在電暈放電時，DSP通過捕獲單元開始采集電暈放電脈沖數(shù)目，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)送液晶實時顯示并通過現(xiàn)場總線CAN上傳給上位機做進一步處理。

4．2 上位機管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
    上位機管理系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計方案如圖6所示。該系統(tǒng)包含一個主界面，在主界面中主要實現(xiàn)對高壓輸電線路電暈放電紫外脈沖檢測參數(shù)和信號波形的顯示，并對信號波形采用小波分析的方法進行分析處理。

5 結(jié)論
    針對特高壓輸電線路電暈放電檢測問題，采用DSP研制了一種基于紫外檢測法的智能型特高壓驗電器系統(tǒng)，經(jīng)軟硬件聯(lián)調(diào)，實驗表明，該系統(tǒng)達到預(yù)期要求，具有界面友好、操作方便、多功能和抗干擾較強等特點。電暈放電檢測的難點在于如何排除輸電線路上的各種干擾，采用小波分析等信號處理的方法提取干擾信號下的電暈放電脈沖信號是下一步的主要研究工作。