基于紫外檢測法的智能型特高壓驗(yàn)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(yàn)電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以DSP作為現(xiàn)場智能型特高壓驗(yàn)電器系統(tǒng)的核心，上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，并采用現(xiàn)場總線CAN將DSP采集的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)表明，研制開發(fā)的智能型特高壓驗(yàn)電器系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、多功能和抗干擾較強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：紫外檢測法；特高壓；驗(yàn)電器；DSP；LabVIEW

    隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)負(fù)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(qiáng)電場、電氣設(shè)備絕緣中的某些薄弱部分在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生局部放電，同時(shí)當(dāng)架空輸電線路表面的電場強(qiáng)度超過空氣分子的游離強(qiáng)度(一般在20～30 kV／cm)，氣體會(huì)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(yùn)行和停電檢修時(shí)的安全。采用先進(jìn)的檢測技術(shù)對(duì)輸電線路的狀態(tài)進(jìn)行檢測具有重
要意義。
    目前國內(nèi)外500 kV電壓等級(jí)及其以下的驗(yàn)電技術(shù)已較為成熟，但隨著電壓等級(jí)的提高，目前采用長桿上套裝電容型驗(yàn)電器的驗(yàn)電方法已難以滿足特高壓輸電系統(tǒng)發(fā)展的要求；同時(shí)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(duì)早期的放電危險(xiǎn)難以預(yù)報(bào)，不能定量表示放電程度等缺點(diǎn)。而特高壓系統(tǒng)的絕緣要求更高，一般對(duì)地距離較遠(yuǎn)，尤其特高壓輸電線路塔架高、跨距大、檢測地點(diǎn)有時(shí)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(yuǎn)、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(yàn)。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(duì)高壓輸電線路的放電紫外光進(jìn)行連續(xù)的在線檢測，通過計(jì)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(jì)及工作原理
    基于紫外檢測法的智能型特高壓驗(yàn)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(yàn)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(hào)，并將從紫外傳感器采集到的信號(hào)通過現(xiàn)場總線CAN傳送至上位機(jī)，上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件由L-abVIEW開發(fā)，主要完成特高壓驗(yàn)電器檢測參數(shù)的顯示和信號(hào)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(duì)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(biāo)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(dá)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(jì)
    本系統(tǒng)采用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為核心處理單元，擴(kuò)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(dòng)電路、溫濕度采集電路、時(shí)鐘電路、指示電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)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(dòng)電路
    特高壓驗(yàn)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(dòng)電路如圖4所示，為了獲得325±25 VDC，前端必須進(jìn)行DC／AC／DC轉(zhuǎn)換。逆變器U1輸入電壓為+3．3 V，驅(qū)動(dòng)電路通過橋式整流對(duì)逆變器U1輸出的交流電壓進(jìn)行整流，再通過C26、R3和R4組成的RC濾波電路進(jìn)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(shí)，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(shí)電流，輸出一個(gè)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(dá)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(dòng)電路包括信號(hào)處理模塊，消除了由自然激勵(lì)光源引起的背景放電信號(hào)。

3．2 溫濕度采集電路
    高壓輸電線路的電暈放電是一個(gè)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(yán)重，空氣密度越小，濕度越大，電暈放電越強(qiáng)。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(shí)，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(shí)鐘電路
    DSP工作是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)，如果時(shí)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(shí)鐘模塊，為器件及各種外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)。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(shí)鐘信號(hào)。時(shí)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(shí)鐘基準(zhǔn)；2)外部時(shí)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(shí)鐘由外部時(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)地修改。
3. 4 指示電路
    為了便于選擇檢測時(shí)間和控制背景光等的亮暗，設(shè)置了選擇、確認(rèn)，繼續(xù)和背景燈控制3個(gè)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。這里采用了內(nèi)藏T6963C控制驅(qū)動(dòng)器圖形液晶顯示模塊MGL(S)-12864T實(shí)現(xiàn)特定的漢字顯示。
3．5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路
    為方便調(diào)試和使用方便，設(shè)計(jì)擴(kuò)展一個(gè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)由電源轉(zhuǎn)換器TPS75733轉(zhuǎn)換實(shí)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(jì)
4．1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    下位機(jī)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(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，然后開中斷等待中斷事件。當(dāng)高壓輸電線路存在電暈放電時(shí)，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(shí)時(shí)顯示并通過現(xiàn)場總線CAN上傳給上位機(jī)做進(jìn)一步處理。

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

5 結(jié)論
    針對(duì)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(yàn)電器系統(tǒng)，經(jīng)軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)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(qiáng)等特點(diǎn)。電暈放電檢測的難點(diǎn)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(hào)處理的方法提取干擾信號(hào)下的電暈放電脈沖信號(hào)是下一步的主要研究工作。