摘　要　介绍了一种用于地面在线检测线路不良绝缘子串的新型装置，阐述了其对绝缘子串放电指纹进行模式识别的工作原理、抗干扰措施及现场实验结果。
关键词　电晕脉冲，放电指纹，不良绝缘子

1　原　理
　　三相绝缘子串中的某串上含有不良绝缘子时，其电压分布会发生变化，良好绝缘子承担电压和电晕放电的次数、强度均会增加。此时整个杆塔上绝缘子串的电晕脉冲个数和相位分布(N—φ谱图)等特征与没有不良绝缘子时不同，并由此检测出不良绝缘子。但误判和抗干扰等关键问题仍待解决。
　　检测仪的工作原理框图见图1。
 

图1　检测仪原理框图

2　构　成
　　检测仪由以AT89 C51为核心的单片机系统、宽带电流传感器和耦合天线组成。其中单片机系统包括数据采集与处理系统、串行接口电路和两路信号的滤波器、放大器等电路。
2.1　宽带电流传感器
　　为了确定电流传感器的频带和灵敏度要求，作者在实验室通过接地线上串联的电阻测量了许多绝缘子的电晕放电(采用DL1540L型数字示波器，带宽150MHz；最高采样频率200MHz)，测到的脉冲波形的上升沿约为50ns，宽度约为250～400ns，频谱较宽，主要频率分量大约在10　MHz以内，脉冲电流的最大幅值约为50μA～10mA。
　　经用钳形电流传感器、DL1540L型数字示波器和UPS电源对北京海淀区清河变电站附近的旺丰、清极及清沙旗支等线路的多个杆塔、水泥塔接地线上的电力载波干扰进行测量，测到的载波信号由多个中心频率不同、幅值不同的被调制了的正弦波迭加而成。各个频段的中心频率随时间、线路、地区的不同而不同，大多在3MHz以下，幅值可高达1V。
　　绝缘子电晕脉冲信号很微弱，而且频带分布很广，与工频干扰、谐波干扰和载波干扰的频带相重叠。为了有效提取脉冲信号成分，选用3MHz以上的频带做为检测频带。
　　本检测仪所配高频宽带钳形脉冲电流传感器由钳形磁芯(特种硅钢片)、线圈(15匝)、积分电阻(10kΩ)和钳形金属屏蔽盒组成。检测时将其套在接地线上，并从积分电阻两端引出电压信号。图2是传感器对一个绝缘子电晕脉冲的响应(通道1的信号是接地线上串接的50Ω电阻两端的直流电压，纵轴20mV/格，横轴0.5μs／格；通道2的信号是传感器输出的交流电压，纵轴200mV/格，横轴0.5s／格)。

图2　传感器对电晕脉冲的响应

2.2　高通滤波器
　　因载波干扰很大，在对脉冲信号进行处理之前，须先进行滤波，以提高信噪比。
　　脉冲电流法主要研究脉冲的相位分布和幅值分布等统计特征，脉冲波形对检测结果影响很小。因此，要求滤波器在3MHz以内有很高的衰减，过度带要尽量窄，上限截止频率尽量高。
　　基于上述考虑，选用了四阶双二次型椭圆函数高通滤波器。其幅度响应在通带和阻带内均有波动，但在给定阶数和阻带衰减要求的前提下，与巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器和反比切比雪夫滤波器相比，具有最窄的过渡带，而且所用的放大器的数目最少，能减少仪器的体积和功耗。图3是实验室里用示波器观察到的绝缘子电晕脉冲通过传感器和滤波器的情况。通道1(上)是接地线上50　Ω电阻两端的电压波形(直流)，纵轴100mV/格，横轴5ms/格，其中的波动为工频电压，电晕脉冲叠加其上。通道2(下)是滤波器输出电压波形(交流)，纵轴200mV/格，横轴5ms/格。可见，绝缘子电晕脉冲能很好地通过传感器和高通滤波器，并基本上保持原有的分布特性。现场检测表明，幅值达到1　V的载波干扰基本被滤除。
 

图3　多周期里电晕脉冲通过检测系统

2.3　高频放大器
　　高频放大器是一个简单的正相电压并联负反馈比例放大器。根据实验室和现场检测结果，电晕脉冲电流幅值为μA～mA级，经传感器和高通滤波器的滤波和放大作用后，仍能产生mV级的脉冲电压信号。因此高频放大器的增益不必很高，本检测仪有1、2、5、10四档增益可供选择。当增益为5时，放大器输出的脉冲幅值实测达到几十mV，甚至上百mV。
2.4　数据采集与处理系统
　　脉冲信号经过传感器、高通滤波器和高频放大器后，在进行统计和模式识别等数字化处理之前，须转换为离散的数字量。转换精度和采样速率是模数转换的两个关键指标。
　　脉冲电流法对脉冲幅值要求不严，仅要求反映脉冲相位和大致的幅值，8位模数转换器的分辨率为1/256，即基本能满足要求。8位数据也便于51系列单片机存贮、传递和处理。因此，本检测仪选用了8位模数转换器。
　　因电晕的模式是采用统计的方法获取的，故不要求检测仪采集到每一个电晕脉冲信号，允许漏采脉冲。在脉冲越容易发生的相位上，采集到脉冲的可能性越大；而脉冲越大，越有可能采集到较大的数值。因此，利用一定采样频率所采集到的数字信号可以形成电晕模式。
　　电晕脉冲信号的持续时间很短，一般只有几百ns，即使经过传感器、滤波器和放大器的滤波而有所展宽，也只能达到1～2μs，这相对于一个20ms的工频周期来说是非常短暂的。如果采用很高的采集频率，虽然采到脉冲的可能性大，效率高，但势必造成数据量过于庞大，使单片机系统难以存储和处理；如果采用很低的采样频率，则采集脉冲的效率很低，需要采集很多周期的数据，耗费大量时间。本文参考了放大器输出脉冲的宽度、51系列单片机的运算速度和存储容量，采用了0.5MHz采样速率。
　　在实验室里，利用本检测仪分别在0.5、0.25、0.125MHz采样速率下对同一条件下的绝缘子电晕脉冲信号进行采样，得到了几乎相同的统计结果。这说明上述对采样频率的论述是正确的。
　　数据的统计、处理和存储由单片机AT89C51和32　k的SROM来完成。由于数据采集速度较高，单片机来不及控制每一个数据的采集，且受单片机的存贮容量限制，做不到先采集上千周期的数据然后再处理。检测仪采用了分时循环处理方式，即先采集一个周期的数据，接着对其进行处理，处理完毕后再采集另一周期的数据。统计完给定周期数后，再形成电晕模式并进行模式识别。
2.5　基准信号电路
　　电力系统的系统频率总在允许范围内浮动。检测仪采集并处理上千周期的数据，需要半分钟左右的时间，在这段时间里，由系统频率的浮动引起的相位漂移非常严重。因此，不能依靠一个固定为50Hz频率的信号来确定电晕脉冲的相位。我们利用空间感应电场来产生一个基准信号，其频率与系统频率保持同步变化，能为采集到的数据提供一个准确的相位基准，从而能够实现脉冲的相位统计。
　　基准信号电路框图如图4，感应电压信号经电压跟随器(目的是增加输入阻抗)进入工频放大器和模拟滤波器滤波后，形成工频正弦波，然后由过零比较器转换为同频率的方波，再由D触发器分频，控制数据采集的开始与结束。滤波器由两级二阶正反馈带通滤波器串联而成，中心频率为50Hz，带宽5Hz，每级滤波器的品质因数为10，增益为10。
 

图4　基准信号电路

2.6　串行通讯接口
　　为了便于利用个人计算机控制检测仪并查看数据处理过程，检测仪还带有RS232串行通讯接口，供与个人计算机通讯之用。

3　检测仪的实验室检测结果
　　对由7片XP—7型绝缘子组成的绝缘子串施加63kV电压，模拟110kV线路单相绝缘子串，并用检测仪测量了绝缘子串的电晕特性。7片绝缘子全是良好绝缘子时，检测仪在1000个工频周期几乎检测不到电晕脉冲。若线路侧第一片为零值绝缘子，检测到的脉冲个数N与相位关系曲线如图5。可见绝缘子串电晕脉冲特性可反映不良绝缘子的存在。
 

图5　单相绝缘子串电晕脉冲个数与相位关系

4　现场实验
　　1999年5月7日，作者利用本检测仪对兰州供电局开河二线(110kV)的若干铁塔进行了检测。该线路不久前进行过检修，发现24片低零值绝缘子。本检测仪检测结果与上述结果基本一致。例如，8号铁塔有两相含有低零值绝缘子。本检测仪检测到的数据(见图6)表明了同样结论；处于60°和240°的两簇脉冲来自某相绝缘子串，120°和360°附近的两簇脉冲来自另一相绝缘子串。由于第三相没有不良绝缘子，也就没有电晕脉冲。
 

图6　绝缘子串电晕脉冲个数与相位的关系(现场实测)

5　结　论
　　a.电晕放电指纹、模式识别和数字化实现方案引入脉冲电流法，使地面检测零值绝缘子进入了实用阶段。
　　b.本检测仪体积小、重量轻，利用电池供电，适合野外寻线时携带。它利用钳形电流传感器从杆塔地线上获取信号，不用登塔，在地面即可迅速完成对塔上所有绝缘子的检测，操作简便，准确性较高。

参考文献

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