基于STM32單片機控制的高壓開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)的研究

朱名強，謝曉媛，唐小華，藍日衛(wèi)，黃少芬

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，崇左 532200）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電力設(shè)備如高壓開關(guān)柜的使用越來越多，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)供電可靠性有很大的影響。一旦發(fā)生故障，有可能線路和設(shè)備會受損，造成大面積停電。絕緣類故障主要表現(xiàn)為絕緣擊穿，產(chǎn)生的主要原因有：絕緣老化、過電壓、工藝不滿足要求等。絕大多數(shù)的絕緣類故障在故障前期都會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，出現(xiàn)局部放電時，會產(chǎn)生氣體生成物、電脈沖、超聲波、電磁輻射、光、局部過熱及產(chǎn)生能量損耗等現(xiàn)象。調(diào)查表明，50%以上的故障是可預(yù)先發(fā)現(xiàn)的。通過對局部放電進行檢測，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題，采取有效措施，避免發(fā)展成為故障。本文主要對高壓開關(guān)柜局部放電檢測方法進行簡述，設(shè)計了基于STM32單片機控制的高壓開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)。

1 高壓開關(guān)柜局部放電檢測方法

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法是通過檢測測量阻抗在耦合電容側(cè)或通過羅戈夫斯基線圈從電力設(shè)備的中性點或接地點測取局部放電信號。該方法檢測實時性較好且靈敏度較高，能夠測量放電量、放電頻次、放電能量、放電相位等，是廣泛使用的一種局部放電檢測方法。

1.2 暫態(tài)對地電壓法

暫態(tài)對地電壓法是通過檢測局部放電在電氣設(shè)備對接地金屬殼之間產(chǎn)生的放電電壓實現(xiàn)的。當(dāng)開關(guān)柜對地絕緣發(fā)生局部放電時，產(chǎn)生少量電容性放電電量，電量很小且持續(xù)時間非常短。該方法受外界干擾小，可提高檢測的靈敏度與可靠性，在電力設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

1.3 特高頻法

特高頻法是通過特高頻傳感器對電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號進行檢測的方法。在局部放電中，會產(chǎn)生陡的電流脈沖，脈沖的上升時間為幾ns，激發(fā)特高頻的電磁波。該方法可避開常規(guī)頻率的干擾，具有良好抗干擾特性、故障定位準確、靈敏度高、檢測范圍大等優(yōu)點。

1.4 超聲波檢測法

超聲波檢測法是利用超聲波傳感器檢測電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的超聲波信號從而判定局部放電的方法。超聲波檢測法受電氣干擾小，對放電源的定位準確。局部放電檢測方法還有其他的檢測方法，如：振蕩波法、氣相色譜檢測法、光檢測法等多種檢測方法。通過對高壓開關(guān)柜局部放電檢測方法進行分析，每種檢測技術(shù)檢測原理不相同，適用范圍也不一樣。超聲波檢測可用于開關(guān)柜等金屬封閉型的開關(guān)設(shè)備，也可用于復(fù)合絕緣的部件。超聲波檢測法測量的不是電信號，利于排除電氣產(chǎn)生的干擾，容易實現(xiàn)在線檢測，能識別放電模式，得到放電電荷的組成等信息，所以，本系統(tǒng)采用超聲波檢測法進行檢測。

2 基于STM32單片機控制的高壓開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)設(shè)計

開關(guān)柜局部放電檢測系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，主要包含STM32控制器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、信號檢測模塊、顯示模塊、按鍵設(shè)置模塊、聲光報警模塊和電源模塊。

圖1 局部放電檢測系統(tǒng)組成框圖

2.1 STM32控制器模塊

為使系統(tǒng)各模塊能夠高效正常工作，控制器采用STM32單片機，該單片機低功耗，高可靠性，具有32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間，512K字節(jié)的程序存儲器，高達64K字節(jié)的SRAM。控制器主要用于對信號檢測模塊的輸出信號進行處理，判斷是否有局部放電現(xiàn)象，并通過顯示模塊顯示結(jié)果，通過無線WIFI模塊傳輸?shù)绞謾CAPP進行顯示。如果有局部放電現(xiàn)象，通過聲光報警模塊進行報警，將報警信息通過存儲器進行保存。

2.2 存儲模塊

存儲模塊采用W25Q64FVSIG，電壓為2.7V～3.6V，具有8M字節(jié)的容量，支持SPI操作。存儲器模塊具有引腳數(shù)量少，功耗低等特點，用于存儲聲音，文本和圖像。在本系統(tǒng)中用于存儲放電狀態(tài)，如擴展本系統(tǒng)，可用于存儲采集的信號波形等。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用ESP8266 WIFI模塊，3.3V單電源供電，是超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，可方便地進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266可支持GPIO、ADC、IIC、UART等硬件接口。ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。STA 模式是通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，再通過電腦或者手機連接互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制；AP模式為ESP8266模塊作為熱點，使用電腦或者手機直接與ESP8266模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制；STA+AP模式為兩種模式的共存模式，根據(jù)需要采用合適的模式。本系統(tǒng)直接用手機AAP監(jiān)控局部放電檢測系統(tǒng)檢測到的放電狀態(tài)，采用AP模式，實現(xiàn)手機AAP與系統(tǒng)的無線通信。ESP8266WIFI模塊電路連接圖如圖2所示。

圖2 ESP8266WIFI模塊電路連接圖

2.4 信號檢測模塊

信號檢測電路如圖3所示。信號檢測模塊由超聲波傳感器、前置放大器、濾波器、輸出放大器組成。超聲波傳感器用于檢測開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的超聲波，轉(zhuǎn)化為電信號。前置放大器緊跟超聲波傳感器，傳輸線短，用于阻抗轉(zhuǎn)換和匹配，并將超聲波傳感器輸出的微弱電信號進行放大。輸出放大器主要是使輸出電壓信號滿足STM32單片機的采集要求。

圖3 信號檢測電路框圖

2.4.1 超聲波傳感器

開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的的超聲波信號頻帶為20k-60kHz之間，所以超聲波傳感器的中心頻率選擇40kHz，避免低頻和高頻信號的干擾。超聲波傳感器探頭采用壓電陶瓷，選擇空氣傳導(dǎo)式超聲波傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和優(yōu)越的信噪比，并且可以進行放電模式的識別。因外界有多種電磁干擾，需要將超聲波傳感器置于屏蔽金屬套里。

2.4.2 前置放大器

前置放大器要考慮提高系統(tǒng)的信噪比，設(shè)計為高輸入阻抗、高共模抑制比和低輸出阻抗。前置放大器采用AD8130集成運算放大器進行設(shè)計，設(shè)計的放大器放大倍數(shù)要足夠，頻寬要大于傳感器的頻寬，具有低噪聲和高分辨率的特點。

2.4.3 濾波器

濾波器采用集成運放和R、C電路組成的帶通濾波器，主要作用是濾除和抑制干擾，提高整個系統(tǒng)的信噪比。由于開關(guān)柜的局部放電信號是脈沖型的信號，需要把濾波器的沖激響應(yīng)和幅頻特性綜合考慮進來。

2.4.4 輸出放大器

輸出放大器的主要作用是將濾波器輸出的信號轉(zhuǎn)化為STM32單片機AD轉(zhuǎn)換器所需的信號。輸出放大器采用AD8139ARDZ集成運放來設(shè)計。由于外界的干擾，在電源和地之間并聯(lián)一個0.1μF的電容，可有效防止高頻干擾。輸出放大器輸出的信號直接接到STM32單片機的AD采集通道進行處理。

2.4.5 顯示模塊

顯示模塊主要用于顯示開關(guān)柜絕緣狀態(tài)，即顯示局部放電信息，如果系統(tǒng)后面需要擴展，用于顯示波形、波形回放等功能。本系統(tǒng)采用2.8寸的觸摸屏，跟ST M32單片機配合使用，功耗低，散熱小，能夠表顯示豐富的信息，操作界面友好。本系統(tǒng)可通過手機APP進行顯示。

2.4.6 按鍵設(shè)置模塊

按鍵設(shè)置模塊主要用于調(diào)取報警記錄信息、開或關(guān)報警，如需要，可擴展別的用途，使用按鍵較少，所以采用獨立按鍵。這種按鍵方式是各按鍵相互獨立，采用軟件查詢和軟件去抖方式，低電平為有按鍵按下。

2.4.7 聲光報警模塊

聲光報警模塊由發(fā)光二極管和蜂鳴器實現(xiàn)，即聲光報警。當(dāng)系統(tǒng)采集到有放電現(xiàn)象時，蜂鳴器發(fā)出聲音，發(fā)光二極管閃爍，報警可通過按鍵關(guān)閉。

2.4.8 電源模塊

電源模塊供電給系統(tǒng)各模塊使用，有直流5V、3.3V兩種。電源需要功能可靠，抗干擾能力強，在電源和地間接1只0.1μF的電容。3.3V電壓由5V電壓經(jīng)過AMS1117－3.3穩(wěn)壓器得到。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了檢測高壓開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象有無的功能，通過觸摸屏或手機APP進行顯示。由于系統(tǒng)采用STM32控制器，功能強大，為之后擴展系統(tǒng)的功能奠定了基礎(chǔ)。通過擴展，可采集局部放電的信號波形并進行存儲、分析放電模式、對放電位置進行定位等。本系統(tǒng)引入了ESP8266WIFI模塊，可設(shè)置為STA+AP模式，通過手機APP或電腦實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控，具有更強大的功能。