【電力設(shè)備局部放電檢測探析6300字（論文）】

II電力設(shè)備局部放電檢測研究目錄TOC\o"1-3"\h\u7491摘要 I1071.引言 1311482.系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 2322403.聲光集成傳感探頭設(shè)計與制作 3226533.1內(nèi)部元件 4113843.2外殼設(shè)計 5308693.3數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計 81783.4解調(diào)主機(jī)電路設(shè)計 9259763.4.1主控模塊 12243013.4.2信號調(diào)理與采集模塊 13144434.總結(jié) 2112936參考文獻(xiàn)： 221.引言能源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性是各個能源部門對能源行業(yè)最基本的要求。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)對電力的需求越來越大，對其可靠性的要求也越來越高。一旦停電，往往會導(dǎo)致安全事故和生產(chǎn)停工。電氣設(shè)備的故障主要分為三類，即機(jī)械故障、導(dǎo)體故障和絕緣故障。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，絕緣誤差在這三種誤差中所占的比例最大。據(jù)統(tǒng)計，約80%的電氣事故是由絕緣材料（如絕緣紙、塑料、礦物油等）老化引起的由于其自身的材料和制造（例如短路、閃電等）局部放電會發(fā)生，最終導(dǎo)致?lián)p壞并引發(fā)電氣事故。局部放電，是絕緣介質(zhì)中的一種電氣放電，這種放電僅限制在被測介質(zhì)中一部分且只使導(dǎo)體間的絕緣局部橋接。電力設(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)(特別是有機(jī)電介質(zhì))的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。局部放電檢測是檢驗高壓開關(guān)GIS、變壓器、發(fā)電機(jī)、電力電纜等高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的重要試驗。局部放電根據(jù)其來源分為兩類：表面局部放電和內(nèi)部局部放電。當(dāng)電力設(shè)備的絕緣性能降低時，表面的局部場強(qiáng)通常會增加，特別是在高壓作用下，容易引起氣隙破裂。根據(jù)電力設(shè)備的表面條件、電極形狀和氣體壓力的不同，局部放電可分為電暈放電、輝光放電、火花放電、電弧放電和蠕變放電。強(qiáng)局部放電最終會導(dǎo)致絕緣介質(zhì)坍塌，從而導(dǎo)致電力設(shè)備故障。然而，電力設(shè)備局部放電的發(fā)生是一個緩慢的過程，不會立即導(dǎo)致絕緣介質(zhì)失效，而是在完全失效之前有一個預(yù)放電階段。因此，通過檢測電力設(shè)備的早期局部放電現(xiàn)象，可以幫助評估電力設(shè)備故障的嚴(yán)重程度，為檢查員提供決策幫助，以適應(yīng)維護(hù)策略。因此，加強(qiáng)電力設(shè)備局部放電故障狀態(tài)檢測顯得尤為重要。2.系統(tǒng)硬件設(shè)計方案圖2-1系統(tǒng)硬件設(shè)計方案該裝置硬件部分的總體設(shè)計方案如圖2-1所示，主要由測量探頭和解調(diào)主機(jī)組成。該裝置利用聲光集成傳感器探頭中的超聲波傳感器和紫外線傳感器，實時同步捕獲局部放電產(chǎn)生的超聲波和紫外線信號。能量被轉(zhuǎn)換成相同頻率的電壓信號，紫外線傳感器接收空氣中的紫外線信號，并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。然后測量探頭將測量信號輸入解調(diào)主機(jī)，信號調(diào)理采集電路用于信號調(diào)理采集。采集的超聲波和紫外線數(shù)字電信號傳輸至STM32主控模塊，STM32主控模塊進(jìn)行信號處理，為了獲取局部放電的存在或不存在以及局部放電的強(qiáng)度等信息，并輸出相關(guān)信息，局部放電顯示屏?xí)M(jìn)行預(yù)警，以完成整個局部放電檢測過程。聲光信號的波形、局部放電時間、強(qiáng)度等信號相關(guān)數(shù)據(jù)同步存儲在SD卡上，可以隨時查看和分析。圖2-2電力設(shè)備局部放電聲光聯(lián)合檢測裝置使用方法圖2-2顯示了該設(shè)備在路線上巡邏的實際使用情況。該設(shè)備體積小，便于攜帶，重量輕，只有800克左右，易于使用和攜帶。3.聲光集成傳感探頭設(shè)計與制作該聲光集成傳感探頭設(shè)計包括三部分，即內(nèi)部元件、外殼設(shè)計以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。內(nèi)部元件即超聲傳感器、紫外傳感器及其驅(qū)動電路;外殼用于固定內(nèi)部元件并便于手持;數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計即設(shè)計數(shù)據(jù)連接線，它為探頭供電，并將傳感數(shù)據(jù)傳輸至解調(diào)主機(jī)。該聲光集成傳感探頭最終設(shè)計圖如圖3-1所示。圖3-1聲光集成傳感探頭設(shè)計圖3.1內(nèi)部元件聲光集成傳感探頭內(nèi)部元件實物圖如圖3-2所示，包括了超聲傳感器、紫外傳感器和紫外傳感器驅(qū)動電路。圖3-2聲光集成傳感探頭內(nèi)部元件3.2外殼設(shè)計出于便于實際使用的目的，本裝置采用了便攜式的傳感探頭外殼，用于固定探頭內(nèi)部元件。本文采用SolidWorks軟件完成對傳感探頭外殼的設(shè)計，包括外觀設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計。外觀設(shè)計主要完成聲光集成傳感探頭的外觀，結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)外觀設(shè)計具體設(shè)計探頭的結(jié)構(gòu)組成、傳感器固定與安裝等。針對傳感探頭外殼的設(shè)計，旨在實現(xiàn)在不影響傳感器性能的情況下固定傳感器、保護(hù)探頭內(nèi)部電子元件與便于手持等目標(biāo)。SolidWorks是基于Windows平臺面向產(chǎn)品級的三維CAD軟件，其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維零件的造型、裝配與生成工程圖等功能。操作簡便、性能優(yōu)越。外殼包括了五個零件，分別為左半殼體、右半殼體、前面板、固定零件1和固定零件2。外殼3D模型整體設(shè)計及各零件位置如圖3-3所示，包括前視圖、右視圖、后視圖。圖3-3外殼3D模型圖左半殼體與右半殼體分別構(gòu)成了探頭外殼的左半部分與右半部分。前面板組成了探頭外殼的正面。聲光集成傳感器探頭正面設(shè)計實際效果如圖3-4所示，超聲傳感器與紫外傳感器的正面并列，均朝向外部且周圍無遮擋物，這樣的設(shè)計能夠最大程度地降低外殼對局放信虧的通1A從P放心員相出。兩者幾乎沒有差別。巡放信號與將傳感器裸露在空氣中采集到的局放信號相比，兩者幾乎沒有差別。巡檢時，將探頭正面對準(zhǔn)高壓線纜接頭，同時巡檢人員可以隨意調(diào)整探頭的朝向，以及與電力設(shè)備的距離，取人性度上旦記a由現(xiàn)象就能夠檢測到的效果。兩個固準(zhǔn)確性的影響，幾乎可以達(dá)到只要有局部放電現(xiàn)象就能夠檢測到的效果。兩個固定零件起到固定外殼與便于手持的作用。圖3-4聲光集成傳感器探頭正面設(shè)計圖及參數(shù)3.3數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計傳感探頭與解調(diào)主機(jī)間用數(shù)據(jù)傳輸線連接。傳輸線內(nèi)共有4根導(dǎo)線，分別是超聲信號線、紫外信號線、電源線和地線，其中超聲信號線和紫外信號分別用于傳輸超聲信號與紫外信號、電源線用于為紫外傳感器驅(qū)動電路供電、地線與屏蔽層和傳感探頭外殼一起接地。數(shù)據(jù)傳輸線采用4芯雙絞屏蔽線，其實物圖如圖3-5所示。由于超聲傳感器是無源器件，對超聲波進(jìn)行換能后產(chǎn)生的電信號強(qiáng)度非常小，極易受到干擾。實驗表明，若采用普通的不帶屏蔽的導(dǎo)線，超聲信號會受到并行傳輸?shù)淖贤庑盘柕母蓴_，產(chǎn)生信號畸變。而采用雙絞屏蔽線后，每根導(dǎo)線均被屏蔽層包裹，能夠保證每根導(dǎo)線上的信號（特別是超聲信號)不受干擾。屏蔽層對于超聲信號而言，是非常必要的設(shè)計。圖3-5雙絞屏蔽線實物圖3.4解調(diào)主機(jī)電路設(shè)計圖.3-6解調(diào)主機(jī)電路總體設(shè)計解調(diào)主機(jī)電路總體設(shè)計如圖3-6所示，主要由主控模塊、信號調(diào)理與采集模塊、信號存儲模塊、顯示屏模塊與電源模塊五部分構(gòu)成。當(dāng)局部放電所產(chǎn)生的聲光信號被傳感探頭捕捉后，聲光信號被傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理與采集模塊。采集后的信號被傳輸?shù)街骺啬K，進(jìn)行局放信號判斷與局放強(qiáng)度大小的識別。最終將信號識別結(jié)果分別傳輸?shù)斤@示屏模塊與信號存儲模塊，進(jìn)行信號的顯示與存儲，完成整個局放檢測過程。3.4.1主控模塊主控模塊主要包含MCU，是整個解調(diào)主機(jī)電路的核心部分，相當(dāng)于一個人的大腦在控制整個聲光聯(lián)合檢測裝置。在該裝置中，主控模塊完成對調(diào)理后超聲信號與紫外信號的接收，并且對信號進(jìn)行去噪、特征提取與強(qiáng)度判斷等更深層次的信號處理，將最后局放識別結(jié)果輸出至顯示屏模塊與信號存儲模塊。本文擬采用意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32F407ZGT6芯片作為該局放檢測設(shè)備的MCU。STM32系列芯片編程簡單、集成度高、功耗較低且體積較小,應(yīng)用非常廣泛，是低成本嵌入式設(shè)備的良好選擇。STM32F407ZGT6芯片關(guān)鍵性能特點(diǎn)如下:(a）核心處理器:ARM32-bitCortexTM-M4;(b）速度:168Mhz，滿足對信號采集與信號處理的處理速度要求;(c）含SPI接口3個，滿足超聲數(shù)字信號的采集要求;(d）工作溫度:-40°C~85°C(TA），滿足大部分應(yīng)用場景需求(e）封裝/外殼:144-LQFP(20*20mm），體積小巧。針對該局放檢測設(shè)備的應(yīng)用場景、功能需求,該STM32F407ZGT6在計算能力、編程難度、接口數(shù)量、處理速度等方面均能滿足要求。該芯片有144個引腳，，可供使用IO口數(shù)為114，采用LQFP封裝，尺寸為20mm*20mm。主控模塊即MCU及一些基礎(chǔ)的外圍電路，也可看作MCU最小系統(tǒng)，其電路圖如圖3-7所示:圖3-7主控模塊電路圖及顯示屏控制電路圖該裝置的采樣率主要由主控模塊決定。主控模塊通過SPI方式與信號調(diào)理與采集模塊中的ADC通信，主控模塊發(fā)送的SCK時鐘信號的頻率越高，則采樣率越高。但由于主控模塊需要同時完成信號采集、信號處理等任務(wù)且運(yùn)算性能有限，因此SCK時鐘信號的頻率也有上限。經(jīng)實測，在保證該裝置能對采集信號進(jìn)行實時處理的前提下，超聲信號采樣率最高可達(dá)為400kHz。3.4.2信號調(diào)理與采集模塊信號調(diào)理模塊主要分為超聲信號調(diào)理與采集模塊與紫外信號調(diào)理與采集模塊。分別為原始超聲信號與原始紫外信號提供信號必要的調(diào)理，方便主控模塊進(jìn)行信號采集與信號處理。超聲信號調(diào)理與采集模塊主要分為放大模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。原始超聲信號經(jīng)由放大模塊放大電壓后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。以SPI通信的方式向主模塊傳輸。由此完成整個超聲信號的調(diào)理與采集。紫外信號調(diào)理模塊則為集電極輸出的紫外信號提供一個上拉電壓，使得紫外信號成為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，方便后續(xù)采集與處理。（1）超聲信號放大模塊為了檢測放大電路的增益作用，以單獨(dú)接探頭(不加增益)，3倍增益(低增益)，6倍增益(中增益)，14倍增益(高增益)四種情況為例，進(jìn)行放大前后比較。以電火花脈沖發(fā)生器為局放源，分別在距離聲光集成傳感探頭由近及遠(yuǎn)不同距離處發(fā)出局部放電信號，結(jié)果如圖3-9所示。經(jīng)過實測，在對信號不加增益的情況下，0.7m以外已經(jīng)很難檢測到穩(wěn)定信號;但是采用如圖3-8的放大調(diào)理后，在2m以內(nèi)都能穩(wěn)定檢測，將檢測范圍提升了286%。超聲信號放大前后波形對比圖如圖3-10所示。圖3-8超聲信號調(diào)理模塊放大電路圖3-9超聲信號峰峰值放大前后對比圖3-10超聲信號放大前后波形對比圖因為該模塊含有兩路運(yùn)放，為了方便簡化電路，采用了雙路運(yùn)放的芯片OPA2188。該運(yùn)放零漂小、噪聲低、精度高，非常符合對微弱的超聲信號的放大需求。其體積小巧，采用SOIC封裝，尺寸為4.90mm*3.9mm。（2）超聲信號模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊樟數(shù)轉(zhuǎn)換樟塊通過一個樟數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對超聲信號進(jìn)行同步并行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將并將數(shù)字信號輸入到主控模塊。經(jīng)調(diào)理后的模擬信號需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行檢測，若在STM32嵌入式主機(jī)上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化則會占用CPU的計算資源，因此為節(jié)省CPU計算資源，外置ADC在信號調(diào)理電路上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化。其電路原理如圖3-11。圖3-11模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用亞德諾(ADI）半導(dǎo)體公司生產(chǎn)AD7988，該芯片是16位、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，功耗低、精度高、體積小。AD7988提供500kSPS吞吐量，滿足超聲信號采集所需。在CNV信號上升沿，AD7988對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進(jìn)行采樣，范圍從ОV至VREf?；鶞?zhǔn)電壓（VRBE）由外部提供。它采用2.5V單電源供電，同時兼容1.8V、2.5V、3V和5V邏輯。采用10引腳MSOP封裝，尺寸為3.00mm*3.00mm。其引腳圖與內(nèi)部電路簡化圖如圖3-12和圖3-13所示圖3-12AD7988引腳圖圖3-13AD7988內(nèi)部電路簡化圖該模數(shù)轉(zhuǎn)換器將超聲模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，通過SPI通信的方式，將數(shù)字信號傳入主控模塊。因為只有一塊AD7988芯片，因此與主控模塊的連接采用三線式CS模式（即利用SDI信號輸入，通過一組三線式總線將ADC與主控模塊連接)，其連接圖如圖3-14所示:圖3-14三線式CS模式連接圖三線式CS模式串行接口時序如圖3-15所示。將SDI連接到VIO時，CNV上的上升沿啟動轉(zhuǎn)換，選擇CS模式，并強(qiáng)制SDO進(jìn)入高阻態(tài)。圖3-15三線式CS模式串行接口時序(SDI高電平)（3）紫外信號調(diào)理與采集模塊由于紫外驅(qū)動電路R2868是集電極輸出的，其在檢測到局部放電信號時的電壓輸出是不確定的，因此需要一個上拉電壓將信號鉗位在高電平，使得輸出信號變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的方波信號，方便后續(xù)采集。同時上拉電阻也能起到限流的作用。其原理圖如圖3-16所示。圖3-16上拉電壓原理圖STM32主控模塊使用TIM2的通道1(PA0)進(jìn)行紫外信號輸入捕獲，當(dāng)有局部放電事件發(fā)生時，PA0捕捉到紫外驅(qū)動模塊輸出的脈沖信號，觸發(fā)捕獲中斷，經(jīng)中斷函數(shù)處理返回脈沖上升沿、下降沿等信息，再通過主程序計算處理后得到脈沖間隔、脈沖個數(shù)。這樣每次發(fā)生局部放電時只需要獲取紫外脈沖信號的上升、下降沿等信息即可實現(xiàn)對紫外脈沖信號的采集，相比模數(shù)轉(zhuǎn)換采集的模式而言讀取時間減少了，提高了實時性，并且有效節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲所需的空間。（4）信號存儲模塊akusto光學(xué)聯(lián)合檢測設(shè)備采集的聲光數(shù)據(jù)使用SD卡實時存儲，數(shù)據(jù)存儲功能由信號存儲模塊實現(xiàn)。信號存儲模塊的電路圖如圖3-17所示。SD驅(qū)動程序有兩種模式：SPI和SDIO。在相同條件下，SDIO模式比SPI模式具有更快的讀寫速度。由于該系統(tǒng)需要實時存儲大量的聲光傳感器數(shù)據(jù)，因此適當(dāng)采用SDIO模式，并使用DMA模式進(jìn)一步加速數(shù)據(jù)處理。為了便于管理SD卡文件，F(xiàn)ATFS文件系統(tǒng)被轉(zhuǎn)移。當(dāng)評估系統(tǒng)采集的實時聲光信號數(shù)據(jù)處于局部放電狀態(tài)時，首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式，然后通過FATFS創(chuàng)建文件存儲數(shù)據(jù)，然后通過DMA傳輸聲光傳感器數(shù)據(jù)。圖3-17信號存儲模塊電路原理圖（5）顯示屏模塊將超聲、紫外傳感信號數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到顯示屏端。再對超聲信號進(jìn)行FFT處理，將超聲信號頻率數(shù)據(jù)封裝為數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到顯示屏，以完成信號波形的實時顯示。并將紫外信號的脈沖間隔、脈沖個數(shù)以及超聲信號的中心頻率等分析數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕界面上。對顯示屏進(jìn)行界面設(shè)計。通過軟件DGUSv5.1設(shè)計4個界面，包括一個系統(tǒng)主界面和三個波形顯示界面。其中圖3-18為系統(tǒng)主界面;圖3-19-圖3-20為各子信號波形顯示界面，圖3-19顯示超聲信號時域波形，圖3-20顯示超聲信號頻域波形及相應(yīng)的中心頻率值，圖3-22顯示紫外脈沖信號波形及相應(yīng)的脈沖數(shù)、脈沖平均間隔值。在這三幅圖中，運(yùn)行狀態(tài)圖標(biāo)為紅色，表示它當(dāng)前被視為部分放電，如果處于正常狀態(tài)，圖標(biāo)為綠色。從圖3-19和圖3-21可以看出，系統(tǒng)通過串行Divin屏幕成功地顯示了超聲波時間信號和紫外線脈沖信號波形，并且它們與示波器超聲波信號上顯示的信號波形相匹配。此外，1ms的時間基本上與理論值相符。圖3-19顯示，系統(tǒng)計算的超聲波信號中心頻率約為39kHz，對應(yīng)于超聲波傳感器的頻率，應(yīng)在37至45kHz之間。另外，經(jīng)過實際測試，本系統(tǒng)中超聲波信號的采樣率為400kHz。根據(jù)奈奎斯特掃描定理，它滿足超聲時間信號恢復(fù)的要求，并說明了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，如圖3-18所示。無花果。3-18是超聲信號10V的尖端到尖端值，表明TE強(qiáng)度高，TE源位于近端，如圖所示。圖3-21紫外脈沖數(shù)為5，平均脈沖間隔為96ms，脈沖持續(xù)時間間隔為480ms，表明局部放電的頻率和強(qiáng)度高，持續(xù)時間長，可通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析得到局部放電源的位置。圖3-18系統(tǒng)主界面圖3-19超聲信號時域波形顯示界面圖3-20超聲信號頻域信息顯示界面圖3-21紫外光脈沖信號顯示界面4.總結(jié)在復(fù)雜強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，供電設(shè)備局部放電故障狀態(tài)的動態(tài)實時檢測問題。用于聯(lián)合放電的聲光檢測系統(tǒng)。供電系統(tǒng)局部放電的不同誤差狀態(tài)代表了其不同的發(fā)展階段。故障狀態(tài)級別越高，越接近局部放電的故障階段，檢查人員必須采用更及時有效的維護(hù)策略。本文針對復(fù)雜強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下電力設(shè)備局部放電誤差狀態(tài)的動態(tài)實時檢測，結(jié)合超聲波和紫外脈沖兩種非電檢測技術(shù)，開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)高效、高性能的，帶有強(qiáng)電磁抗擾性設(shè)備的便攜式電源局部放電聲光聯(lián)合檢測系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：[1]盧啟付.實時頻譜測量技術(shù)在電力設(shè)備局部放電檢測中的應(yīng)用[J].廣東電力,2008(