【电力设备局部放电检测探析6300字（论文）】

II电力设备局部放电检测研究目录TOC\o"1-3"\h\u7491摘要 I1071.引言 1311482.系统硬件设计方案 2322403.声光集成传感探头设计与制作 3226533.1内部元件 4113843.2外壳设计 5308693.3数据传输设计 81783.4解调主机电路设计 9259763.4.1主控模块 12243013.4.2信号调理与采集模块 13144434.总结 2112936参考文献： 221.引言能源系统的可靠性和稳定性是各个能源部门对能源行业最基本的要求。随着经济的发展，工业、医疗等行业对电力的需求越来越大，对其可靠性的要求也越来越高。一旦停电，往往会导致安全事故和生产停工。电气设备的故障主要分为三类，即机械故障、导体故障和绝缘故障。大量统计数据表明，绝缘误差在这三种误差中所占的比例最大。据统计，约80%的电气事故是由绝缘材料（如绝缘纸、塑料、矿物油等）老化引起的由于其自身的材料和制造（例如短路、闪电等）局部放电会发生，最终导致损坏并引发电气事故。局部放电，是绝缘介质中的一种电气放电，这种放电仅限制在被测介质中一部分且只使导体间的绝缘局部桥接。电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质(特别是有机电介质)的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。局部放电检测是检验高压开关GIS、变压器、发电机、电力电缆等高压电气设备绝缘状态的重要试验。局部放电根据其来源分为两类：表面局部放电和内部局部放电。当电力设备的绝缘性能降低时，表面的局部场强通常会增加，特别是在高压作用下，容易引起气隙破裂。根据电力设备的表面条件、电极形状和气体压力的不同，局部放电可分为电晕放电、辉光放电、火花放电、电弧放电和蠕变放电。强局部放电最终会导致绝缘介质坍塌，从而导致电力设备故障。然而，电力设备局部放电的发生是一个缓慢的过程，不会立即导致绝缘介质失效，而是在完全失效之前有一个预放电阶段。因此，通过检测电力设备的早期局部放电现象，可以帮助评估电力设备故障的严重程度，为检查员提供决策帮助，以适应维护策略。因此，加强电力设备局部放电故障状态检测显得尤为重要。2.系统硬件设计方案图2-1系统硬件设计方案该装置硬件部分的总体设计方案如图2-1所示，主要由测量探头和解调主机组成。该装置利用声光集成传感器探头中的超声波传感器和紫外线传感器，实时同步捕获局部放电产生的超声波和紫外线信号。能量被转换成相同频率的电压信号，紫外线传感器接收空气中的紫外线信号，并将其转换成电脉冲信号。然后测量探头将测量信号输入解调主机，信号调理采集电路用于信号调理采集。采集的超声波和紫外线数字电信号传输至STM32主控模块，STM32主控模块进行信号处理，为了获取局部放电的存在或不存在以及局部放电的强度等信息，并输出相关信息，局部放电显示屏会进行预警，以完成整个局部放电检测过程。声光信号的波形、局部放电时间、强度等信号相关数据同步存储在SD卡上，可以随时查看和分析。图2-2电力设备局部放电声光联合检测装置使用方法图2-2显示了该设备在路线上巡逻的实际使用情况。该设备体积小，便于携带，重量轻，只有800克左右，易于使用和携带。3.声光集成传感探头设计与制作该声光集成传感探头设计包括三部分，即内部元件、外壳设计以及数据传输设计。内部元件即超声传感器、紫外传感器及其驱动电路;外壳用于固定内部元件并便于手持;数据传输设计即设计数据连接线，它为探头供电，并将传感数据传输至解调主机。该声光集成传感探头最终设计图如图3-1所示。图3-1声光集成传感探头设计图3.1内部元件声光集成传感探头内部元件实物图如图3-2所示，包括了超声传感器、紫外传感器和紫外传感器驱动电路。图3-2声光集成传感探头内部元件3.2外壳设计出于便于实际使用的目的，本装置采用了便携式的传感探头外壳，用于固定探头内部元件。本文采用SolidWorks软件完成对传感探头外壳的设计，包括外观设计与结构设计。外观设计主要完成声光集成传感探头的外观，结构设计根据外观设计具体设计探头的结构组成、传感器固定与安装等。针对传感探头外壳的设计，旨在实现在不影响传感器性能的情况下固定传感器、保护探头内部电子元件与便于手持等目标。SolidWorks是基于Windows平台面向产品级的三维CAD软件，其能够实现复杂三维零件的造型、装配与生成工程图等功能。操作简便、性能优越。外壳包括了五个零件，分别为左半壳体、右半壳体、前面板、固定零件1和固定零件2。外壳3D模型整体设计及各零件位置如图3-3所示，包括前视图、右视图、后视图。图3-3外壳3D模型图左半壳体与右半壳体分别构成了探头外壳的左半部分与右半部分。前面板组成了探头外壳的正面。声光集成传感器探头正面设计实际效果如图3-4所示，超声传感器与紫外传感器的正面并列，均朝向外部且周围无遮挡物，这样的设计能够最大程度地降低外壳对局放信亏的通1A从P放心员相出。两者几乎没有差别。巡放信号与将传感器裸露在空气中采集到的局放信号相比，两者几乎没有差别。巡检时，将探头正面对准高压线缆接头，同时巡检人员可以随意调整探头的朝向，以及与电力设备的距离，取人性度上旦记a由现象就能够检测到的效果。两个固准确性的影响，几乎可以达到只要有局部放电现象就能够检测到的效果。两个固定零件起到固定外壳与便于手持的作用。图3-4声光集成传感器探头正面设计图及参数3.3数据传输设计传感探头与解调主机间用数据传输线连接。传输线内共有4根导线，分别是超声信号线、紫外信号线、电源线和地线，其中超声信号线和紫外信号分别用于传输超声信号与紫外信号、电源线用于为紫外传感器驱动电路供电、地线与屏蔽层和传感探头外壳一起接地。数据传输线采用4芯双绞屏蔽线，其实物图如图3-5所示。由于超声传感器是无源器件，对超声波进行换能后产生的电信号强度非常小，极易受到干扰。实验表明，若采用普通的不带屏蔽的导线，超声信号会受到并行传输的紫外信号的干扰，产生信号畸变。而采用双绞屏蔽线后，每根导线均被屏蔽层包裹，能够保证每根导线上的信号（特别是超声信号)不受干扰。屏蔽层对于超声信号而言，是非常必要的设计。图3-5双绞屏蔽线实物图3.4解调主机电路设计图.3-6解调主机电路总体设计解调主机电路总体设计如图3-6所示，主要由主控模块、信号调理与采集模块、信号存储模块、显示屏模块与电源模块五部分构成。当局部放电所产生的声光信号被传感探头捕捉后，声光信号被传输到信号调理与采集模块。采集后的信号被传输到主控模块，进行局放信号判断与局放强度大小的识别。最终将信号识别结果分别传输到显示屏模块与信号存储模块，进行信号的显示与存储，完成整个局放检测过程。3.4.1主控模块主控模块主要包含MCU，是整个解调主机电路的核心部分，相当于一个人的大脑在控制整个声光联合检测装置。在该装置中，主控模块完成对调理后超声信号与紫外信号的接收，并且对信号进行去噪、特征提取与强度判断等更深层次的信号处理，将最后局放识别结果输出至显示屏模块与信号存储模块。本文拟采用意法半导体(ST)公司生产的STM32F407ZGT6芯片作为该局放检测设备的MCU。STM32系列芯片编程简单、集成度高、功耗较低且体积较小,应用非常广泛，是低成本嵌入式设备的良好选择。STM32F407ZGT6芯片关键性能特点如下:(a）核心处理器:ARM32-bitCortexTM-M4;(b）速度:168Mhz，满足对信号采集与信号处理的处理速度要求;(c）含SPI接口3个，满足超声数字信号的采集要求;(d）工作温度:-40°C~85°C(TA），满足大部分应用场景需求(e）封装/外壳:144-LQFP(20*20mm），体积小巧。针对该局放检测设备的应用场景、功能需求,该STM32F407ZGT6在计算能力、编程难度、接口数量、处理速度等方面均能满足要求。该芯片有144个引脚，，可供使用IO口数为114，采用LQFP封装，尺寸为20mm*20mm。主控模块即MCU及一些基础的外围电路，也可看作MCU最小系统，其电路图如图3-7所示:图3-7主控模块电路图及显示屏控制电路图该装置的采样率主要由主控模块决定。主控模块通过SPI方式与信号调理与采集模块中的ADC通信，主控模块发送的SCK时钟信号的频率越高，则采样率越高。但由于主控模块需要同时完成信号采集、信号处理等任务且运算性能有限，因此SCK时钟信号的频率也有上限。经实测，在保证该装置能对采集信号进行实时处理的前提下，超声信号采样率最高可达为400kHz。3.4.2信号调理与采集模块信号调理模块主要分为超声信号调理与采集模块与紫外信号调理与采集模块。分别为原始超声信号与原始紫外信号提供信号必要的调理，方便主控模块进行信号采集与信号处理。超声信号调理与采集模块主要分为放大模块与模数转换模块。原始超声信号经由放大模块放大电压后，再经模数转换模块进行转化，由模拟信号转化为数字信号。以SPI通信的方式向主模块传输。由此完成整个超声信号的调理与采集。紫外信号调理模块则为集电极输出的紫外信号提供一个上拉电压，使得紫外信号成为标准的方波信号，方便后续采集与处理。（1）超声信号放大模块为了检测放大电路的增益作用，以单独接探头(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)四种情况为例，进行放大前后比较。以电火花脉冲发生器为局放源，分别在距离声光集成传感探头由近及远不同距离处发出局部放电信号，结果如图3-9所示。经过实测，在对信号不加增益的情况下，0.7m以外已经很难检测到稳定信号;但是采用如图3-8的放大调理后，在2m以内都能稳定检测，将检测范围提升了286%。超声信号放大前后波形对比图如图3-10所示。图3-8超声信号调理模块放大电路图3-9超声信号峰峰值放大前后对比图3-10超声信号放大前后波形对比图因为该模块含有两路运放，为了方便简化电路，采用了双路运放的芯片OPA2188。该运放零漂小、噪声低、精度高，非常符合对微弱的超声信号的放大需求。其体积小巧，采用SOIC封装，尺寸为4.90mm*3.9mm。（2）超声信号模数转换模块樟数转换樟块通过一个樟数转换器(ADC)对超声信号进行同步并行模数转换，并将并将数字信号输入到主控模块。经调理后的模拟信号需要转换为数字信号进行检测，若在STM32嵌入式主机上进行模数转化则会占用CPU的计算资源，因此为节省CPU计算资源，外置ADC在信号调理电路上进行模数转化。其电路原理如图3-11。图3-11模数转换模块电路原理图模数转换器采用亚德诺(ADI）半导体公司生产AD7988，该芯片是16位、逐次逼近型模数转换器，功耗低、精度高、体积小。AD7988提供500kSPS吞吐量，满足超声信号采集所需。在CNV信号上升沿，AD7988对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从ОV至VREf。基准电压（VRBE）由外部提供。它采用2.5V单电源供电，同时兼容1.8V、2.5V、3V和5V逻辑。采用10引脚MSOP封装，尺寸为3.00mm*3.00mm。其引脚图与内部电路简化图如图3-12和图3-13所示图3-12AD7988引脚图图3-13AD7988内部电路简化图该模数转换器将超声模拟信号转化为数字信号后，通过SPI通信的方式，将数字信号传入主控模块。因为只有一块AD7988芯片，因此与主控模块的连接采用三线式CS模式（即利用SDI信号输入，通过一组三线式总线将ADC与主控模块连接)，其连接图如图3-14所示:图3-14三线式CS模式连接图三线式CS模式串行接口时序如图3-15所示。将SDI连接到VIO时，CNV上的上升沿启动转换，选择CS模式，并强制SDO进入高阻态。图3-15三线式CS模式串行接口时序(SDI高电平)（3）紫外信号调理与采集模块由于紫外驱动电路R2868是集电极输出的，其在检测到局部放电信号时的电压输出是不确定的，因此需要一个上拉电压将信号钳位在高电平，使得输出信号变为标准的方波信号，方便后续采集。同时上拉电阻也能起到限流的作用。其原理图如图3-16所示。图3-16上拉电压原理图STM32主控模块使用TIM2的通道1(PA0)进行紫外信号输入捕获，当有局部放电事件发生时，PA0捕捉到紫外驱动模块输出的脉冲信号，触发捕获中断，经中断函数处理返回脉冲上升沿、下降沿等信息，再通过主程序计算处理后得到脉冲间隔、脉冲个数。这样每次发生局部放电时只需要获取紫外脉冲信号的上升、下降沿等信息即可实现对紫外脉冲信号的采集，相比模数转换采集的模式而言读取时间减少了，提高了实时性，并且有效节省了数据存储所需的空间。（4）信号存储模块akusto光学联合检测设备采集的声光数据使用SD卡实时存储，数据存储功能由信号存储模块实现。信号存储模块的电路图如图3-17所示。SD驱动程序有两种模式：SPI和SDIO。在相同条件下，SDIO模式比SPI模式具有更快的读写速度。由于该系统需要实时存储大量的声光传感器数据，因此适当采用SDIO模式，并使用DMA模式进一步加速数据处理。为了便于管理SD卡文件，FATFS文件系统被转移。当评估系统采集的实时声光信号数据处于局部放电状态时，首先将数据转换为特定格式，然后通过FATFS创建文件存储数据，然后通过DMA传输声光传感器数据。图3-17信号存储模块电路原理图（5）显示屏模块将超声、紫外传感信号数据封装成数据帧发送到显示屏端。再对超声信号进行FFT处理，将超声信号频率数据封装为数据帧格式发送到显示屏，以完成信号波形的实时显示。并将紫外信号的脉冲间隔、脉冲个数以及超声信号的中心频率等分析数据实时显示在屏幕界面上。对显示屏进行界面设计。通过软件DGUSv5.1设计4个界面，包括一个系统主界面和三个波形显示界面。其中图3-18为系统主界面;图3-19-图3-20为各子信号波形显示界面，图3-19显示超声信号时域波形，图3-20显示超声信号频域波形及相应的中心频率值，图3-22显示紫外脉冲信号波形及相应的脉冲数、脉冲平均间隔值。在这三幅图中，运行状态图标为红色，表示它当前被视为部分放电，如果处于正常状态，图标为绿色。从图3-19和图3-21可以看出，系统通过串行Divin屏幕成功地显示了超声波时间信号和紫外线脉冲信号波形，并且它们与示波器超声波信号上显示的信号波形相匹配。此外，1ms的时间基本上与理论值相符。图3-19显示，系统计算的超声波信号中心频率约为39kHz，对应于超声波传感器的频率，应在37至45kHz之间。另外，经过实际测试，本系统中超声波信号的采样率为400kHz。根据奈奎斯特扫描定理，它满足超声时间信号恢复的要求，并说明了结果的准确性和可靠性，如图3-18所示。无花果。3-18是超声信号10V的尖端到尖端值，表明TE强度高，TE源位于近端，如图所示。图3-21紫外脉冲数为5，平均脉冲间隔为96ms，脉冲持续时间间隔为480ms，表明局部放电的频率和强度高，持续时间长，可通过进一步的数据分析得到局部放电源的位置。图3-18系统主界面图3-19超声信号时域波形显示界面图3-20超声信号频域信息显示界面图3-21紫外光脉冲信号显示界面4.总结在复杂强电磁干扰环境下，供电设备局部放电故障状态的动态实时检测问题。用于联合放电的声光检测系统。供电系统局部放电的不同误差状态代表了其不同的发展阶段。故障状态级别越高，越接近局部放电的故障阶段，检查人员必须采用更及时有效的维护策略。本文针对复杂强电磁干扰环境下电力设备局部放电误差状态的动态实时检测，结合超声波和紫外脉冲两种非电检测技术，开发了一种经济高效、高性能的，带有强电磁抗扰性设备的便携式电源局部放电声光联合检测系统。

参考文献：[1]卢启付.实时频谱测量技术在电力设备局部放电检测中的应用[J].广东电力,2008(