基于STM32的配電網絕緣子泄漏電流在線檢測裝置

創新者：劉 勇 郭乃理 張俊杰 李興貴

基于STM32的配電網絕緣子泄漏電流在線檢測裝置

創新者：劉 勇 郭乃理 張俊杰 李興貴

配電網設備中，因絕緣子泄漏電流導致系統發生故障時有發生，為做好絕緣子泄漏電流事故的防護，并在事故發生后快速定位故障點，本文設計了一種基于STM32系列單片機為主芯片的配電網絕緣子泄漏電流在線檢測裝置，運用現代傳感器技術采集泄漏電流，經信號處理模塊后通過AD轉換傳入單片機，再由單片機傳入上位機中進行顯示、打印檢測結果。并利用高壓電阻箱對系統進行實驗，實驗結果顯示本系統測試精確，誤差在3％以內，完全滿足配電網要求。

作為國民經濟基礎之一，電力行業取得了迅猛發展，配電網作為面向用戶的末級電力網絡，其安全可靠的運行對整個電力系統的穩定不言而喻，而因絕緣子泄漏電流超標而引起的跳閘率約為總跳閘率的60％，做好對配電網絕緣子泄漏電流的實時監督測試工作已尤為重要。

而在所有對絕緣子側漏電流的實時監測工作中，能夠準確、快速、有效的顯示絕緣子泄漏電流瞬時值更是檢測工作的重中之重。本文以STM32為主芯片，配合現代傳感器技術，加入信號處理模塊、高速信息采集模塊、通信模塊，通過主芯片傳至上位機進行顯示或打印，做到對絕緣子泄露電影的在線監測，系統中加入報警模塊，當泄漏電流超過預定值時啟動報警并能準確定位故障源。

系統整體設計

為提高測試精度和數據采集與處理速度，滿足最新標準要求，本系統采用STM32F104系列單片機作為主芯片，測試系統由PC機、STM32芯片控制系統以及外圍擴展功能電路、泄漏電流信號采集及處理電路等組成，系統總體框圖如圖1所示。

可以分為兩個部分：信號處理電路和控制系統

信號處理電路：LED光纖電流傳感器采集被測絕緣子泄漏電流，經過去噪濾波后進入放電電路，通過調整放大增益使輸出信號在A/D采集范圍之內。

STM32控制系統：利用STM32單片機的GPIO控制繼電器進行泄漏電流的測試以及中斷處理，利用STM32內部集成A/D進行數據采集，通過串口或USB把數據傳輸至PC機進行分析、處理和顯示。實現泄漏電流的在線檢測。

傳感器設計

本文采用LED光纖電流傳感器，光纖電流傳感器利用外界信號（被測量：電壓、電流、溫度等）的擾動變化來改變光纖中光的強度，經過測量輸出光強的變化（解調）實現對外界信號的測量。

如圖2所示，在傳感器探頭中使用兩個LED同極性串聯分別交替測量泄漏電流的正、負半周波信號，在光電轉換器內部含有兩個硅光電二極管，分別檢測傳感器探頭傳遞來的兩路光信號，在轉換器內進行光電轉換。后端姐調制器，對信號進行濾波、放大等處理，最終將泄漏電流信號采集至系統內。

微弱信號處理

濾波電路

泄漏電流數值較小（安全區范圍為≤50mA），小電流傳感器獲取的信號中不僅含有基波信號，而且還含有很多各次諧波成分，基波、三次、五次諧波占據絕大部分能量，而高頻諧波占據能量很少，所以本系統采用二階低通濾波電路。

如圖3所示，濾波電路由兩節RC濾波電路和同相比較放大電路組成，電壓增益即為低通濾波電路的通帶電壓增益。

代入計算得公式1：

其中R為R15和R16的阻值，C為C10和C11的容值，

則有公式2：

由（1）式可得，當A0〈3，電路才可以穩定工作，否則電路將出現自激震蕩，將s=jω代入（2）式可得幅頻響應表達式為：

電平抬高電路

圖1　系統整體框圖

由于STM32F104系列單片機內部集成A/D采樣范圍為0～3.3V，因此可調節放大器的增益，是被采集的電壓信號落到-1.5V～+1.5V范圍之內，然后設計一個+1.5V的基準電壓源將被采集信號進行電平抬高，這樣就可以保證采樣信號在0～3V的范圍內，如圖4所示。利用放大器虛短、虛斷原理得：

圖2　LED光纖電流傳感器基本結構原理圖

圖3　二階低通濾波電路

圖4　電平抬高電路

圖5　A/D采樣及數據通信框圖

此時被采集信號在0～3.3V輸入范圍之內，滿足要求。

STM32數據采集模塊

系統數據采集模塊由STM32內部集成的ADC模塊對外部被處理后的泄流電流進行模/數轉換和采樣，由STM32處理后通過USB或串口傳入PC機進行后端分析、處理和顯示。采樣及數據通信如圖5所示。

STM32擁有3個12位逐次逼近型的模擬數字轉換器，這些ADC可獨立使用，也可以使用雙重模式，提高采樣率。系統設置ADC時鐘為14M，采樣周期為1.5個ADC時鐘，這樣可得到1M的最大轉換速率。

本系統在采樣速度和精度上完全滿足設計需求，通過軟件采樣通過軟件進行采樣，用串口或者USB讀出采樣值，軟件流程如圖6所示。

圖6　數/模轉換軟件流程圖

測試數據處理分析

泄漏電流測試系統實驗方法：采用ZN17-GZX92型高壓高阻箱（依據JJG622-97絕緣電阻表檢定規程和JJG166-93直流電阻器檢定規程等有關文件研制生產）作為被檢測設備，通過改變電阻值來觀察不同情況下的電流值，并與測試系統所測電流值進行比較，確定測試系統的結果準確性。

測試結果如表1所示。

表1　實驗結果

結束語

本文設計一種基于STM32的配電網絕緣子泄漏電流在線檢測裝置，引進LED光纖傳感器采集電流，分析了兩級RC濾波電路的原理，并詳細介紹了放大電路及電平抬高電路的實現，通過STM32以及軟件控制整個裝置的順利運行，硬件部分滿足泄漏電流測量要求，從而為配電網絕緣子泄漏電路檢測提供一種方法和系統。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.028