基于STM32的局部放電檢測(cè)單元旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)設(shè)置*

范毓青，廖丹妮，彭亞濤，方曉瑜

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

在電力網(wǎng)絡(luò)中，電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況與電力系統(tǒng)的可靠性，安全性，能否穩(wěn)定運(yùn)行有著不可分割的聯(lián)系。電氣設(shè)備的故障有較大概率誘發(fā)生產(chǎn)事故，后果就是大面積停電以及損失大量社會(huì)財(cái)富和危機(jī)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力設(shè)備的故障有：機(jī)械故障、導(dǎo)體故障以及絕緣故障[1]。分析以往運(yùn)行故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，絕緣問(wèn)題而引發(fā)產(chǎn)生的故障是電氣設(shè)備發(fā)生故障主要原因[2]。因此對(duì)電力設(shè)備關(guān)鍵部位異常的精確監(jiān)測(cè)是必要的。

現(xiàn)今，檢測(cè)方法多種多樣，各有所長(zhǎng)。然而，因?yàn)榫植糠烹姰a(chǎn)生的信號(hào)不一，傳播特性與傳播過(guò)程產(chǎn)生的損耗不一致，對(duì)檢測(cè)傳感器的物理位置具有一定的要求，承載傳感器的檢測(cè)機(jī)構(gòu)仍然不夠完善。檢測(cè)機(jī)構(gòu)作為傳感器的載體，其設(shè)計(jì)理念和控制效果對(duì)局部放電的信號(hào)的檢測(cè)起著重要作用。然而傳統(tǒng)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)位置常為固定狀態(tài)，所接收局部放電信號(hào)穿越不同介質(zhì)時(shí)，其能量和幅值均產(chǎn)生明顯的衰減現(xiàn)象，這導(dǎo)致檢測(cè)精度、準(zhǔn)確度下降。

本文對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，采用氣動(dòng)膨脹技術(shù)和STM32自動(dòng)控制系統(tǒng)，將檢測(cè)機(jī)構(gòu)改良為旋轉(zhuǎn)展開(kāi)可動(dòng)式單元，使傳感器能夠深入到變壓器內(nèi)部檢測(cè)來(lái)至不同方位的超聲波信號(hào)、搜索局部放電位置。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)為可伸縮轉(zhuǎn)向的柱狀，可以實(shí)現(xiàn)更方便地從放油閥進(jìn)入箱體，處理了信號(hào)穿越介質(zhì)產(chǎn)生損耗的問(wèn)題，大大助益于定位局部放電源。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)展開(kāi)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的放電檢測(cè)能力，以適應(yīng)電壓等級(jí)日益增加的發(fā)展趨勢(shì)。

1 超聲波信號(hào)的產(chǎn)生與傳播

在變壓器放電時(shí)，油中氣泡等在電場(chǎng)力的影響下震蕩運(yùn)動(dòng)，且幅值不斷衰減[3]。在氣泡的震動(dòng)中，周圍將發(fā)生聲發(fā)射，形成超聲波并快速地向周圍擴(kuò)出[4]。通過(guò)檢測(cè)頻率帶為70～150 kHz的超聲波信號(hào)[5]，它可以有效避免電磁干擾的影響[6]。雖然超聲波的穿透能力很強(qiáng)，但是當(dāng)它穿透介質(zhì)時(shí)，能量會(huì)有損耗且損耗明顯。主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一是幅值的衰減；二是波形會(huì)產(chǎn)生一定程度的畸變。如圖1所示。

圖1 超聲波信號(hào)傳播的基本路徑

2 旋轉(zhuǎn)展開(kāi)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了克服上述問(wèn)題，就需要給出一個(gè)可以減小甚至消除此類誤差的方法。基于這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)的傳感器機(jī)構(gòu)既要滿足傳感器多方位的檢測(cè)要求，也要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)能盡可能靠近放電位置以減小誤差的能力。通過(guò)氣動(dòng)膨脹技術(shù)能實(shí)現(xiàn)傳感器機(jī)構(gòu)檢測(cè)面有不同的朝向，并且可以進(jìn)行伸縮，使檢測(cè)更加便捷。

設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)按功能分為5層，如圖2。

圖2 傳感器機(jī)構(gòu)示意圖

如圖2所示，環(huán)1至環(huán)5為機(jī)構(gòu)的分層部分，也起著部分支撐的作用；各環(huán)之間為機(jī)構(gòu)的伸縮部分，可作為方向調(diào)控的關(guān)鍵部位。氣道構(gòu)成整個(gè)機(jī)構(gòu)的氣路，當(dāng)該機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)，伸縮層充氣展開(kāi)，由控制帶動(dòng)充氣泵電機(jī)的開(kāi)通時(shí)間和氣量大小聯(lián)合控制機(jī)構(gòu)的伸展高度與朝向，實(shí)現(xiàn)多方位朝向。

3 傳統(tǒng)檢測(cè)單元

獲得專利的一種傘狀可伸縮局部放電檢測(cè)裝置[7]，如圖3傘裝推拉結(jié)構(gòu)和工作形態(tài)所示。

圖3 傘狀推拉結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)

推拉傘裝結(jié)構(gòu)采用齒輪結(jié)構(gòu)張開(kāi)閉合角度可調(diào)，結(jié)構(gòu)巧妙、穩(wěn)定，能較好的解決信噪混雜的問(wèn)題。通過(guò)改變測(cè)量骨架的張開(kāi)角度，定量測(cè)量局部放電信號(hào)的大小，并可根據(jù)張開(kāi)角度所覆蓋的范圍合理避開(kāi)噪聲源的干擾。但是由于其推拉伸縮過(guò)程需要一定的伸縮空間和推動(dòng)行程限制了其檢測(cè)精度與應(yīng)用的范圍。

4 旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)檢測(cè)單元分析

如圖4機(jī)構(gòu)的模型圖（未展開(kāi)）所示：中間深色部分即為伸縮層。鑲嵌在兩個(gè)膨脹環(huán)之間，是各環(huán)之間為機(jī)構(gòu)的伸縮部分。可作為方向調(diào)控的關(guān)鍵部位。機(jī)構(gòu)內(nèi)部可通過(guò)氣管相互接通，充氣得以膨脹，展開(kāi)機(jī)構(gòu)。氣道構(gòu)成整個(gè)機(jī)構(gòu)的氣路。當(dāng)該機(jī)構(gòu)未展開(kāi)時(shí)，體積較小，存放時(shí)可以節(jié)約空間，同時(shí)也方便攜帶。（圖5為機(jī)構(gòu)全展開(kāi)狀態(tài)）

各層之間基本部分與方向調(diào)整部分位置有所不同。

圖4 機(jī)構(gòu)模型圖（未展開(kāi)）

圖5 機(jī)構(gòu)模型圖（全展開(kāi)）

（1）基層伸縮層結(jié)構(gòu)

圖6為基層伸縮層結(jié)構(gòu)展開(kāi)模型圖

圖6 基層伸縮結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

（2） 第2層伸縮結(jié)構(gòu)

圖7為第2層伸縮結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖。

圖7 第2層伸縮結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

（3）第3層伸縮結(jié)構(gòu)

圖8為第3層伸縮結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖。

圖8 第3層伸縮結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

（4） 第4伸縮層結(jié)構(gòu)

圖9為第4層伸縮層結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖。

圖10為各伸縮層的方向部分位置對(duì)比。由圖可知，各伸縮層的基本部分均占各自伸縮層的3/4，可以保證整個(gè)機(jī)構(gòu)的正直伸展；各伸縮層的方向部分均占各自伸縮層的1/4，4層正好合成1圈，且方向部分的高度比基本部分高。任意一層的方向部分得到充氣，使整個(gè)機(jī)構(gòu)的朝向可以是東、西、南、北；也可以調(diào)節(jié)充氣的量，調(diào)節(jié)方向部分的高度，以4個(gè)方向部分不同的高度組合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)朝向的多樣性。

圖10 各伸縮層的方向部分位置對(duì)比

如圖11-1為機(jī)構(gòu)第1層展開(kāi)時(shí)3視圖；圖11-2為機(jī)構(gòu)第2層展開(kāi)時(shí)3視圖；圖11-3為機(jī)構(gòu)第3層展開(kāi)時(shí)3視圖；圖11-4為機(jī)構(gòu)第4層展開(kāi)時(shí)3視圖（從左到右排序均為主視圖，俯視圖 ，左視圖）。

圖11 -1 第1層展開(kāi)3視圖（主，俯，左）

圖11 -2 第2層展開(kāi)3視圖（主，俯，左）

圖11 -3 第3層展開(kāi)3視圖（主，俯，左）

圖11 -4 第4層展開(kāi)3視圖（主，俯，左）

機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)時(shí)，伸縮層充氣展開(kāi)，由控制充氣泵電機(jī)的開(kāi)通時(shí)間和氣量大小聯(lián)合控制機(jī)構(gòu)的伸展高度與朝向。如第1層方向部分伸展時(shí)，機(jī)構(gòu)朝向?yàn)橛遥蝗绲?層方向部分伸展時(shí)，機(jī)構(gòu)朝向?yàn)樽螅蝗绲?層方向部分伸展時(shí)，機(jī)構(gòu)朝向?yàn)樯希蝗绲?層方向部分伸展時(shí)，機(jī)構(gòu)朝向?yàn)橄拢晦D(zhuǎn)向的角度由伸縮層充氣量和各層膨脹環(huán)的質(zhì)量與伸縮層材料的伸縮性能共同決定：在膨脹環(huán)和伸縮材料的約束范圍內(nèi)（意指裝箱的角度不至于是整個(gè)機(jī)構(gòu)傾倒，氣量在伸縮材料可承受范圍內(nèi)），充氣量越多，轉(zhuǎn)向角度越大；假設(shè)由第1層到第4層膨脹環(huán)質(zhì)量依次為m1、m2、m3、m4，m5，在(m2+m3+m4+m5)/m1的比值為最小時(shí)，第1伸縮層方向部分所決定的轉(zhuǎn)向角度最大，反之最小，可稱(m2+m3+m4+m5)/m1為第1層轉(zhuǎn)向的影響因子；則第2層至第4層的影響因子為(m3+m4+m5)/(m1+m2)、(m4+m5)/(m1+m2+m3)、m5/(m1+m2+m3+m4)的影響關(guān)系與第1層相同。檢測(cè)完成后，通過(guò)吸氣泵將氣體抽出，使機(jī)構(gòu)回縮，成未展開(kāi)模樣，如圖12。

圖12 未展開(kāi)狀態(tài)圖

圖13 全展開(kāi)狀態(tài)圖

圖13為全展開(kāi)狀態(tài)。該旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)克服前文提及的傘裝推拉結(jié)構(gòu)的不足，相較于推拉結(jié)構(gòu)展開(kāi)只能檢測(cè)結(jié)構(gòu)前方的區(qū)域情況，旋轉(zhuǎn)展開(kāi)結(jié)構(gòu)能通過(guò)充氣轉(zhuǎn)向檢測(cè)更大的區(qū)域面積，以此可獲得更高的測(cè)量精度以及準(zhǔn)確度。同時(shí)，底面接觸面積也比傘狀展開(kāi)機(jī)構(gòu)更大，更加穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)傾倒或其他不穩(wěn)定因素。

5 旋轉(zhuǎn)展開(kāi)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比對(duì)

通過(guò)表1傘裝推拉結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)對(duì)比獲悉，相比推拉傘裝結(jié)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)更方便電力設(shè)備內(nèi)部絕緣監(jiān)測(cè)，且性價(jià)比更高。由于不少的電力設(shè)備內(nèi)部入口有規(guī)定尺寸，傘狀推拉機(jī)構(gòu)不利于放置與伸進(jìn)，而盤狀旋開(kāi)機(jī)構(gòu)可以大大縮小放置體積，這位裝置的實(shí)用性提供了保證。另外整個(gè)機(jī)構(gòu)純氣動(dòng)，對(duì)于高壓、電力場(chǎng)合具有更好的安全性，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。若是僅對(duì)油浸式變壓器而言，由于其內(nèi)部為油路環(huán)境，將更適合旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)工作。

表1 傘裝推拉結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)對(duì)比

6 總結(jié)

操作試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)檢測(cè)局部放電區(qū)域位置的能力更強(qiáng)，更加適合當(dāng)前電壓等級(jí)日益增加的電力系統(tǒng)。

以電力系統(tǒng)局部放電檢測(cè)單元為背景，通過(guò)比對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)裝置，提出旋轉(zhuǎn)展開(kāi)檢測(cè)單元裝置。經(jīng)驗(yàn)證，相較于傳統(tǒng)放電檢測(cè)裝置，旋轉(zhuǎn)展開(kāi)系統(tǒng)只需要單獨(dú)的輸氣回路就可以獲得許多傳統(tǒng)檢測(cè)單元較難實(shí)現(xiàn)的要求，具體表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)展開(kāi)裝置有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.可展開(kāi)可旋轉(zhuǎn)，使檢測(cè)靠放電點(diǎn)更近，使精度更高；2.安裝簡(jiǎn)單，對(duì)變壓器內(nèi)部構(gòu)造要求低；3.可以對(duì)不同方向進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量范圍更廣；4.從生產(chǎn)技術(shù)角度考慮，旋轉(zhuǎn)展開(kāi)機(jī)構(gòu)的技術(shù)更加成熟、成本也更低。

綜上所述，旋轉(zhuǎn)展開(kāi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在降低成本，簡(jiǎn)化安裝的同時(shí)，提高了傳感器檢的測(cè)靈敏度，獲得更加精確，誤差極小的超聲波信號(hào)，更加適合當(dāng)今不斷升高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)。

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