基于STM32的高壓電機局部放電監測系統設計

駱東松，孫耀江

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

改革開放以來，我國工業化進程取得巨大成就，建成了全球最為完整的工業體系，成為世界第一大工業國。而高壓電機的出現，推動了工業化的進一步發展。其運行的可靠性對保證工業生產的安全、高效、優質和低能耗等具有重要意義。受生產環境的影響，高壓電機往往會出現諸多故障，這些故障不但影響電機本身，對于生產系統也會產生影響，更會對電力系統的穩定性和安全性造成重大影響，甚至危及人身安全，造成巨大的經濟損失，給社會帶來極其惡劣的影響。此外，為滿足生產需求，高壓電機向著高電壓、大容量方向發展，這對于高壓電機的安全穩定運行提出了新的挑戰，對于電機的制造技術也有了更高的要求。

在電機的生產制造過程中，電機絕緣技術是關鍵技術之一，而絕緣的壽命往往決定著電機的使用壽命，最為關鍵的便是定子繞組的絕緣。由于電機在生產時，受振動、溫度等因素的影響，加速了定子繞組的磨損，使電機出現一系列故障。據相關統計，由定子繞組引起的故障占高壓電機總故障量的64%，由日本和歐洲統計資料可見，定子繞組絕緣故障占電機故障數量的15%～25%。

由于制造技術的局限性，使得定子繞組存在薄弱環節，生產使用時，在強電場的干擾下，定子繞組的薄弱環節出現局部放電現象，加重了定子繞組絕緣的故障。若局放現象連續發生，將直接導致高壓電機被擊穿，存在極大的安全隱患。因此，通過對高壓電機定子繞組局部放電進行檢測，做好電機安全運行防護具有重要意義。

1 整體檢測方案

目前國內外對于局部放電的檢測主要有脈沖電流法、電容耦合法以及電磁耦合法。國外電機在使用時電機任意一相的局部放電電流需要經過中性點流入大地，因此在中性點安裝超帶寬高頻脈沖電流傳感器，即可獲取局部放電信號。本文實驗對象為10 kV三相異步電機，絕緣保護等級為F級，利用電流傳感器測得中性點電流，經濾波電路、放大電路、A/D轉換電路后，主控制器經串口或其他通信模塊將數據上傳至PC機，完成局部放電信號的監測。監測系統結構如圖1所示。

圖1 監測系統結構

電機：三相異步電機啟動頻率為5 Hz；

電流傳感器：負責檢測ABC三相中任意一相中性點接地的電流；

主控制器：負責系統硬件的數據處理，是監測系統的核心；

人機交互：顯示監測的數據，便于巡檢人員查看；

通信模塊：將監測的數據經串口上傳至PC機，便于數據入庫與分析。

2 系統硬件部分

檢測系統硬件設計的主控制器選用STM32F103，該控制器具有豐富的內部資源，32位基于ARM芯片帶128 KB閃存，含有6個定時器、1個ADC、7個通信接口。由傳感器采集的電流信號經放大濾波處理及A/D轉換后，由STM32F103ZET6進行信息分析處理，其硬件框架如圖2所示。

圖2 STM32硬件框架

2.1 傳感器選型及其工作原理

傳感器的選擇對于系統數據的采集有著關鍵性作用，一款精度高、線性度好、反應快、低溫漂、寬頻帶、抗干擾能力強的傳感器可為系統數據的準確性提供保障。本系統采用開合式MKI-HRI霍爾電流變送器，其擁有25 mm孔徑，電流范圍為0～200 A，24 V電源供電，其輸出信號為4～20 mA直流信號，為監測系統的數據采集提供方便。電流變送器工作原理如圖3所示。

圖3 電流變送器原理

2.2 濾波電路

由于現場環境的影響，采集的局部放電信號受噪聲信號干擾，使得檢測結果的提取更加困難。為了使檢測結果更加精準，需要對信號進行濾波處理，通過濾波器對噪聲信號進行抑制，以有效提高信號采集精度。該系統采用二階高通濾波器，濾波電路原理如圖4所示。

圖4 二階高通濾波器原理

3 系統軟件部分

3.1 軟件設計流程

對霍爾電流變送器所采集的4～20 mA直流信號經主控制器自帶ADC轉換電路轉換后，由MCU進行分析處理，將檢測數據通過LCD屏幕顯示。軟件設計主要針對系統運行流程及數據處理。軟件控制流程如圖5所示。

圖5 軟件控制流程

3.2 上位機界面設計

系統上位機主要負責對采集的數據做數據入庫和曲線分析，便于運行人員對電機進行局部放電監測，從而做出預判，合理啟停電機，延長電機的使用壽命。系統數據監測界面如圖6所示。

圖6 系統局部放電監測界面

系統局部放電界面分為數據顯示和脈沖響應曲線，當系統監測到局部放電信號時，數據可選擇不同中性點監測，生成相應的脈沖曲線，入庫按鈕可以記錄數據，便于數據分析。

4 系統仿真實驗

為分析驗證系統的穩定性和可靠性，現將局部放電信號以指數振蕩衰減脈沖函數進行模擬，其表達式如下：

式中：v為第i個局部放電脈沖；A為脈沖峰值；t為脈沖峰值出現位置；f為局部放電信號的振蕩頻率，實驗中取f=2.9 MHz；τ為時間常數，取 τ=0.2 μs。

分別對ABC三相中性點進行信號模擬，其中，仿真波形如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 A相中性點接地

圖8 B相中性點接地

圖9 C相中性點接地

通過如上仿真波形可以看出，出現尖峰脈沖的位置可判定為電機出現了局部放電現象。

5 結 語

本文設計的高壓電機絕緣監測系統采用STM32F103作為主控單元，以霍爾電流變送器作為局部放電信號采取裝置，以Keil5作為下位機編程軟件，編寫信號采集程序，以VS2012作為上位機編程環境，通過vb.net構建監控界面。系統從信號采集到數據處理及入庫做了完整的測試，具有一定的工程實用價值。