基于STM32單片機控制的高壓開關柜局部放電檢測系統的研究

朱名強，謝曉媛，唐小華，藍日衛，黃少芬

（廣西理工職業技術學院，崇左 532200）

隨著電力行業的發展，電力設備如高壓開關柜的使用越來越多，其運行狀態對電力系統供電可靠性有很大的影響。一旦發生故障，有可能線路和設備會受損，造成大面積停電。絕緣類故障主要表現為絕緣擊穿，產生的主要原因有：絕緣老化、過電壓、工藝不滿足要求等。絕大多數的絕緣類故障在故障前期都會產生局部放電現象，出現局部放電時，會產生氣體生成物、電脈沖、超聲波、電磁輻射、光、局部過熱及產生能量損耗等現象。調查表明，50%以上的故障是可預先發現的。通過對局部放電進行檢測，提前發現設備存在的問題，采取有效措施，避免發展成為故障。本文主要對高壓開關柜局部放電檢測方法進行簡述，設計了基于STM32單片機控制的高壓開關柜局部放電檢測系統。

1 高壓開關柜局部放電檢測方法

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法是通過檢測測量阻抗在耦合電容側或通過羅戈夫斯基線圈從電力設備的中性點或接地點測取局部放電信號。該方法檢測實時性較好且靈敏度較高，能夠測量放電量、放電頻次、放電能量、放電相位等，是廣泛使用的一種局部放電檢測方法。

1.2 暫態對地電壓法

暫態對地電壓法是通過檢測局部放電在電氣設備對接地金屬殼之間產生的放電電壓實現的。當開關柜對地絕緣發生局部放電時，產生少量電容性放電電量，電量很小且持續時間非常短。該方法受外界干擾小，可提高檢測的靈敏度與可靠性，在電力設備得到廣泛應用。

1.3 特高頻法

特高頻法是通過特高頻傳感器對電力設備局部放電產生的特高頻電磁波信號進行檢測的方法。在局部放電中，會產生陡的電流脈沖，脈沖的上升時間為幾ns，激發特高頻的電磁波。該方法可避開常規頻率的干擾，具有良好抗干擾特性、故障定位準確、靈敏度高、檢測范圍大等優點。

1.4 超聲波檢測法

超聲波檢測法是利用超聲波傳感器檢測電力設備局部放電產生的超聲波信號從而判定局部放電的方法。超聲波檢測法受電氣干擾小，對放電源的定位準確。局部放電檢測方法還有其他的檢測方法，如：振蕩波法、氣相色譜檢測法、光檢測法等多種檢測方法。通過對高壓開關柜局部放電檢測方法進行分析，每種檢測技術檢測原理不相同，適用范圍也不一樣。超聲波檢測可用于開關柜等金屬封閉型的開關設備，也可用于復合絕緣的部件。超聲波檢測法測量的不是電信號，利于排除電氣產生的干擾，容易實現在線檢測，能識別放電模式，得到放電電荷的組成等信息，所以，本系統采用超聲波檢測法進行檢測。

2 基于STM32單片機控制的高壓開關柜局部放電檢測系統設計

開關柜局部放電檢測系統組成框圖如圖2所示，主要包含STM32控制器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、信號檢測模塊、顯示模塊、按鍵設置模塊、聲光報警模塊和電源模塊。

圖1 局部放電檢測系統組成框圖

2.1 STM32控制器模塊

為使系統各模塊能夠高效正常工作，控制器采用STM32單片機，該單片機低功耗，高可靠性，具有32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，3個12位模數轉換器，1μs轉換時間，512K字節的程序存儲器，高達64K字節的SRAM。控制器主要用于對信號檢測模塊的輸出信號進行處理，判斷是否有局部放電現象，并通過顯示模塊顯示結果，通過無線WIFI模塊傳輸到手機APP進行顯示。如果有局部放電現象，通過聲光報警模塊進行報警，將報警信息通過存儲器進行保存。

2.2 存儲模塊

存儲模塊采用W25Q64FVSIG，電壓為2.7V～3.6V，具有8M字節的容量，支持SPI操作。存儲器模塊具有引腳數量少，功耗低等特點，用于存儲聲音，文本和圖像。在本系統中用于存儲放電狀態，如擴展本系統，可用于存儲采集的信號波形等。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用ESP8266 WIFI模塊，3.3V單電源供電，是超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，可方便地進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。ESP8266可支持GPIO、ADC、IIC、UART等硬件接口。ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。STA 模式是通過路由器連接互聯網，再通過電腦或者手機連接互聯網實現對設備的遠程控制；AP模式為ESP8266模塊作為熱點，使用電腦或者手機直接與ESP8266模塊通信，實現局域網無線控制；STA+AP模式為兩種模式的共存模式，根據需要采用合適的模式。本系統直接用手機AAP監控局部放電檢測系統檢測到的放電狀態，采用AP模式，實現手機AAP與系統的無線通信。ESP8266WIFI模塊電路連接圖如圖2所示。

圖2 ESP8266WIFI模塊電路連接圖

2.4 信號檢測模塊

信號檢測電路如圖3所示。信號檢測模塊由超聲波傳感器、前置放大器、濾波器、輸出放大器組成。超聲波傳感器用于檢測開關柜局部放電產生的超聲波，轉化為電信號。前置放大器緊跟超聲波傳感器，傳輸線短，用于阻抗轉換和匹配，并將超聲波傳感器輸出的微弱電信號進行放大。輸出放大器主要是使輸出電壓信號滿足STM32單片機的采集要求。

圖3 信號檢測電路框圖

2.4.1 超聲波傳感器

開關柜局部放電產生的的超聲波信號頻帶為20k-60kHz之間，所以超聲波傳感器的中心頻率選擇40kHz，避免低頻和高頻信號的干擾。超聲波傳感器探頭采用壓電陶瓷，選擇空氣傳導式超聲波傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和優越的信噪比，并且可以進行放電模式的識別。因外界有多種電磁干擾，需要將超聲波傳感器置于屏蔽金屬套里。

2.4.2 前置放大器

前置放大器要考慮提高系統的信噪比，設計為高輸入阻抗、高共模抑制比和低輸出阻抗。前置放大器采用AD8130集成運算放大器進行設計，設計的放大器放大倍數要足夠，頻寬要大于傳感器的頻寬，具有低噪聲和高分辨率的特點。

2.4.3 濾波器

濾波器采用集成運放和R、C電路組成的帶通濾波器，主要作用是濾除和抑制干擾，提高整個系統的信噪比。由于開關柜的局部放電信號是脈沖型的信號，需要把濾波器的沖激響應和幅頻特性綜合考慮進來。

2.4.4 輸出放大器

輸出放大器的主要作用是將濾波器輸出的信號轉化為STM32單片機AD轉換器所需的信號。輸出放大器采用AD8139ARDZ集成運放來設計。由于外界的干擾，在電源和地之間并聯一個0.1μF的電容，可有效防止高頻干擾。輸出放大器輸出的信號直接接到STM32單片機的AD采集通道進行處理。

2.4.5 顯示模塊

顯示模塊主要用于顯示開關柜絕緣狀態，即顯示局部放電信息，如果系統后面需要擴展，用于顯示波形、波形回放等功能。本系統采用2.8寸的觸摸屏，跟ST M32單片機配合使用，功耗低，散熱小，能夠表顯示豐富的信息，操作界面友好。本系統可通過手機APP進行顯示。

2.4.6 按鍵設置模塊

按鍵設置模塊主要用于調取報警記錄信息、開或關報警，如需要，可擴展別的用途，使用按鍵較少，所以采用獨立按鍵。這種按鍵方式是各按鍵相互獨立，采用軟件查詢和軟件去抖方式，低電平為有按鍵按下。

2.4.7 聲光報警模塊

聲光報警模塊由發光二極管和蜂鳴器實現，即聲光報警。當系統采集到有放電現象時，蜂鳴器發出聲音，發光二極管閃爍，報警可通過按鍵關閉。

2.4.8 電源模塊

電源模塊供電給系統各模塊使用，有直流5V、3.3V兩種。電源需要功能可靠，抗干擾能力強，在電源和地間接1只0.1μF的電容。3.3V電壓由5V電壓經過AMS1117－3.3穩壓器得到。

3 結束語

本系統實現了檢測高壓開關柜局部放電現象有無的功能，通過觸摸屏或手機APP進行顯示。由于系統采用STM32控制器，功能強大，為之后擴展系統的功能奠定了基礎。通過擴展，可采集局部放電的信號波形并進行存儲、分析放電模式、對放電位置進行定位等。本系統引入了ESP8266WIFI模塊，可設置為STA+AP模式，通過手機APP或電腦實現遠程無線監控，具有更強大的功能。