基于STM32的局部放電檢測單元旋轉展開機構設置*

范毓青，廖丹妮，彭亞濤，方曉瑜

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

在電力網(wǎng)絡中，電氣設備的運行狀況與電力系統(tǒng)的可靠性，安全性，能否穩(wěn)定運行有著不可分割的聯(lián)系。電氣設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財富和危機電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。電力設備的故障有：機械故障、導體故障以及絕緣故障[1]。分析以往運行故障的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，絕緣問題而引發(fā)產(chǎn)生的故障是電氣設備發(fā)生故障主要原因[2]。因此對電力設備關鍵部位異常的精確監(jiān)測是必要的。

現(xiàn)今，檢測方法多種多樣，各有所長。然而，因為局部放電產(chǎn)生的信號不一，傳播特性與傳播過程產(chǎn)生的損耗不一致，對檢測傳感器的物理位置具有一定的要求，承載傳感器的檢測機構仍然不夠完善。檢測機構作為傳感器的載體，其設計理念和控制效果對局部放電的信號的檢測起著重要作用。然而傳統(tǒng)的檢測機構位置常為固定狀態(tài)，所接收局部放電信號穿越不同介質時，其能量和幅值均產(chǎn)生明顯的衰減現(xiàn)象，這導致檢測精度、準確度下降。

本文對檢測機構進行設計改良，采用氣動膨脹技術和STM32自動控制系統(tǒng)，將檢測機構改良為旋轉展開可動式單元，使傳感器能夠深入到變壓器內部檢測來至不同方位的超聲波信號、搜索局部放電位置。本設計的檢測機構為可伸縮轉向的柱狀，可以實現(xiàn)更方便地從放油閥進入箱體，處理了信號穿越介質產(chǎn)生損耗的問題，大大助益于定位局部放電源。本設計通過對展開機構的改進實現(xiàn)更強的放電檢測能力，以適應電壓等級日益增加的發(fā)展趨勢。

1 超聲波信號的產(chǎn)生與傳播

在變壓器放電時，油中氣泡等在電場力的影響下震蕩運動，且幅值不斷衰減[3]。在氣泡的震動中，周圍將發(fā)生聲發(fā)射，形成超聲波并快速地向周圍擴出[4]。通過檢測頻率帶為70～150 kHz的超聲波信號[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，但是當它穿透介質時，能量會有損耗且損耗明顯。主要表現(xiàn)在以下兩點：一是幅值的衰減；二是波形會產(chǎn)生一定程度的畸變。如圖1所示。

圖1 超聲波信號傳播的基本路徑

2 旋轉展開單元結構設計

為了克服上述問題，就需要給出一個可以減小甚至消除此類誤差的方法?；谶@些問題，設計的傳感器機構既要滿足傳感器多方位的檢測要求，也要實現(xiàn)檢測機構能盡可能靠近放電位置以減小誤差的能力。通過氣動膨脹技術能實現(xiàn)傳感器機構檢測面有不同的朝向，并且可以進行伸縮，使檢測更加便捷。

設計的檢測機構按功能分為5層，如圖2。

圖2 傳感器機構示意圖

如圖2所示，環(huán)1至環(huán)5為機構的分層部分，也起著部分支撐的作用；各環(huán)之間為機構的伸縮部分，可作為方向調控的關鍵部位。氣道構成整個機構的氣路，當該機構在工作狀態(tài)時，伸縮層充氣展開，由控制帶動充氣泵電機的開通時間和氣量大小聯(lián)合控制機構的伸展高度與朝向，實現(xiàn)多方位朝向。

3 傳統(tǒng)檢測單元

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

圖3 傘狀推拉結構和工作狀態(tài)

推拉傘裝結構采用齒輪結構張開閉合角度可調，結構巧妙、穩(wěn)定，能較好的解決信噪混雜的問題。通過改變測量骨架的張開角度，定量測量局部放電信號的大小，并可根據(jù)張開角度所覆蓋的范圍合理避開噪聲源的干擾。但是由于其推拉伸縮過程需要一定的伸縮空間和推動行程限制了其檢測精度與應用的范圍。

4 旋轉展開機構檢測單元分析

如圖4機構的模型圖（未展開）所示：中間深色部分即為伸縮層。鑲嵌在兩個膨脹環(huán)之間，是各環(huán)之間為機構的伸縮部分?？勺鳛榉较蛘{控的關鍵部位。機構內部可通過氣管相互接通，充氣得以膨脹，展開機構。氣道構成整個機構的氣路。當該機構未展開時，體積較小，存放時可以節(jié)約空間，同時也方便攜帶。（圖5為機構全展開狀態(tài)）

各層之間基本部分與方向調整部分位置有所不同。

圖4 機構模型圖（未展開）

圖5 機構模型圖（全展開）

（1）基層伸縮層結構

圖6為基層伸縮層結構展開模型圖

圖6 基層伸縮結構展開圖

（2） 第2層伸縮結構

圖7為第2層伸縮結構展開圖。

圖7 第2層伸縮結構展開圖

（3）第3層伸縮結構

圖8為第3層伸縮結構展開圖。

圖8 第3層伸縮結構展開圖

（4） 第4伸縮層結構

圖9為第4層伸縮層結構展開圖。

圖10為各伸縮層的方向部分位置對比。由圖可知，各伸縮層的基本部分均占各自伸縮層的3/4，可以保證整個機構的正直伸展；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，使整個機構的朝向可以是東、西、南、北；也可以調節(jié)充氣的量，調節(jié)方向部分的高度，以4個方向部分不同的高度組合，實現(xiàn)整個機構朝向的多樣性。

圖10 各伸縮層的方向部分位置對比

如圖11-1為機構第1層展開時3視圖；圖11-2為機構第2層展開時3視圖；圖11-3為機構第3層展開時3視圖；圖11-4為機構第4層展開時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3視圖（主，俯，左）

圖11 -2 第2層展開3視圖（主，俯，左）

圖11 -3 第3層展開3視圖（主，俯，左）

圖11 -4 第4層展開3視圖（主，俯，左）

機構處于工作狀態(tài)時，伸縮層充氣展開，由控制充氣泵電機的開通時間和氣量大小聯(lián)合控制機構的伸展高度與朝向。如第1層方向部分伸展時，機構朝向為右；如第2層方向部分伸展時，機構朝向為左；如第3層方向部分伸展時，機構朝向為上；如第4層方向部分伸展時，機構朝向為下；轉向的角度由伸縮層充氣量和各層膨脹環(huán)的質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（意指裝箱的角度不至于是整個機構傾倒，氣量在伸縮材料可承受范圍內），充氣量越多，轉向角度越大；假設由第1層到第4層膨脹環(huán)質量依次為m1、m2、m3、m4，m5，在(m2+m3+m4+m5)/m1的比值為最小時，第1伸縮層方向部分所決定的轉向角度最大，反之最小，可稱(m2+m3+m4+m5)/m1為第1層轉向的影響因子；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)的影響關系與第1層相同。檢測完成后，通過吸氣泵將氣體抽出，使機構回縮，成未展開模樣，如圖12。

圖12 未展開狀態(tài)圖

圖13 全展開狀態(tài)圖

圖13為全展開狀態(tài)。該旋轉展開機構克服前文提及的傘裝推拉結構的不足，相較于推拉結構展開只能檢測結構前方的區(qū)域情況，旋轉展開結構能通過充氣轉向檢測更大的區(qū)域面積，以此可獲得更高的測量精度以及準確度。同時，底面接觸面積也比傘狀展開機構更大，更加穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)傾倒或其他不穩(wěn)定因素。

5 旋轉展開結構與傳統(tǒng)結構比對

通過表1傘裝推拉結構與旋轉展開機構對比獲悉，相比推拉傘裝結構，該旋轉展開機構更方便電力設備內部絕緣監(jiān)測，且性價比更高。由于不少的電力設備內部入口有規(guī)定尺寸，傘狀推拉機構不利于放置與伸進，而盤狀旋開機構可以大大縮小放置體積，這位裝置的實用性提供了保證。另外整個機構純氣動，對于高壓、電力場合具有更好的安全性，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供保障。若是僅對油浸式變壓器而言，由于其內部為油路環(huán)境，將更適合旋轉展開機構工作。

表1 傘裝推拉結構與旋轉展開機構對比

6 總結

操作試驗結果表明，對比傳統(tǒng)檢測機構，旋轉展開機構檢測局部放電區(qū)域位置的能力更強，更加適合當前電壓等級日益增加的電力系統(tǒng)。

以電力系統(tǒng)局部放電檢測單元為背景，通過比對傳統(tǒng)檢測裝置，提出旋轉展開檢測單元裝置。經(jīng)驗證，相較于傳統(tǒng)放電檢測裝置，旋轉展開系統(tǒng)只需要單獨的輸氣回路就可以獲得許多傳統(tǒng)檢測單元較難實現(xiàn)的要求，具體表現(xiàn)在旋轉展開裝置有以下幾點優(yōu)勢：1.可展開可旋轉，使檢測靠放電點更近，使精度更高；2.安裝簡單，對變壓器內部構造要求低；3.可以對不同方向進行測量，使測量范圍更廣；4.從生產(chǎn)技術角度考慮，旋轉展開機構的技術更加成熟、成本也更低。

綜上所述，旋轉展開檢測機構在降低成本，簡化安裝的同時，提高了傳感器檢的測靈敏度，獲得更加精確，誤差極小的超聲波信號，更加適合當今不斷升高電壓等級的電力系統(tǒng)。

[1] 李燕青.超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究[D].北京:華北電力大學,2003.

[2] 嚴璋.電氣絕緣在線檢測技術[M].北京:中國電力出版社,1995.

[3] 王慶.變壓器局部放電超聲信號傳播規(guī)律及定位方法的研究[D].北京:華北電力大學,2004.

[4] 張發(fā)英.變壓器局部放電和檢測[J].甘肅科技,2012(24):66-67.

[5] 李君.變壓器典型放電故障擊穿過程中局部放電的統(tǒng)計特征[D].北京:華北電力大學,2006.

[6] 汪正剛,周明,胡芬麗.變壓器超聲波局部放電檢測案例分析[J].新技術產(chǎn)品,2013(20):102-103.

[7] 邵振華,林文廣.一種可調超聲波接收裝置:CN105527018A[P].2016-04-27.