基于STM32的高壓電機局部放電監(jiān)測系統(tǒng)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(yè)化進程取得巨大成就，建成了全球最為完整的工業(yè)體系，成為世界第一大工業(yè)國。而高壓電機的出現(xiàn)，推動了工業(yè)化的進一步發(fā)展。其運行的可靠性對保證工業(yè)生產(chǎn)的安全、高效、優(yōu)質(zhì)和低能耗等具有重要意義。受生產(chǎn)環(huán)境的影響，高壓電機往往會出現(xiàn)諸多故障，這些故障不但影響電機本身，對于生產(chǎn)系統(tǒng)也會產(chǎn)生影響，更會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(jīng)濟損失，給社會帶來極其惡劣的影響。此外，為滿足生產(chǎn)需求，高壓電機向著高電壓、大容量方向發(fā)展，這對于高壓電機的安全穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)，對于電機的制造技術(shù)也有了更高的要求。

在電機的生產(chǎn)制造過程中，電機絕緣技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，而絕緣的壽命往往決定著電機的使用壽命，最為關(guān)鍵的便是定子繞組的絕緣。由于電機在生產(chǎn)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(xiàn)一系列故障。據(jù)相關(guān)統(tǒng)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(tǒng)計資料可見，定子繞組絕緣故障占電機故障數(shù)量的15%～25%。

由于制造技術(shù)的局限性，使得定子繞組存在薄弱環(huán)節(jié)，生產(chǎn)使用時，在強電場的干擾下，定子繞組的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，加重了定子繞組絕緣的故障。若局放現(xiàn)象連續(xù)發(fā)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(nèi)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(jīng)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(jīng)濾波電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路后，主控制器經(jīng)串口或其他通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至PC機，完成局部放電信號的監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(tǒng)硬件的數(shù)據(jù)處理，是監(jiān)測系統(tǒng)的核心；

人機交互：顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)，便于巡檢人員查看；

通信模塊：將監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)串口上傳至PC機，便于數(shù)據(jù)入庫與分析。

2 系統(tǒng)硬件部分

檢測系統(tǒng)硬件設計的主控制器選用STM32F103，該控制器具有豐富的內(nèi)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(jīng)放大濾波處理及A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)數(shù)據(jù)的采集有著關(guān)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(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性提供保障。本系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(xiàn)場環(huán)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(jié)果的提取更加困難。為了使檢測結(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)主控制器自帶ADC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后，由MCU進行分析處理，將檢測數(shù)據(jù)通過LCD屏幕顯示。軟件設計主要針對系統(tǒng)運行流程及數(shù)據(jù)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(tǒng)上位機主要負責對采集的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)入庫和曲線分析，便于運行人員對電機進行局部放電監(jiān)測，從而做出預判，合理啟停電機，延長電機的使用壽命。系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)局部放電監(jiān)測界面

系統(tǒng)局部放電界面分為數(shù)據(jù)顯示和脈沖響應曲線，當系統(tǒng)監(jiān)測到局部放電信號時，數(shù)據(jù)可選擇不同中性點監(jiān)測，生成相應的脈沖曲線，入庫按鈕可以記錄數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)分析。

4 系統(tǒng)仿真實驗

為分析驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，現(xiàn)將局部放電信號以指數(shù)振蕩衰減脈沖函數(shù)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(xiàn)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(shù)，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(xiàn)尖峰脈沖的位置可判定為電機出現(xiàn)了局部放電現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

本文設計的高壓電機絕緣監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境，通過vb.net構(gòu)建監(jiān)控界面。系統(tǒng)從信號采集到數(shù)據(jù)處理及入庫做了完整的測試，具有一定的工程實用價值。