基于STM32的局部放电检测单元旋转展开机构设置*

范毓青，廖丹妮，彭亚涛，方晓瑜

（厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024）

在电力网络中，电气设备的运行状况与电力系统的可靠性，安全性，能否稳定运行有着不可分割的联系。电气设备的故障有较大概率诱发生产事故，后果就是大面积停电以及损失大量社会财富和危机电力系统的安全稳定运行。电力设备的故障有：机械故障、导体故障以及绝缘故障[1]。分析以往运行故障的统计数据可以发现，绝缘问题而引发产生的故障是电气设备发生故障主要原因[2]。因此对电力设备关键部位异常的精确监测是必要的。

现今，检测方法多种多样，各有所长。然而，因为局部放电产生的信号不一，传播特性与传播过程产生的损耗不一致，对检测传感器的物理位置具有一定的要求，承载传感器的检测机构仍然不够完善。检测机构作为传感器的载体，其设计理念和控制效果对局部放电的信号的检测起着重要作用。然而传统的检测机构位置常为固定状态，所接收局部放电信号穿越不同介质时，其能量和幅值均产生明显的衰减现象，这导致检测精度、准确度下降。

本文对检测机构进行设计改良，采用气动膨胀技术和STM32自动控制系统，将检测机构改良为旋转展开可动式单元，使传感器能够深入到变压器内部检测来至不同方位的超声波信号、搜索局部放电位置。本设计的检测机构为可伸缩转向的柱状，可以实现更方便地从放油阀进入箱体，处理了信号穿越介质产生损耗的问题，大大助益于定位局部放电源。本设计通过对展开机构的改进实现更强的放电检测能力，以适应电压等级日益增加的发展趋势。

1 超声波信号的产生与传播

在变压器放电时，油中气泡等在电场力的影响下震荡运动，且幅值不断衰减[3]。在气泡的震动中，周围将发生声发射，形成超声波并快速地向周围扩出[4]。通过检测频率带为70～150 kHz的超声波信号[5]，它可以有效避免电磁干扰的影响[6]。虽然超声波的穿透能力很强，但是当它穿透介质时，能量会有损耗且损耗明显。主要表现在以下两点：一是幅值的衰减；二是波形会产生一定程度的畸变。如图1所示。

图1 超声波信号传播的基本路径

2 旋转展开单元结构设计

为了克服上述问题，就需要给出一个可以减小甚至消除此类误差的方法。基于这些问题，设计的传感器机构既要满足传感器多方位的检测要求，也要实现检测机构能尽可能靠近放电位置以减小误差的能力。通过气动膨胀技术能实现传感器机构检测面有不同的朝向，并且可以进行伸缩，使检测更加便捷。

设计的检测机构按功能分为5层，如图2。

图2 传感器机构示意图

如图2所示，环1至环5为机构的分层部分，也起着部分支撑的作用；各环之间为机构的伸缩部分，可作为方向调控的关键部位。气道构成整个机构的气路，当该机构在工作状态时，伸缩层充气展开，由控制带动充气泵电机的开通时间和气量大小联合控制机构的伸展高度与朝向，实现多方位朝向。

3 传统检测单元

获得专利的一种伞状可伸缩局部放电检测装置[7]，如图3伞装推拉结构和工作形态所示。

图3 伞状推拉结构和工作状态

推拉伞装结构采用齿轮结构张开闭合角度可调，结构巧妙、稳定，能较好的解决信噪混杂的问题。通过改变测量骨架的张开角度，定量测量局部放电信号的大小，并可根据张开角度所覆盖的范围合理避开噪声源的干扰。但是由于其推拉伸缩过程需要一定的伸缩空间和推动行程限制了其检测精度与应用的范围。

4 旋转展开机构检测单元分析

如图4机构的模型图（未展开）所示：中间深色部分即为伸缩层。镶嵌在两个膨胀环之间，是各环之间为机构的伸缩部分。可作为方向调控的关键部位。机构内部可通过气管相互接通，充气得以膨胀，展开机构。气道构成整个机构的气路。当该机构未展开时，体积较小，存放时可以节约空间，同时也方便携带。（图5为机构全展开状态）

各层之间基本部分与方向调整部分位置有所不同。

图4 机构模型图（未展开）

图5 机构模型图（全展开）

（1）基层伸缩层结构

图6为基层伸缩层结构展开模型图

图6 基层伸缩结构展开图

（2） 第2层伸缩结构

图7为第2层伸缩结构展开图。

图7 第2层伸缩结构展开图

（3）第3层伸缩结构

图8为第3层伸缩结构展开图。

图8 第3层伸缩结构展开图

（4） 第4伸缩层结构

图9为第4层伸缩层结构展开图。

图10为各伸缩层的方向部分位置对比。由图可知，各伸缩层的基本部分均占各自伸缩层的3/4，可以保证整个机构的正直伸展；各伸缩层的方向部分均占各自伸缩层的1/4，4层正好合成1圈，且方向部分的高度比基本部分高。任意一层的方向部分得到充气，使整个机构的朝向可以是东、西、南、北；也可以调节充气的量，调节方向部分的高度，以4个方向部分不同的高度组合，实现整个机构朝向的多样性。

图10 各伸缩层的方向部分位置对比

如图11-1为机构第1层展开时3视图；图11-2为机构第2层展开时3视图；图11-3为机构第3层展开时3视图；图11-4为机构第4层展开时3视图（从左到右排序均为主视图，俯视图 ，左视图）。

图11 -1 第1层展开3视图（主，俯，左）

图11 -2 第2层展开3视图（主，俯，左）

图11 -3 第3层展开3视图（主，俯，左）

图11 -4 第4层展开3视图（主，俯，左）

机构处于工作状态时，伸缩层充气展开，由控制充气泵电机的开通时间和气量大小联合控制机构的伸展高度与朝向。如第1层方向部分伸展时，机构朝向为右；如第2层方向部分伸展时，机构朝向为左；如第3层方向部分伸展时，机构朝向为上；如第4层方向部分伸展时，机构朝向为下；转向的角度由伸缩层充气量和各层膨胀环的质量与伸缩层材料的伸缩性能共同决定：在膨胀环和伸缩材料的约束范围内（意指装箱的角度不至于是整个机构倾倒，气量在伸缩材料可承受范围内），充气量越多，转向角度越大；假设由第1层到第4层膨胀环质量依次为m1、m2、m3、m4，m5，在(m2+m3+m4+m5)/m1的比值为最小时，第1伸缩层方向部分所决定的转向角度最大，反之最小，可称(m2+m3+m4+m5)/m1为第1层转向的影响因子；则第2层至第4层的影响因子为(m3+m4+m5)/(m1+m2)、(m4+m5)/(m1+m2+m3)、m5/(m1+m2+m3+m4)的影响关系与第1层相同。检测完成后，通过吸气泵将气体抽出，使机构回缩，成未展开模样，如图12。

图12 未展开状态图

图13 全展开状态图

图13为全展开状态。该旋转展开机构克服前文提及的伞装推拉结构的不足，相较于推拉结构展开只能检测结构前方的区域情况，旋转展开结构能通过充气转向检测更大的区域面积，以此可获得更高的测量精度以及准确度。同时，底面接触面积也比伞状展开机构更大，更加稳定，不容易出现倾倒或其他不稳定因素。

5 旋转展开结构与传统结构比对

通过表1伞装推拉结构与旋转展开机构对比获悉，相比推拉伞装结构，该旋转展开机构更方便电力设备内部绝缘监测，且性价比更高。由于不少的电力设备内部入口有规定尺寸，伞状推拉机构不利于放置与伸进，而盘状旋开机构可以大大缩小放置体积，这位装置的实用性提供了保证。另外整个机构纯气动，对于高压、电力场合具有更好的安全性，为系统安全稳定运行提供保障。若是仅对油浸式变压器而言，由于其内部为油路环境，将更适合旋转展开机构工作。

表1 伞装推拉结构与旋转展开机构对比

6 总结

操作试验结果表明，对比传统检测机构，旋转展开机构检测局部放电区域位置的能力更强，更加适合当前电压等级日益增加的电力系统。

以电力系统局部放电检测单元为背景，通过比对传统检测装置，提出旋转展开检测单元装置。经验证，相较于传统放电检测装置，旋转展开系统只需要单独的输气回路就可以获得许多传统检测单元较难实现的要求，具体表现在旋转展开装置有以下几点优势：1.可展开可旋转，使检测靠放电点更近，使精度更高；2.安装简单，对变压器内部构造要求低；3.可以对不同方向进行测量，使测量范围更广；4.从生产技术角度考虑，旋转展开机构的技术更加成熟、成本也更低。

综上所述，旋转展开检测机构在降低成本，简化安装的同时，提高了传感器检的测灵敏度，获得更加精确，误差极小的超声波信号，更加适合当今不断升高电压等级的电力系统。

[1] 李燕青.超声波法检测电力变压器局部放电的研究[D].北京:华北电力大学,2003.

[2] 严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京:中国电力出版社,1995.

[3] 王庆.变压器局部放电超声信号传播规律及定位方法的研究[D].北京:华北电力大学,2004.

[4] 张发英.变压器局部放电和检测[J].甘肃科技,2012(24):66-67.

[5] 李君.变压器典型放电故障击穿过程中局部放电的统计特征[D].北京:华北电力大学,2006.

[6] 汪正刚,周明,胡芬丽.变压器超声波局部放电检测案例分析[J].新技术产品,2013(20):102-103.

[7] 邵振华,林文广.一种可调超声波接收装置:CN105527018A[P].2016-04-27.