基于STM32单片机控制的高压开关柜局部放电检测系统的研究

朱名强，谢晓媛，唐小华，蓝日卫，黄少芬

（广西理工职业技术学院，崇左 532200）

随着电力行业的发展，电力设备如高压开关柜的使用越来越多，其运行状态对电力系统供电可靠性有很大的影响。一旦发生故障，有可能线路和设备会受损，造成大面积停电。绝缘类故障主要表现为绝缘击穿，产生的主要原因有：绝缘老化、过电压、工艺不满足要求等。绝大多数的绝缘类故障在故障前期都会产生局部放电现象，出现局部放电时，会产生气体生成物、电脉冲、超声波、电磁辐射、光、局部过热及产生能量损耗等现象。调查表明，50%以上的故障是可预先发现的。通过对局部放电进行检测，提前发现设备存在的问题，采取有效措施，避免发展成为故障。本文主要对高压开关柜局部放电检测方法进行简述，设计了基于STM32单片机控制的高压开关柜局部放电检测系统。

1 高压开关柜局部放电检测方法

1.1 脉冲电流法

脉冲电流法是通过检测测量阻抗在耦合电容侧或通过罗戈夫斯基线圈从电力设备的中性点或接地点测取局部放电信号。该方法检测实时性较好且灵敏度较高，能够测量放电量、放电频次、放电能量、放电相位等，是广泛使用的一种局部放电检测方法。

1.2 暂态对地电压法

暂态对地电压法是通过检测局部放电在电气设备对接地金属壳之间产生的放电电压实现的。当开关柜对地绝缘发生局部放电时，产生少量电容性放电电量，电量很小且持续时间非常短。该方法受外界干扰小，可提高检测的灵敏度与可靠性，在电力设备得到广泛应用。

1.3 特高频法

特高频法是通过特高频传感器对电力设备局部放电产生的特高频电磁波信号进行检测的方法。在局部放电中，会产生陡的电流脉冲，脉冲的上升时间为几ns，激发特高频的电磁波。该方法可避开常规频率的干扰，具有良好抗干扰特性、故障定位准确、灵敏度高、检测范围大等优点。

1.4 超声波检测法

超声波检测法是利用超声波传感器检测电力设备局部放电产生的超声波信号从而判定局部放电的方法。超声波检测法受电气干扰小，对放电源的定位准确。局部放电检测方法还有其他的检测方法，如：振荡波法、气相色谱检测法、光检测法等多种检测方法。通过对高压开关柜局部放电检测方法进行分析，每种检测技术检测原理不相同，适用范围也不一样。超声波检测可用于开关柜等金属封闭型的开关设备，也可用于复合绝缘的部件。超声波检测法测量的不是电信号，利于排除电气产生的干扰，容易实现在线检测，能识别放电模式，得到放电电荷的组成等信息，所以，本系统采用超声波检测法进行检测。

2 基于STM32单片机控制的高压开关柜局部放电检测系统设计

开关柜局部放电检测系统组成框图如图2所示，主要包含STM32控制器模块、存储模块、无线通信模块、信号检测模块、显示模块、按键设置模块、声光报警模块和电源模块。

图1 局部放电检测系统组成框图

2.1 STM32控制器模块

为使系统各模块能够高效正常工作，控制器采用STM32单片机，该单片机低功耗，高可靠性，具有32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作频率，3个12位模数转换器，1μs转换时间，512K字节的程序存储器，高达64K字节的SRAM。控制器主要用于对信号检测模块的输出信号进行处理，判断是否有局部放电现象，并通过显示模块显示结果，通过无线WIFI模块传输到手机APP进行显示。如果有局部放电现象，通过声光报警模块进行报警，将报警信息通过存储器进行保存。

2.2 存储模块

存储模块采用W25Q64FVSIG，电压为2.7V～3.6V，具有8M字节的容量，支持SPI操作。存储器模块具有引脚数量少，功耗低等特点，用于存储声音，文本和图像。在本系统中用于存储放电状态，如扩展本系统，可用于存储采集的信号波形等。

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用ESP8266 WIFI模块，3.3V单电源供电，是超低功耗的UART-WiFi透传模块，可方便地进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266可支持GPIO、ADC、IIC、UART等硬件接口。ESP8266模块支持STA、AP、STA+AP三种工作模式。STA 模式是通过路由器连接互联网，再通过电脑或者手机连接互联网实现对设备的远程控制；AP模式为ESP8266模块作为热点，使用电脑或者手机直接与ESP8266模块通信，实现局域网无线控制；STA+AP模式为两种模式的共存模式，根据需要采用合适的模式。本系统直接用手机AAP监控局部放电检测系统检测到的放电状态，采用AP模式，实现手机AAP与系统的无线通信。ESP8266WIFI模块电路连接图如图2所示。

图2 ESP8266WIFI模块电路连接图

2.4 信号检测模块

信号检测电路如图3所示。信号检测模块由超声波传感器、前置放大器、滤波器、输出放大器组成。超声波传感器用于检测开关柜局部放电产生的超声波，转化为电信号。前置放大器紧跟超声波传感器，传输线短，用于阻抗转换和匹配，并将超声波传感器输出的微弱电信号进行放大。输出放大器主要是使输出电压信号满足STM32单片机的采集要求。

图3 信号检测电路框图

2.4.1 超声波传感器

开关柜局部放电产生的的超声波信号频带为20k-60kHz之间，所以超声波传感器的中心频率选择40kHz，避免低频和高频信号的干扰。超声波传感器探头采用压电陶瓷，选择空气传导式超声波传感器，该传感器具有较高的灵敏度和优越的信噪比，并且可以进行放电模式的识别。因外界有多种电磁干扰，需要将超声波传感器置于屏蔽金属套里。

2.4.2 前置放大器

前置放大器要考虑提高系统的信噪比，设计为高输入阻抗、高共模抑制比和低输出阻抗。前置放大器采用AD8130集成运算放大器进行设计，设计的放大器放大倍数要足够，频宽要大于传感器的频宽，具有低噪声和高分辨率的特点。

2.4.3 滤波器

滤波器采用集成运放和R、C电路组成的带通滤波器，主要作用是滤除和抑制干扰，提高整个系统的信噪比。由于开关柜的局部放电信号是脉冲型的信号，需要把滤波器的冲激响应和幅频特性综合考虑进来。

2.4.4 输出放大器

输出放大器的主要作用是将滤波器输出的信号转化为STM32单片机AD转换器所需的信号。输出放大器采用AD8139ARDZ集成运放来设计。由于外界的干扰，在电源和地之间并联一个0.1μF的电容，可有效防止高频干扰。输出放大器输出的信号直接接到STM32单片机的AD采集通道进行处理。

2.4.5 显示模块

显示模块主要用于显示开关柜绝缘状态，即显示局部放电信息，如果系统后面需要扩展，用于显示波形、波形回放等功能。本系统采用2.8寸的触摸屏，跟ST M32单片机配合使用，功耗低，散热小，能够表显示丰富的信息，操作界面友好。本系统可通过手机APP进行显示。

2.4.6 按键设置模块

按键设置模块主要用于调取报警记录信息、开或关报警，如需要，可扩展别的用途，使用按键较少，所以采用独立按键。这种按键方式是各按键相互独立，采用软件查询和软件去抖方式，低电平为有按键按下。

2.4.7 声光报警模块

声光报警模块由发光二极管和蜂鸣器实现，即声光报警。当系统采集到有放电现象时，蜂鸣器发出声音，发光二极管闪烁，报警可通过按键关闭。

2.4.8 电源模块

电源模块供电给系统各模块使用，有直流5V、3.3V两种。电源需要功能可靠，抗干扰能力强，在电源和地间接1只0.1μF的电容。3.3V电压由5V电压经过AMS1117－3.3稳压器得到。

3 结束语

本系统实现了检测高压开关柜局部放电现象有无的功能，通过触摸屏或手机APP进行显示。由于系统采用STM32控制器，功能强大，为之后扩展系统的功能奠定了基础。通过扩展，可采集局部放电的信号波形并进行存储、分析放电模式、对放电位置进行定位等。本系统引入了ESP8266WIFI模块，可设置为STA+AP模式，通过手机APP或电脑实现远程无线监控，具有更强大的功能。