范毓青，廖丹妮，彭亞濤，方曉瑜

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024）

在電力網(wǎng)絡(luò)中，電氣設(shè)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(shè)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(jī)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。電力設(shè)備的故障有：機(jī)械故障、導(dǎo)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(shè)備發(fā)生故障主要原因[2]。因此對電力設(shè)備關(guān)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(jī)構(gòu)仍然不夠完善。檢測機(jī)構(gòu)作為傳感器的載體，其設(shè)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(jī)構(gòu)位置常為固定狀態(tài)，所接收局部放電信號穿越不同介質(zhì)時，其能量和幅值均產(chǎn)生明顯的衰減現(xiàn)象，這導(dǎo)致檢測精度、準(zhǔn)確度下降。

本文對檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改良，采用氣動膨脹技術(shù)和STM32自動控制系統(tǒng)，將檢測機(jī)構(gòu)改良為旋轉(zhuǎn)展開可動式單元，使傳感器能夠深入到變壓器內(nèi)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(shè)計的檢測機(jī)構(gòu)為可伸縮轉(zhuǎn)向的柱狀，可以實現(xiàn)更方便地從放油閥進(jìn)入箱體，處理了信號穿越介質(zhì)產(chǎn)生損耗的問題，大大助益于定位局部放電源。本設(shè)計通過對展開機(jī)構(gòu)的改進(jìn)實現(xiàn)更強的放電檢測能力，以適應(yīng)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(kuò)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(dāng)它穿透介質(zhì)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(zhuǎn)展開單元結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的傳感器機(jī)構(gòu)既要滿足傳感器多方位的檢測要求，也要實現(xiàn)檢測機(jī)構(gòu)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(shù)能實現(xiàn)傳感器機(jī)構(gòu)檢測面有不同的朝向，并且可以進(jìn)行伸縮，使檢測更加便捷。

設(shè)計的檢測機(jī)構(gòu)按功能分為5層，如圖2。

圖2 傳感器機(jī)構(gòu)示意圖

如圖2所示，環(huán)1至環(huán)5為機(jī)構(gòu)的分層部分，也起著部分支撐的作用；各環(huán)之間為機(jī)構(gòu)的伸縮部分，可作為方向調(diào)控的關(guān)鍵部位。氣道構(gòu)成整個機(jī)構(gòu)的氣路，當(dāng)該機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)時，伸縮層充氣展開，由控制帶動充氣泵電機(jī)的開通時間和氣量大小聯(lián)合控制機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)和工作形態(tài)所示。

圖3 傘狀推拉結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)

推拉傘裝結(jié)構(gòu)采用齒輪結(jié)構(gòu)張開閉合角度可調(diào)，結(jié)構(gòu)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(yīng)用的范圍。

4 旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)檢測單元分析

如圖4機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的伸縮部分。可作為方向調(diào)控的關(guān)鍵部位。機(jī)構(gòu)內(nèi)部可通過氣管相互接通，充氣得以膨脹，展開機(jī)構(gòu)。氣道構(gòu)成整個機(jī)構(gòu)的氣路。當(dāng)該機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)全展開狀態(tài)）

各層之間基本部分與方向調(diào)整部分位置有所不同。

圖4 機(jī)構(gòu)模型圖（未展開）

圖5 機(jī)構(gòu)模型圖（全展開）

（1）基層伸縮層結(jié)構(gòu)

圖6為基層伸縮層結(jié)構(gòu)展開模型圖

圖6 基層伸縮結(jié)構(gòu)展開圖

（2） 第2層伸縮結(jié)構(gòu)

圖7為第2層伸縮結(jié)構(gòu)展開圖。

圖7 第2層伸縮結(jié)構(gòu)展開圖

（3）第3層伸縮結(jié)構(gòu)

圖8為第3層伸縮結(jié)構(gòu)展開圖。

圖8 第3層伸縮結(jié)構(gòu)展開圖

（4） 第4伸縮層結(jié)構(gòu)

圖9為第4層伸縮層結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的朝向可以是東、西、南、北；也可以調(diào)節(jié)充氣的量，調(diào)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)第1層展開時3視圖；圖11-2為機(jī)構(gòu)第2層展開時3視圖；圖11-3為機(jī)構(gòu)第3層展開時3視圖；圖11-4為機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)時，伸縮層充氣展開，由控制充氣泵電機(jī)的開通時間和氣量大小聯(lián)合控制機(jī)構(gòu)的伸展高度與朝向。如第1層方向部分伸展時，機(jī)構(gòu)朝向為右；如第2層方向部分伸展時，機(jī)構(gòu)朝向為左；如第3層方向部分伸展時，機(jī)構(gòu)朝向為上；如第4層方向部分伸展時，機(jī)構(gòu)朝向為下；轉(zhuǎn)向的角度由伸縮層充氣量和各層膨脹環(huán)的質(zhì)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(nèi)（意指裝箱的角度不至于是整個機(jī)構(gòu)傾倒，氣量在伸縮材料可承受范圍內(nèi)），充氣量越多，轉(zhuǎn)向角度越大；假設(shè)由第1層到第4層膨脹環(huán)質(zhì)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(zhuǎn)向角度最大，反之最小，可稱(m2+m3+m4+m5)/m1為第1層轉(zhuǎn)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(guān)系與第1層相同。檢測完成后，通過吸氣泵將氣體抽出，使機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)克服前文提及的傘裝推拉結(jié)構(gòu)的不足，相較于推拉結(jié)構(gòu)展開只能檢測結(jié)構(gòu)前方的區(qū)域情況，旋轉(zhuǎn)展開結(jié)構(gòu)能通過充氣轉(zhuǎn)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(zhǔn)確度。同時，底面接觸面積也比傘狀展開機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)展開結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比對

通過表1傘裝推拉結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)對比獲悉，相比推拉傘裝結(jié)構(gòu)，該旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)更方便電力設(shè)備內(nèi)部絕緣監(jiān)測，且性價比更高。由于不少的電力設(shè)備內(nèi)部入口有規(guī)定尺寸，傘狀推拉機(jī)構(gòu)不利于放置與伸進(jìn)，而盤狀旋開機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(nèi)部為油路環(huán)境，將更適合旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)工作。

表1 傘裝推拉結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)對比

6 總結(jié)

操作試驗結(jié)果表明，對比傳統(tǒng)檢測機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)檢測局部放電區(qū)域位置的能力更強，更加適合當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)展開裝置有以下幾點優(yōu)勢：1.可展開可旋轉(zhuǎn)，使檢測靠放電點更近，使精度更高；2.安裝簡單，對變壓器內(nèi)部構(gòu)造要求低；3.可以對不同方向進(jìn)行測量，使測量范圍更廣；4.從生產(chǎn)技術(shù)角度考慮，旋轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)的技術(shù)更加成熟、成本也更低。

綜上所述，旋轉(zhuǎn)展開檢測機(jī)構(gòu)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(dāng)今不斷升高電壓等級的電力系統(tǒng)。

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