劉寧 鄭亞平 張晨

1、鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2、中國電信股份有限公司常熟分公司

關(guān)鍵字：高壓線路；局部放電；超聲波法；STM32 ；RS485

引言

隨著城市化的不斷推進(jìn) ，人們生活對電力需求急劇增加 ，架設(shè)架空配電線路的數(shù)量也越來越多， 這些架空配電線路運(yùn)行的安全性直接關(guān)系著整個城市供電系統(tǒng)的可靠性。然而，由于高電壓、高電場等內(nèi)在因素或者設(shè)備制造缺陷 、潮濕環(huán)境等外部因素的作用，配電線路中設(shè)備絕緣薄弱的地方容易產(chǎn)生局部放電，導(dǎo)致設(shè)備損壞 ，存在影響運(yùn)行安全的潛在危險。另一方面，架空線路設(shè)備數(shù)量大 、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜 、故障率較高 ，以常規(guī)的人工巡檢方式完成如此繁重的配電網(wǎng)絡(luò)檢測任務(wù)顯得力不從心 。近年來聲電換能器效率的提高和運(yùn)算放大器技術(shù)的發(fā)展 ，使得超聲波檢測法的靈敏度有了很大的提升 ，特別是在大容量電容器的局部放電檢測方面，其靈敏度甚至高于電脈沖法 。因此，針對輸配電線路巡檢的實(shí)際應(yīng)用需求 ，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波的高壓線路局部放電檢測設(shè)備， 以實(shí)現(xiàn)對架空線路設(shè)備的快速巡檢和定位故障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，高壓線局部放電產(chǎn)生超聲波，采集設(shè)備采集到超聲波后通過485通信將信號傳輸給主機(jī)，由主機(jī)對信號進(jìn)行處理顯示后將數(shù)據(jù)保存到SD卡中，將存于SD卡中的數(shù)據(jù)存到PC中，以便后續(xù)工作。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于超聲波的局部放電檢測設(shè)備如圖2所示，主要由下面五個部分組成：接收電路、變頻電路、采集電路、巡檢主機(jī)電路和電源電路。接收電路包括前端接收電路、預(yù)處理電路和增益可調(diào)放大電路；變頻電路包括載波電路、濾波電路和混頻電路；采集電路包含了超聲波采集電路，有效值轉(zhuǎn)換電路、音頻播放電路和溫濕度采集電路；巡檢主機(jī)電路包含了485電路、屏幕和SD卡電路；電源電路包含了設(shè)備啟動和穩(wěn)壓電路。在本項(xiàng)目中超聲波傳感器接收信號經(jīng)過去噪、放大、混頻和濾波等步驟得到了人耳可聽頻率內(nèi)的音頻。然后將其分成三路，一路進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換(RMS)，一路進(jìn)行信號采集，一路進(jìn)行音頻播放，其中采集信號和有效值通過485總線傳輸給主機(jī)。

圖2超聲波采集設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

1.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)備相互關(guān)聯(lián) ，包括各子程序、采集的數(shù)據(jù)以及軟件的說明文檔。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的功能來進(jìn)行執(zhí)行命令、響應(yīng)中斷等操作。在本設(shè)計(jì)中，所用到的軟件功能由多個獨(dú)立的任務(wù)組成 ，每一個任務(wù)都只是完成其特定的工作，比如所檢測數(shù)據(jù)、控制電壓、進(jìn)行485通信和音頻存儲等。通過CPU進(jìn)行整體的調(diào)度，組成完整的設(shè)備功能。

2 系統(tǒng)測試

2.1 靈敏度測試

靈敏度主要是檢測超聲波檢測設(shè)備能夠檢測的最小信號，是檢測儀器的主要性能指標(biāo)。本設(shè)計(jì)中采用超聲波發(fā)射裝置作為聲源，其中傳感器以T40-16作為發(fā)射探頭。該裝置通過MCU產(chǎn)生一個頻率為40Khz的幅度為5V的正弦波信號。靈敏度測試公式如下式所示，其中v1為發(fā)射信號，v0為接收信號，L為兩者之間的距離，D為靈敏度。

假設(shè)此時VGN為1V，AD605的增益大約為15dB，將設(shè)備逐漸遠(yuǎn)離超聲波發(fā)射裝置，測得此時經(jīng)過放大后產(chǎn)生的波形大小和距離分別為0.006V和10M，則靈敏度約為72.4dB。

2.2 .穩(wěn)定性測試

設(shè)備的穩(wěn)定性主要取決于設(shè)備持續(xù)采集波形的能力。本設(shè)計(jì)通過將超聲波局部放電快速巡檢設(shè)備持續(xù)開機(jī)1小時，給接收端注入恒定幅值 、頻率的正弦波信號，從設(shè)備剛開機(jī)開始，每隔半小時記錄檢測信號幅值。測試設(shè)備在連續(xù)工作狀態(tài)下，檢測信號的變化情況，確保超聲波局部放電檢測設(shè)備在連續(xù)工作1小時后其檢測峰值變化小于20% 。給接收端輸入一個幅度10mV，頻率為40KHz的正弦波。測試結(jié)果如下表1所示，基本符合穩(wěn)定性的要求其變化范圍小于20%。

表1穩(wěn)定性測試結(jié)果

3 模擬局部放電測試

本文使用電火花發(fā)生器模擬電氣設(shè)備放電。在放到最大的情況下，即假設(shè)此時給AD605的信號大小為1V， 放大系數(shù)為15dB時 ，將電火花點(diǎn)火器按一定頻率進(jìn)行放電 ，改變測試儀與點(diǎn)火器之間的距離，來測試該局部放電巡檢儀器的性能，并用耳機(jī)監(jiān)聽聽到的信號。測試結(jié)果如下表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，超聲波信號隨著檢測儀與設(shè)備之間距離的增加而減小，而且與距離的關(guān)系呈非線性。由于燃?xì)恻c(diǎn)火器局部放電能量相對于配電網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備產(chǎn)生的局部放電能量偏低，因此實(shí)際的檢測距離還能更遠(yuǎn)。

表2模擬局部放電試驗(yàn)

4 結(jié)語

本文最后對實(shí)現(xiàn)的采集設(shè)備進(jìn)行了增益、靈敏度和穩(wěn)定性方面的測試，通過模擬局部放電來測試采集設(shè)備的檢測效果。電路測試和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于超聲波的局部放電檢測設(shè)備可以用于高壓線路中的局部放電檢測，具有較好的實(shí)用性和推廣價值。