基于STM32的配电网绝缘子泄漏电流在线检测装置

创新者：刘 勇 郭乃理 张俊杰 李兴贵

基于STM32的配电网绝缘子泄漏电流在线检测装置

创新者：刘 勇 郭乃理 张俊杰 李兴贵

配电网设备中，因绝缘子泄漏电流导致系统发生故障时有发生，为做好绝缘子泄漏电流事故的防护，并在事故发生后快速定位故障点，本文设计了一种基于STM32系列单片机为主芯片的配电网绝缘子泄漏电流在线检测装置，运用现代传感器技术采集泄漏电流，经信号处理模块后通过AD转换传入单片机，再由单片机传入上位机中进行显示、打印检测结果。并利用高压电阻箱对系统进行实验，实验结果显示本系统测试精确，误差在3％以内，完全满足配电网要求。

作为国民经济基础之一，电力行业取得了迅猛发展，配电网作为面向用户的末级电力网络，其安全可靠的运行对整个电力系统的稳定不言而喻，而因绝缘子泄漏电流超标而引起的跳闸率约为总跳闸率的60％，做好对配电网绝缘子泄漏电流的实时监督测试工作已尤为重要。

而在所有对绝缘子侧漏电流的实时监测工作中，能够准确、快速、有效的显示绝缘子泄漏电流瞬时值更是检测工作的重中之重。本文以STM32为主芯片，配合现代传感器技术，加入信号处理模块、高速信息采集模块、通信模块，通过主芯片传至上位机进行显示或打印，做到对绝缘子泄露电影的在线监测，系统中加入报警模块，当泄漏电流超过预定值时启动报警并能准确定位故障源。

系统整体设计

为提高测试精度和数据采集与处理速度，满足最新标准要求，本系统采用STM32F104系列单片机作为主芯片，测试系统由PC机、STM32芯片控制系统以及外围扩展功能电路、泄漏电流信号采集及处理电路等组成，系统总体框图如图1所示。

可以分为两个部分：信号处理电路和控制系统

信号处理电路：LED光纤电流传感器采集被测绝缘子泄漏电流，经过去噪滤波后进入放电电路，通过调整放大增益使输出信号在A/D采集范围之内。

STM32控制系统：利用STM32单片机的GPIO控制继电器进行泄漏电流的测试以及中断处理，利用STM32内部集成A/D进行数据采集，通过串口或USB把数据传输至PC机进行分析、处理和显示。实现泄漏电流的在线检测。

传感器设计

本文采用LED光纤电流传感器，光纤电流传感器利用外界信号（被测量：电压、电流、温度等）的扰动变化来改变光纤中光的强度，经过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。

如图2所示，在传感器探头中使用两个LED同极性串联分别交替测量泄漏电流的正、负半周波信号，在光电转换器内部含有两个硅光电二极管，分别检测传感器探头传递来的两路光信号，在转换器内进行光电转换。后端姐调制器，对信号进行滤波、放大等处理，最终将泄漏电流信号采集至系统内。

微弱信号处理

滤波电路

泄漏电流数值较小（安全区范围为≤50mA），小电流传感器获取的信号中不仅含有基波信号，而且还含有很多各次谐波成分，基波、三次、五次谐波占据绝大部分能量，而高频谐波占据能量很少，所以本系统采用二阶低通滤波电路。

如图3所示，滤波电路由两节RC滤波电路和同相比较放大电路组成，电压增益即为低通滤波电路的通带电压增益。

代入计算得公式1：

其中R为R15和R16的阻值，C为C10和C11的容值，

则有公式2：

由（1）式可得，当A0〈3，电路才可以稳定工作，否则电路将出现自激震荡，将s=jω代入（2）式可得幅频响应表达式为：

电平抬高电路

图1　系统整体框图

由于STM32F104系列单片机内部集成A/D采样范围为0～3.3V，因此可调节放大器的增益，是被采集的电压信号落到-1.5V～+1.5V范围之内，然后设计一个+1.5V的基准电压源将被采集信号进行电平抬高，这样就可以保证采样信号在0～3V的范围内，如图4所示。利用放大器虚短、虚断原理得：

图2　LED光纤电流传感器基本结构原理图

图3　二阶低通滤波电路

图4　电平抬高电路

图5　A/D采样及数据通信框图

此时被采集信号在0～3.3V输入范围之内，满足要求。

STM32数据采集模块

系统数据采集模块由STM32内部集成的ADC模块对外部被处理后的泄流电流进行模/数转换和采样，由STM32处理后通过USB或串口传入PC机进行后端分析、处理和显示。采样及数据通信如图5所示。

STM32拥有3个12位逐次逼近型的模拟数字转换器，这些ADC可独立使用，也可以使用双重模式，提高采样率。系统设置ADC时钟为14M，采样周期为1.5个ADC时钟，这样可得到1M的最大转换速率。

本系统在采样速度和精度上完全满足设计需求，通过软件采样通过软件进行采样，用串口或者USB读出采样值，软件流程如图6所示。

图6　数/模转换软件流程图

测试数据处理分析

泄漏电流测试系统实验方法：采用ZN17-GZX92型高压高阻箱（依据JJG622-97绝缘电阻表检定规程和JJG166-93直流电阻器检定规程等有关文件研制生产）作为被检测设备，通过改变电阻值来观察不同情况下的电流值，并与测试系统所测电流值进行比较，确定测试系统的结果准确性。

测试结果如表1所示。

表1　实验结果

结束语

本文设计一种基于STM32的配电网绝缘子泄漏电流在线检测装置，引进LED光纤传感器采集电流，分析了两级RC滤波电路的原理，并详细介绍了放大电路及电平抬高电路的实现，通过STM32以及软件控制整个装置的顺利运行，硬件部分满足泄漏电流测量要求，从而为配电网绝缘子泄漏电路检测提供一种方法和系统。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.028