基于超声波的高压线局部放电检测系统的设计

2021-07-27刘宁郑亚平张晨

河北农机 2021年7期

刘宁郑亚平张晨

1、盐城工业职业技术学院2、中国电信股份有限公司常熟分公司

关键字：高压线路；局部放电；超声波法；STM32 ；RS485

引言

随着城市化的不断推进，人们生活对电力需求急剧增加，架设架空配电线路的数量也越来越多，这些架空配电线路运行的安全性直接关系着整个城市供电系统的可靠性。然而，由于高电压、高电场等内在因素或者设备制造缺陷、潮湿环境等外部因素的作用，配电线路中设备绝缘薄弱的地方容易产生局部放电，导致设备损坏，存在影响运行安全的潜在危险。另一方面，架空线路设备数量大、网络复杂、故障率较高，以常规的人工巡检方式完成如此繁重的配电网络检测任务显得力不从心。近年来声电换能器效率的提高和运算放大器技术的发展，使得超声波检测法的灵敏度有了很大的提升，特别是在大容量电容器的局部放电检测方面，其灵敏度甚至高于电脉冲法。因此，针对输配电线路巡检的实际应用需求，本文设计了一种基于超声波的高压线路局部放电检测设备，以实现对架空线路设备的快速巡检和定位故障。

1 系统设计

如图1所示，高压线局部放电产生超声波，采集设备采集到超声波后通过485通信将信号传输给主机，由主机对信号进行处理显示后将数据保存到SD卡中，将存于SD卡中的数据存到PC中，以便后续工作。

图1系统设计

1.1 硬件系统设计

基于超声波的局部放电检测设备如图2所示，主要由下面五个部分组成：接收电路、变频电路、采集电路、巡检主机电路和电源电路。接收电路包括前端接收电路、预处理电路和增益可调放大电路；变频电路包括载波电路、滤波电路和混频电路；采集电路包含了超声波采集电路，有效值转换电路、音频播放电路和温湿度采集电路；巡检主机电路包含了485电路、屏幕和SD卡电路；电源电路包含了设备启动和稳压电路。在本项目中超声波传感器接收信号经过去噪、放大、混频和滤波等步骤得到了人耳可听频率内的音频。然后将其分成三路，一路进行有效值转换(RMS)，一路进行信号采集，一路进行音频播放，其中采集信号和有效值通过485总线传输给主机。

图2超声波采集设备硬件设计

1.2 软件程序设计

软件系统与硬件设备相互关联，包括各子程序、采集的数据以及软件的说明文档。根据预先设计好的功能来进行执行命令、响应中断等操作。在本设计中，所用到的软件功能由多个独立的任务组成，每一个任务都只是完成其特定的工作，比如所检测数据、控制电压、进行485通信和音频存储等。通过CPU进行整体的调度，组成完整的设备功能。

2 系统测试

2.1 灵敏度测试

灵敏度主要是检测超声波检测设备能够检测的最小信号，是检测仪器的主要性能指标。本设计中采用超声波发射装置作为声源，其中传感器以T40-16作为发射探头。该装置通过MCU产生一个频率为40Khz的幅度为5V的正弦波信号。灵敏度测试公式如下式所示，其中v1为发射信号，v0为接收信号，L为两者之间的距离，D为灵敏度。

假设此时VGN为1V，AD605的增益大约为15dB，将设备逐渐远离超声波发射装置，测得此时经过放大后产生的波形大小和距离分别为0.006V和10M，则灵敏度约为72.4dB。

2.2 .稳定性测试

设备的稳定性主要取决于设备持续采集波形的能力。本设计通过将超声波局部放电快速巡检设备持续开机1小时，给接收端注入恒定幅值、频率的正弦波信号，从设备刚开机开始，每隔半小时记录检测信号幅值。测试设备在连续工作状态下，检测信号的变化情况，确保超声波局部放电检测设备在连续工作1小时后其检测峰值变化小于20% 。给接收端输入一个幅度10mV，频率为40KHz的正弦波。测试结果如下表1所示，基本符合稳定性的要求其变化范围小于20%。

表1稳定性测试结果

3 模拟局部放电测试

本文使用电火花发生器模拟电气设备放电。在放到最大的情况下，即假设此时给AD605的信号大小为1V，放大系数为15dB时，将电火花点火器按一定频率进行放电，改变测试仪与点火器之间的距离，来测试该局部放电巡检仪器的性能，并用耳机监听听到的信号。测试结果如下表2所示。由表中数据可知，超声波信号随着检测仪与设备之间距离的增加而减小，而且与距离的关系呈非线性。由于燃气点火器局部放电能量相对于配电网络中的设备产生的局部放电能量偏低，因此实际的检测距离还能更远。