基于STM32的高压电机局部放电监测系统设计
2022-04-25骆东松孙耀江
骆东松，孙耀江
（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）
0 引 言
改革开放以来，我国工业化进程取得巨大成就，建成了全球最为完整的工业体系，成为世界第一大工业国。而高压电机的出现，推动了工业化的进一步发展。其运行的可靠性对保证工业生产的安全、高效、优质和低能耗等具有重要意义。受生产环境的影响，高压电机往往会出现诸多故障，这些故障不但影响电机本身，对于生产系统也会产生影响，更会对电力系统的稳定性和安全性造成重大影响，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失，给社会带来极其恶劣的影响。此外，为满足生产需求，高压电机向着高电压、大容量方向发展，这对于高压电机的安全稳定运行提出了新的挑战，对于电机的制造技术也有了更高的要求。
在电机的生产制造过程中，电机绝缘技术是关键技术之一，而绝缘的寿命往往决定着电机的使用寿命，最为关键的便是定子绕组的绝缘。由于电机在生产时，受振动、温度等因素的影响，加速了定子绕组的磨损，使电机出现一系列故障。据相关统计，由定子绕组引起的故障占高压电机总故障量的64%，由日本和欧洲统计资料可见，定子绕组绝缘故障占电机故障数量的15%～25%。
由于制造技术的局限性，使得定子绕组存在薄弱环节，生产使用时，在强电场的干扰下，定子绕组的薄弱环节出现局部放电现象，加重了定子绕组绝缘的故障。若局放现象连续发生，将直接导致高压电机被击穿，存在极大的安全隐患。因此，通过对高压电机定子绕组局部放电进行检测，做好电机安全运行防护具有重要意义。
1 整体检测方案
目前国内外对于局部放电的检测主要有脉冲电流法、电容耦合法以及电磁耦合法。国外电机在使用时电机任意一相的局部放电电流需要经过中性点流入大地，因此在中性点安装超带宽高频脉冲电流传感器，即可获取局部放电信号。本文实验对象为10 kV三相异步电机，绝缘保护等级为F级，利用电流传感器测得中性点电流，经滤波电路、放大电路、A/D转换电路后，主控制器经串口或其他通信模块将数据上传至PC机，完成局部放电信号的监测。监测系统结构如图1所示。
图1 监测系统结构
电机：三相异步电机启动频率为5 Hz；
电流传感器：负责检测ABC三相中任意一相中性点接地的电流；
主控制器：负责系统硬件的数据处理，是监测系统的核心；
人机交互：显示监测的数据，便于巡检人员查看；
通信模块：将监测的数据经串口上传至PC机，便于数据入库与分析。
2 系统硬件部分
检测系统硬件设计的主控制器选用STM32F103，该控制器具有丰富的内部资源，32位基于ARM芯片带128 KB闪存，含有6个定时器、1个ADC、7个通信接口。由传感器采集的电流信号经放大滤波处理及A/D转换后，由STM32F103ZET6进行信息分析处理，其硬件框架如图2所示。
图2 STM32硬件框架
2.1 传感器选型及其工作原理
传感器的选择对于系统数据的采集有着关键性作用，一款精度高、线性度好、反应快、低温漂、宽频带、抗干扰能力强的传感器可为系统数据的准确性提供保障。本系统采用开合式MKI-HRI霍尔电流变送器，其拥有25 mm孔径，电流范围为0～200 A，24 V电源供电，其输出信号为4～20 mA直流信号，为监测系统的数据采集提供方便。电流变送器工作原理如图3所示。
图3 电流变送器原理
2.2 滤波电路
由于现场环境的影响，采集的局部放电信号受噪声信号干扰，使得检测结果的提取更加困难。为了使检测结果更加精准，需要对信号进行滤波处理，通过滤波器对噪声信号进行抑制，以有效提高信号采集精度。该系统采用二阶高通滤波器，滤波电路原理如图4所示。
图4 二阶高通滤波器原理
3 系统软件部分
3.1 软件设计流程
对霍尔电流变送器所采集的4～20 mA直流信号经主控制器自带ADC转换电路转换后，由MCU进行分析处理，将检测数据通过LCD屏幕显示。软件设计主要针对系统运行流程及数据处理。软件控制流程如图5所示。
图5 软件控制流程
3.2 上位机界面设计
系统上位机主要负责对采集的数据做数据入库和曲线分析，便于运行人员对电机进行局部放电监测，从而做出预判，合理启停电机，延长电机的使用寿命。系统数据监测界面如图6所示。
图6 系统局部放电监测界面
系统局部放电界面分为数据显示和脉冲响应曲线，当系统监测到局部放电信号时，数据可选择不同中性点监测，生成相应的脉冲曲线，入库按钮可以记录数据，便于数据分析。
4 系统仿真实验
为分析验证系统的稳定性和可靠性，现将局部放电信号以指数振荡衰减脉冲函数进行模拟，其表达式如下：
式中：v为第i个局部放电脉冲；A为脉冲峰值；t为脉冲峰值出现位置；f为局部放电信号的振荡频率，实验中取f=2.9 MHz；τ为时间常数，取 τ=0.2 μs。
分别对ABC三相中性点进行信号模拟，其中，仿真波形如图7、图8、图9所示。
图7 A相中性点接地
图8 B相中性点接地
图9 C相中性点接地
通过如上仿真波形可以看出，出现尖峰脉冲的位置可判定为电机出现了局部放电现象。
5 结 语
本文设计的高压电机绝缘监测系统采用STM32F103作为主控单元，以霍尔电流变送器作为局部放电信号采取装置，以Keil5作为下位机编程软件，编写信号采集程序，以VS2012作为上位机编程环境，通过vb.net构建监控界面。系统从信号采集到数据处理及入库做了完整的测试，具有一定的工程实用价值。
