基于超声波定位的高压设备局部放电检测设备

基于超声波定位的高压设备局部放电检测设备

冯浩瑛 梁国浩 莫文诚 占微

重庆交通大学

摘要：是高压电气设备经常会遇到的问题，是电力设备绝缘在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电，每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，使绝缘强度下降。造成高压电力设备绝缘损坏，甚至会造成人员安全隐患。目前主流的局部放电检测技术有超高频检测法与超声波检测法，但是超高频检测法不能对故障发生点进行精准定位，不能满足检测要求，故我们利用超声波进行测距定位，设计一款能够精准定位故障点，并且能够进行故障点

显示和警报提醒的局部放电检测设备。

关键词 高压设备漏电；超声波定位；STM32

1.1 超声波模块选择

方案：HC-SR04超声波传感器

原理：发射一个超声波脉冲，听取该脉冲的回声。通过计算声波被发射和接收的时间差，计算出距离。

因为HC40C16TR-1传感器更符合设计要求，精度更高，所以选择此方案。

1.2 超声波定位选择

方案：基于时间差（TDOA）的超声波定位。

大多数超声波定位都是基于到达时间差的方法。声波以一定速度在空气中传播，到达设置的不同位置，传感器的相位不同，可以求得同一超声波到每对传感器的时间差值。得到该时间差后，可以确定这个超声波处于以这对传感器所处位置为焦点，到达时间差所对应的超声波传输距离在参数的双曲面上。

1.3 超声波追踪选择

方案：伺服模拟舵机控制。

模拟舵机的控制信号为周期是20ms 的脉宽调制（PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0—180度。给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上。控制电路板接受来自信号线相应的PWM控制信号，进而控制电机转动。

2 系统理论分析与计算

2.1 超声波原理的分析

2.1.1 时延估计

系统使用广义互相关时延估计方法，假设没有混响且噪声较小，当超声波离传感器较近时，声波波阵面为球面波，第个传感器接收到的信号为

式中为幅度衰减因子，为超声波信号，为超声波信号到达第i个传感器的时延。第个传感器 和第 个传感器的互相关函数为

式中，表示超声波信号到达第个和第个传感器的时间差。作傅立叶变换，得到第个传感器和第个传感器的互功率谱

式加权后作傅立叶反变换，得到广义互相关函数

本文采用PHAT加权函数，加权可以使互相关函数的最高峰 更加突出。根据自相关函数的性质 取最大值，因此找到互相关函数的峰值所对应的时刻，就找到了时延。

2.2.2  超声波定位

图1 传感器一维阵列

如图 1 所示。令传感器B与A、传感器B与C接收信号的时延分别为和则满足

在三角形 SAB和三角形SBC中利用余弦定理，整理后得到超声波位置的估计公式如下。

2.2 系统硬件的设计

2.2.1  超声波阵列

传感器之间的参数差异一般在于灵敏度与信噪比，前者表现在输入，后者表现在输出。系统使用自己搭建的传感器阵列，该传感器接收范围广，但是信噪比和灵敏度不高，自己搭建的传感器阵列可以解决灵敏度不高的情况非常适用于空间内超声波定位。传感器间距要满足空间采样定理，系统使用三个传感器组成的均匀直线阵，传感器间距为25cm。

2.2.2  信号调理单元

本次接收电路的信号是超声波信号，但是由于超声波是机械波，其传播需要介质的支持，而空气属于稀薄的气态介质，其密度和压缩模数相对较小，很难提供足够的支持，因而超声波在空气中传播的能量非常有限，系统设计了两级放大电路对传感器接收信号进行调理。本次电路放大采用的运放芯片为TL074，组成两级放大电路，采用的时反相放大。

2.2.3  信号采集单元

系统在保证系统定位精度的前提下，尽可能降低成本和简化电路，通过单片机完成信号的模数转换和超声波定位。系统主控单元采用STM32F1系列单片机，最高时钟频率可达180MHz，内置的ADC有着12bits的AD转换精度，足以满足系统的设计要求。

2.2.4  超声波跟踪单元

模拟舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0—180度，呈线性变化。控制电路板接受来自信号线相应的PWM控制信号，进而控制电机转动。

2.3系统软件的设计

2.3.1  非同步采样补偿

系统使用STM32自带ADC的三个通道进行采样，并通过配置DMA实现数据的快速传输。理想情况下3个通道同时进行采样，但实际采样的方式如图2所示，即：先转换CH0；转换完后开始转换CH1；转换完后开始转换CH2，随后开始重复这三个状态，采完指定的点数后停止。

3 系统方案总结

3总结

综上所述，在本设计中，我对超声波定位算法进行了全面、深入的研究和分析，并提出了一种有效的基于到达时间差的定位方法和广义互相关时延计算法。这些成果不仅具有较高的理论价值，同时也为实际应用提供了可靠的技术支持。

参 考 文 献

[1]国网技术学院．开关柜暂态地电压与超声波局部放电检测[M]．北京：中国电力出版社，2015．

[2]刘新宇，王衡．一起应用超声法检测高压开关柜局部放电的案例分析[J]．新疆电力技术，2011，（03）：768-769．