摘 要

电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是一种常见的气体放电形式。在现有的变电站局部放电检测装置中，国外的装置价格高昂，经济成本高，而国内虽然已有一些巡检机器人投入使用，但是缺乏对电力设备或者输电线路的紫外探测功能。因此，本论文主要研究的是能够方便巡检机器人携带的紫外探测装置的硬件电路设计，该装置具有灵敏度高、抗干扰能力强和响应时间快等优点。

在设计硬件电路之前首先需要了解紫外探测的原理，了解气体放电理论和紫外光的特征。在紫外光检测部分，最重要的是传感器的选择和驱动电路的设计。通过MATLAB对驱动电路仿真得到波形可以确定传感器的选择是否合适以及驱动电路是否合理。

硬件电路的核心部分是数据采集和信号处理。按照要求，本论文选择的是STM32F103系列芯片，并在此基础上进行硬件电路的设计。除此之外，还需要设计电源模块和温湿度模块，电源模块主要需要考虑各模块工作电压以及紫外传感器的工作电压。另外还有液晶显示模块，以上就构成了一个完整的紫外探测装置的硬件电路。

关键词：电晕放电；紫外探测；MATLAB仿真；硬件设计

Abstract

Corona discharge is a common form of gas discharge, which is a self-sustainable partial discharge developed by gas medium in non-uniform electric fields. The existing current detection devices of partial discharge in foreign countries are very expensive, which is a heavy financial burden. Although in China, some inspection robots have been put into use, they don’t have the function of UV detection of electrical equipment unit and transmission line. Therefore, the main research of this paper is the hardware circuit design of an UV detection device which can be carried easily by inspection robots. This device will have advantages of high sensitivity, strong anti-interference ability and fast response time.

Before designing the hardware circuit, the principle of UV detection should be understood, as long as the gas discharge theory and the characteristics of UV light. In the UV detection part, the most important thing is the selection of sensors and the design of drive circuit. Through the waveform of the drive circuit simulated by MATLAB, the sensor and the drive circuit can be judged whether they are suitable and reasonable.

The core part of the hardware circuit is data acquisition and signal processing. According to the requirements, this paper selects the STM32F103 chip, and on this basis the hardware circuit will be designed. Besides, the power module and the temperature and humidity module are also needed to be designed. The design of power module has to consider the operating voltage of all modules and the UV sensor. In addition, there are LCD modules. Above all, a UV detection device hardware circuit has been completed.

Key Words: corona discharge；UV detection；MATLAB simulation；hardware design

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题的背景和意义 1

1.2变电站绝缘损坏原因及预防措施 2

1.3局部放电检测技术研究现状 3

1.4紫外检测技术研究现状 4

1.5本课题主要任务 6

第2章 紫外光检测绝缘破损原理 8

2.1气体放电理论 8

2.1.1气体放电 8

2.1.2气体放电过程的一般描述 8

2.1.3气体击穿理论 9

2.1.4电晕放电特性 10

2.2紫外光检测原理和方法 11

2.2.1紫外辐射特性 11

2.2.2空气对紫外光的衰减作用 13

2.2.3紫外放电检测方法 14

2.3 本章小结 14

第3章 紫外传感器的选取和驱动电路设计 15

3.1紫外传感器的工作原理 15

3.2紫外传感器选取 16

3.3驱动电路的设计 17

3.4 本章小结 18

第4章 驱动电路的参数优化和MATLAB仿真 19

4.1驱动电路参数优化 19

4.1.1驱动电压的选择 19

4.1.2 RC回路的选择 19

4.2驱动电路的MATLAB仿真 20

4.3 本章小结 22

第5章 便携式弧光探测装置硬件电路设计 23

5.1弧光探测装置硬件电路组成 23

5.2 STM32F103简介 23

5.3 硬件电路设计 25

5.3.1传感器检测模块 25

5.3.2电源和高压供电模块设计 25

5.3.3 温湿度模块 26

5.3.4 信号处理器 27

5.3.5 数据采集卡 29

5.3.6 数据采集器硬件电路 31

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

本章介绍了当前我国电力系统发展的现状，在各种电力故障（尤其是变电站绝缘损坏）下对电力工作者和设备研发者提出的要求，同时论述了目前关于高压设备放电检测的中外研究成果。通过对各种检测技术的优缺点分析，选出适合本课题的检测技术，并大致介绍便携式弧光探测装置的硬件结构和本课题需要完成的相关任务。

1.1选题的背景和意义

随着我国电力系统的逐步发展和电压水平的逐步提高，工业和农业中产生了越来越多的污染物，以及环境破坏导致的极端天气等原因，电力线路和电力设备的绝缘恶化水平愈发严重^[1]。根据相关数据，在所有电力系统的发生事故中，绝缘事故已经位于第二位，而占第一位的是雷电事故。其主要原因是，在周围很大范围内设备的绝缘恶化程度大致是相同的，当发生绝缘事故时跳闸后绝缘难以自恢复，导致事故进一步扩大和恶化，同时在强电场作用下电气设备中的一些绝缘较差的部位会发生局部放电。当局部放电强度大于气体电离强度时，就会发生电晕放电。电晕放电是比较常见的气体放电形式之一，在放电时会产生很强的电磁波，进而会影响到无线电和高频通信^[2]。

为了减少相应的电力故障，让系统在安全稳定的状态下工作，从两方面入手：一是提高设备的绝缘性能，即使相关的绝缘材料能够达到绝缘要求；二是通过在线实时监测设备由于绝缘缺陷而发出的相关特征量，以及时了解设备的绝缘情况。由于前者主要是对电力设备的质量进行严格把关，所以，本项目的研究主要是在后者。