变电站10kV开关柜绝缘子剩余电流在线监测系统的设计

孔令强+惠勇锋+马琰

摘 要：本文通过对10kV开关柜绝缘子剩余电流在线监控系统进行设计，实现了在线监测10kV开关柜中存在的六路绝缘子剩余电流的目标，同时该系统重新增加了警示功能，通过对设计内容进行研究可以发现，该系统在对绝缘子的剩余电流进行监测时，可以在超过阈值范围时做出警示，并且传感器的安装过程较为简易，不会阻碍绝缘子及开关柜功能的发挥，同时也能达到安全距离的实际标准。因此对变电站10kV开关柜绝缘子剩余电流在线监测系统是设计进行研究是极其必要的。

关键词：变电站10kV开关柜；绝缘子；剩余电流；在线监控系统

绝缘子在开关柜中起着承载、固定截流母线的作用，同时它还是截流母线相互之间能够对地绝缘的组成部件，所以绝缘子由于强大的技术优势，而被大范围的应用于变电站的配电装置中，故绝缘子是否处于安全运行环境下，可以直接对影响电力系统的运行状态。通常情况下造成开关柜绝缘子故障的关键原因为：开关柜内环境潮湿，造成绝缘子老化变形、绝缘体受损及其表面清洁程度低等，但是综合来看绝缘子存在的问题都是通过剩余电流表现出来的。

1 系统硬件设计

1.1 剩余电流传感器

剩余电流传感器的运行原理根据实际需求的不同，也存在一定的差异性，而本文在不考虑其他因素的前提下，只对电磁耦合工作原理进行研究，并且其结构组成形式是基于单匝穿心式为主。传感器的内部结构中最为关键的部件就是铁芯及线圈，而铁心则可以选择用导磁作用强的坡莫合金材料，线圈的侧边二次功能区还需要用漆包线对其缠绕，环绕圈数为20圈，其中的一次侧边及二次功能区域都需要做出分离处理，并以磁感应为基础，实现二者的耦合，将比例调整为以对应二十，除此之外，传感器的线性度范围也要做出控制，并使其保持在最佳范围内。

1.2 剩余电流信号放大电路

当电流传感器二次线圈传出剩余电流信号时，需要通过屏蔽电缆将绝缘信号反射到调理板上，将精准度控制在0.1%，而阻值为10Ω精密电阻也就转变成为电压信号了，所以电阻所显示的也就是信号，因此为了使传递的信号都能维持统一性，这就需要适当的增加运放芯片，这种芯片能够将电路放大，并且等级的不同，放大功效也就大不相同。本文中所涉及的是一级运放芯片，它不仅可以将原始信号进行比较大的放大，还能够将电流偏移问题控制在最小范围内。一般情况下，几乎所有的传感器都存在温漂及时漂，这是由于湿度传感器在运行过程中，都需要与空气中的水汽相互接触，所以不能密封，雖然使用寿命是有限的，但是运行期间却能够充分保证稳定性及安全性。

在进行设计过程中，如果将放大倍数进行设置以后，就需要确认R值，当剩余电流信号过于微弱时，就可以运用设备再将倍数进行放大，这就需要结合实际需求增加倍数。在完成两级电路放大以后，屏蔽电缆输出的剩余电流信号就会呈现出总体加倍现象，而剩余电流信号的放大电路图如图1所示。

1.3 剩余电流信号滤波电路

当剩余电流信号被二次放大后，环境高频噪声干扰问题就会随之发生，并存在于剩余电流信号中，这将会对信号的处理造成极为严重的影响，因此为了提高信号处理效率，就需要对噪声进行过滤清除，在此过程中可以应用低通滤波设备将放大信号进行处理及控制。滤波器通常由两级滤波电路共同组合而成，对芯片的选用也是具有一定规格要求的，而四阶滤波电路的实际功效及运行频率也存在一定界限范围。

1.4 多路选择及隔离电路的设计

在线监测系统信号调理部分的结构包括由六个调理电路，这六部分绝缘筒的剩余电流信号在传输过程中可以进行电压转换、电路放大及噪声滤波，各路信号都就有控制自身线路的功能，可以自行开关，而后剩余电流信号就可以达到隔离运算放大器，最后需要从放大器出发进入中央处理器再次进行处理。多路选择开关器的选择最为关键的就是要保证开关的灵敏度及高速模拟运转，内设芯片则要作为信号的控制引脚。其中可以选取增益值为1的隔离运算放大器对数字地及模拟地进行阻隔，从而达到维护单片机处理系统正常运行的作用。

2 系统软件设计

提取6路触头盒剩余电流的传感器，其输出信号经过绝缘信号调理板调理后，由多路选择器选通输出1路进入XC878单片机进行采样，因此，通过单片机对多路选择器地址控制，可以使6路绝缘信号共享1路AD输入通道。程序设计中，单片机轮流对6路绝缘信号进行采样，每采完1路存储完成后再进行下一路采样并存储，直到6路采样数据存储完成再进行各路数据的计算，如有绝缘故障或异常，则报警。剩余电流信号的处理程序流程图如图2。

3 剩余传感器的安装

绝缘子的主要组成成分为环氧绝缘件，其表面的剩余电流信号为1～100μA交流信号，为了捕获该信号，本文采用接触式引流环结构。引流环捕获的剩余电流信号通过电流传感器线圈的隔离、同轴电缆传输以及信号调理电路后，通过系统的主控板，实现对绝缘子表面绝缘性能的在线监测。此处采用高性能的进口导电胶涂制成引流环来收集触头盒表面剩余电流，导电胶的主要成分为环氧树脂和银粉。

为了均匀的涂抹导电胶，绝缘子表面凿出2mm（深）×3mm（宽）的凹槽用于涂抹引流环。此外，固定螺钉能够保证单芯屏蔽线与引流环的充分电接触。铁芯和线圈通过强绝缘性能的硅凝胶密封于传感器屏蔽壳之中，以防传感器振动，传感器外壳采用铁磁材料，具有一定的电磁抗干扰特性。剩余电流传感器前端通过单芯屏蔽线与引流环中的螺孔固定连接，后端通过双芯屏蔽线与绝缘信号调理板连接，以增强信号的抗干扰强度。为了节省空间，6个剩余电流传感器安装于开关柜的仪表板后面。

4 整体试验调试

为了便于单片机的精确运算，还需要得到6路剩余电流测量电路的最终拟合函数。在完成了剩余电流传感器线性度及调理电路放大倍数试验调试后，还需挑选线性度较好的6个传感器与6路信号调理电路进行固定匹配，如1号传感器与第1路调理电路连接。在匹配完成后，使调试电压Ui从0～7V之间逐渐升高，记录电压Uo的值并按照图10的方法绘制输入输出曲线，利用MATLAB即可拟合出6路剩余电流测量电路的最终函数。单片机通过测量得到的电压Uo值，通过该路的拟合函数即可反运算出前端的剩余电流。

参考文献

[1]谷斐.基于CAN总线的煤矿地面10kV开关柜在线监测研究[D].河南理工大学，2015.

[2]申成兵.高压开关柜局部放电在线监测系统的研究[D].江苏科技大学，2013.