一种新型的开关柜局放在线监测系统研究

2018-12-21孙奇珍党卫军

机电信息 2018年36期

韩捷孙奇珍党卫军

（广州供电局有限公司黄埔供电局，广东广州510700）

0 引言

目前已经广泛应用于电力系统中的10 kV、35 kV高压开关柜成套设备，是电力系统中非常重要的电气设备，它的可靠运行直接关系到电力系统供电的电能质量及可靠性。开关柜在长期运行过程中，绝缘会出现老化或劣化，进而引发局部放电现象，而对开关柜进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷。

配电网开关房由于数量较多、分布较广，其运行环境及运行数据处于无监控状态，主要存在以下问题：

（1）配电网开关房数量众多，地理位置分散，在目前运维人力、物力有限的情况下，巡检周期长，存在巡检盲区、监控缺失等问题；

（2）仅依靠人工定期巡检的传统模式，运维效率较低，无法形成有效的过程数据记录和过程分析。

基于以上存在的问题，研制了一套开关柜局放智能实时监控系统，该系统以网络化和IP单元化为框架，可通过PC机、智能手机或者其他可连入Internet网络的智能设备，对整个站点的开关柜局放进行在线监测，并对局放量超标的开关柜进行实时报警。运用这套系统，从长远上可以减轻工作负担、提高工作效率、增加工作效益，这对于提高电网运行水平，促进检修模式的转变以及状态检修的完善具有重要意义。

1 目前开关柜局放测量方法分析

现有开关柜设备局部放电监测方法有脉冲电流法、特高频法、暂态地电压法、超声波法等多种方法，这些测量方法各有优缺点。

（1）脉冲电流法具有分辨率高、抗干扰能力差，很难进行现场在线监测的特点；

（2）特高频法（UHF）具有较强的抗干扰性及较高的灵敏度，但无法对测量数据进行量化分析，只能进行趋势判断，另外特高频传感器主要采用内置安装的方法，现场使用不方便；

（3）暂态地电压法（TEV）能够实现良好的检测灵敏度及局放定位，但受制于设备精度，分辨率不高，另外暂态地电压法对脉冲的变化速度比较敏感，比较适合介质内部放电；

（4）超声波检测法（AE）基本不受电气上的干扰，且多个超声波探头可以实现局放电源定位，但由于开关柜内部绝缘结构复杂，加上超声波的衰减和折反射，使得有些绝缘内部的局部放电可能无法被检测到。

本系统根据以上测量方法的优缺点进行了相关测量方法的整合，建立了一套开关柜局放智能实时监控系统。

2 系统结构设计

本套开关柜局放综合在线监测系统由监测前端、客户终端、站内服务器三者融合构成。本系统分为两种测量模式：在线监测模式和带电监测模式。在线监测模式是本系统的主要运行模式，由监测前端、客户终端、服务器三者利用广域无线网（联通3G网络和Internet网络）形成在线监测网络架构；带电监测模式类似于目前的带电巡检系统，用户只要用具有3G通信功能的移动设备，就可以直接与监测前端通信，直接获取测量数据。

智能监测前端由开关柜局放监测汇控柜（以下简称“前端汇控柜”）和多个监测单元构成，前端汇控柜内置了无线局域网（WiFi）模块和广域无线网（联通3G）模块，还预留了有线网络端口；各前端监测单元基于功耗及体积考虑只内置了无线局域网（WiFi）模块；站内服务器内部集成了广域无线网（联通3G）模块和通用无线网卡（连入Internet网络）。

当处于在线监测模式时，前端汇控柜通过WiFi无线网络读取一个或多个前端监测单元的数据；站内服务器通过3G无线网络读取一个或多个前端汇控柜的数据；客户终端使用PC、手机、PAD等设备可以通过Internet网络登录站内服务器获取相关数据。当处于带电监测模式时，客户终端使用PC、手机、PAD等设备的3G功能读取前端汇控柜的相关数据。

开关柜局放综合监测系统通信示意图如图1所示。

图1 开关柜局放综合监测系统通信示意图

3 系统前端设计

智能监测前端由前端汇控柜及IP化的前端监测单元构成，局放监测汇控柜通过无线局域网（WiFi）与一个或多个前端监测单元通信。根据局放测量模式的不同，前端监测单元可分为AE局放监测单元、UHF局放监测单元、TEV局放监测单元及HF局放监测单元等。每一个监测单元内部都含有特定的传感器和监测电路，目前最常用的监测单元是AE局放监测单元、UHF局放监测单元及TEV局放监测单元，监测单元后续可以扩展。

监测单元采用了把传感器和信号调理电路整合在一起的模式，同时在设计时考虑了开关柜及GIS设备的外形及尺寸，使得监测单元能够轻松地绑附或吸附在被检设备上长期独立工作。由于现有的监测单元通常具有多个传感器通道，往往使得监测单元体积过大、重量过重。而本系统中的监测单元通常内含一个传感器，另外通过提高电路集成度、降低运行功耗，大大缩小了监测单元的体积和重量。监测单元有锂电供电和外部电源供电两种方式，以便适应不同的工作环境。另外，配置的锂电池根据监测单元内部的结构独立设计，以便增加锂电池容量，提高系统独立工作的持续性。测试示意图如图2所示。

图2 GIS测试示意图

监测单元底座，采用可拆卸的方式设计，可拆卸的底座材料采用强磁材料制作，不同的试品采用不同的底座，以便监测单元能牢牢地吸附在被试品上。

监测单元调试完成后，在监测单元内部灌封环氧胶，以加强监测单元牢固性。

外形结构图如图3所示。

图3 监测单元底座结构图

由于局放传感器接收到的都是极微弱的信号，因此监测单元采用双屏蔽设计。一般情况下，在线监测干扰因素主要来自于外界电磁场，因此屏蔽结构设计主要应针对电场和磁场干扰来考虑。电磁场屏蔽的效果与材料、厚度、电磁波频率及干扰源离屏蔽体的距离等有关。对电场干扰的屏蔽，通常采用高电导率、低磁导率的铜材或者铝材作为屏蔽材料，对磁场的屏蔽要选用不易磁饱和的材料，如硅钢、不锈铁等，因此在监测单元内对传感器及信号调理电路包裹了2 mm厚的铝材和不锈铁来分别屏蔽电场和磁场干扰。

监测单元横截面图如图4所示。

图4 监测单元横截面图

3.1 AE局放监测单元

超声波（AE）局放监测单元能接收局部放电所产生的超声波信号，采集到的超声波信号可通过一系列的电路实现对信号的放大、滤波和A/D转换，最后经由DSP数字信号处理器进行傅里叶计算，得出所需的局放量。整个监测单元包括超声波传感器、低通滤波放大器、高通滤波放大器、A/D采集模块、DSP信号处理模块、WiFi模块及锂电充放电系统等。

系统结构图如图5所示。

图5 AE局放监测单元系统结构图

3.2 UHF局放监测单元

UHF局放监测单元主要包括超高频天线传感器、滤波放大单元、检波电路、高速采集单元和无线WiFi单元等。超高频传感器接收高压开关柜局部放电产生的超高频信号，并将其转换成微弱的电压信号，然后送至超高频放大电路，放大电路将微电压信号进行低噪声放大，并将放大后的信号送入超高频滤波电路和检波电路。监测单元中的检波电路为包络检波，利用检波电路可以从高频载波信号中取出低频的调制信号，滤除信号的超高频分量，仅保留信号的包络峰值和峰值对应的相位，后续电路只需要提取信号的包络进行处理，大大减少了数据储存深度和处理难度。经检波电路等处理得到的信号送入DSP单元中进行相关计算。

系统结构图如图6所示。

图6 UHF局放监测单元系统结构图

3.3 TEV局放监测单元

TEV局放监测单元主要包括电容耦合传感器、放大电路、积分及滤波电路、A/D转换电路、DSP高速采集模块和无线WiFi模块。在实际运行中，电容耦合传感器接收高压开关柜局部放电产生的暂态地电位信号，由于采集到的TEV信号非常短，且非常微弱，因此需要先将此信号经过放大、积分及滤波处理，然后将此信号送入高速A/D转换电路由DSP高速采样系统进行采样。最终结果由无线通信模块发送给开关柜局放监测汇控室。

TEV局放监测单元内部结构图如图7所示。

图7 TEV局放监测单元系统结构图

3.4 开关柜局放监测汇控柜

开关柜局放监测汇控柜，内置ARM9工控机，可以通过无线局域网（WiFi）与多达254个局放监测单元通信，通过获取不同频段的局放量可以综合分析开关柜的放电状况，一旦放电量超标，就会触发报警信号。同时ARM9工控机配备7寸显示彩屏，通过触摸操作可以任意查看与汇控柜关联的监测单元的局放图形。汇控柜内置3G通信模块，可以与站内服务器和客户端通信，站内服务器和客户端都可以通过移动3G网络获取汇控柜内的局放数据，甚至调出某一个或多个监测单元的图形。

开关柜局放监测汇控柜内部结构图如图8所示。