凝露水浸监测报警系统的研究和应用

蒋威 方扬 童佳明 吴邦

摘 要：随着社会用电量的大幅增加，对电力系统供电可靠性的要求越来越高。本文分析了变电站户外设备箱出现凝露的原因，针对凝露出现可能会造成的危害，利用水浸检测线原理，设计了一款基于STM32微处理器的凝露水浸检测报警系统，能够准确及时检测到设备箱体内凝露进水现象，并实时进行数据传输及报警，有效地避免了设备箱因凝露进水造成的严重故障。

关键词：凝露;变电站;水浸检测线

变电站户外设备受环境条件影响很大，夏季的雷雨过后或秋冬季气温骤降导致设备内外温差过大，设备箱体内壁、顶部、端子排上往往会出现凝露现象，遇到暴雨或者防雨罩漏水，还可能在柜体底部形成积水，极易造成设备绝缘或锈蚀，严重时则可能引起直流接地或端子短路，造成保护误动或拒动[1-3]。因此如何及早发现电力设备内部的凝露或进水的情况，并及时地向运行检修人员报警以安排处理尤为关键。

有基于此，本文利用水浸检测线原理，设计了一款基于STM32微处理器的凝露水浸检测报警系统，能够准确及时检测到设备箱体内凝露进水现象，并实时进行数据传输及报警，有效地避免了设备箱因凝露进水造成的严重故障[4-6]。

1 设备箱凝露形成的原因

1.1 凝露形成的原理

凝露简单的说就是凝结的露珠，是空气中的水蒸气达到饱和度的程度时，在温度相对较低的物体上凝结成小水珠的一种现象;而当雨水或凝露顺着柜体流入柜中形成积水，这种现象称为水浸[7]。电力工程凝露多发于箱体内壁、顶部、端子排等部位，多发于夏季雷雨后或冬季气温骤降清晨;而水浸大多发生于大雨天气和梅雨季节。

1.2 凝露的危害

设备箱端子排上形成的凝露会对端子排上的金属导电部位造成腐蚀，腐蚀较重或混入灰尘等其他杂质后易造成直流接地，更严重的甚至造成端子排短路引起开关误动作，造成停电事故;在开关或刀闸上形成的凝露会腐蚀内部的金属部件，影响设备的使用寿命，严重时则会导致开关或刀闸在分合时设备不能运行到位，如果因此使得开关动静触头慢分慢合，则会酿成极大的电力事故。

2 系统设计要求

2.1 目标设定

结合实际需求，系统设计要满足以下目标：

1. 进水/凝露发生时，能够及时检测到;

2. 本地设备有指示标记;

3. 进水/凝露故障及时传递到后台服务并能及时通知运维人员;

4. 数据传输安全可靠;

5. 故障消除后通知到运维人员;

6. 后台数据可追溯并且能可视化展示;

7. 后台设备管理，权限管理合理可靠;

2.2 系统框架

变电站凝露水浸报警系统前端采用传感器检测进水、凝露;中央处理器负责采集传感器输入，传感器数据分析，连接数据传输单元;数据传输单元负责连接移动互联网，将数据传输到平台;平台负责设备管理，用户管理，权限管理，报警管理，数据存储与展示等功能。系统框架设计如图1所示。

3 系统技术方案

3.1 方案选择

進水凝露检测方案选择水浸检测传感器，该检测原理是利用水的导电性。当有水接触时，传感器的两根感应线便会短接，形成两个回路，从而发生电流的变化，控制器通过快速处理，可以确认出是否有水浸入，从而触发报警。该方案稳定可靠，抗干扰能力强。

由于DSP电路抑郁集成实现，但研发成本高，续航能力差;FPGA可编程电路研发成本低，但电源要求高且逻辑性较弱。因此中央处理器选择了结构简单、抗干扰能力强，功能强、处理速度较快的单片机电路。

数据传输方案选择市面上普遍成熟的4G通讯技术，该技术通信速度快，价格在可接受范围，数据传输可靠，实用性高。

平台选择云服务平台，成本低，随时可用，稳定性高且服务丰富。

3.2 总体设计

3.2.1监测模块

系统对水浸线电流值进行实时采样，通过换算为阻抗值来判断是否发生凝露或进水，当判断为故障时本地指示灯提示，并通过4G模块连接到服务器，同时能将设备进水、凝露、温度、湿度等数据发送到云服务平台。系统检测模块电路原理图如图3所示。

检测模块包括水浸监测、凝露监测以及温湿度监测三部分。水浸监测部分如图3（a）所示，将可变电容C_HUMIDITY_1作为水浸传感器，当变电站设备箱体没有进水时，可变电容C_HUMIDITY_1的电介质为空气，当箱体内部有进水时，可变电容C_HUMIDITY_1的两极之间的电介质由于进水情况而发生改变，导致电容发生变化。将可变电容C_HUMIDITY_1和电阻R165并联作为一个可变阻抗，WATER_AD_IN_1端口测量可变阻抗与电阻R174串联处的分电压值，该分电压值作为采集信息传送给控制芯片U1处理，进而通知工作人员设备箱体的水浸情况。

凝露监测电路如图3（b）所示，分为两个电路结构相同的模块，采用电容式传感器进行进水和凝露的监测，电容式传感器具有稳定可靠、抗干扰能力强以及灵敏度高的特点，符合变电站设备箱体进水凝露监测报警装置的需求。

多个凝露监测电路的设计可以提高凝露监测的可靠性，不仅可以在其中一个凝露监测电路出现故障时能够及时使用另外备用的凝露监测电路继续监测，同时也可以两个凝露监测电路，取两者监测结果的平均值来提高监测准确性。通过水浸监测电路和凝露监测电路，实现既能够监测到箱体内部进水情况，又能监测到箱体表面凝露情况，使变电站箱体的监测更加全面，进一步提高了变电站设备的运行稳定性。

温湿度监测电路，用于对变电站设备的温湿度环境进行监测，如图3（c）所示， 温湿度传感器芯片U8采集温湿度信息，并通过芯片内部的模数转换器将温湿度信息的模拟信号转换为数字信号，并通过SDA引脚发送给控制芯片U1进行处理，通过SCL引脚实现温湿度传感器芯片U8和控制芯片U1之间的通讯同步。

通过温湿度传感器采集数据，并通过控制模块对采集到的数据进行算法处理，得到变电站设备所处环境的温度与湿度值，并于工作人员及时了解变电站设备的工作情况，对进水凝露的监测起到辅助作用。

3.2.2控制模块

控制模块电路如图4所示，

控制模块包括：控制芯片U1的OSC_IN/PD0引脚经电容C11接地，控制芯片U1的OSC_OUT/PD1引脚经电容C12接地，同时晶振Y1和电阻R9分别并联在OSC_IN/PD0引脚和OSC_OUT/PD1引脚之间;控制芯片U1的VSS_1引脚、VSS_2引脚、VSS_3引脚和VSSA引脚均接地，控制芯片U1的BOOT0引脚经电阻R2接地，控制芯片U1的VBAT引脚、VDD_1引脚、VDD_2引脚、VDD_3引脚、VDDA引脚均连接电源模块中的3.3V供电端，同时控制芯片U1的VBAT引脚与VDD_1引脚相连，控制芯片U1的NRST引脚经电阻R1连接电源模块中的3.3V供电端;控制芯片U1的VDDA引脚经电容C9接地，电容C9的两端还并联有电容C10，控制芯片U1的VDD_1引脚经电容C14接地，控制芯片U1的VDD_2引脚经电容C15接地，控制芯片U1的VDD_3引脚经电容C16接地，控制芯片U1的NRST引脚经电容C13接地。

通过8MHz的晶振Y1为控制芯片U1提供时钟信号，控制芯片U1接收来自监测模块的采集信息，并通过模数转换器的处理，得到反映进水和凝露监测结果的数字信号，根据处理结果控制报警模块。

3.2.3 通信模块

系统通信模块电路图如图5所示，包括串口通信电路和无线通信电路，其中串口通信电路包括：RS485收发器U12的1引脚连接控制芯片U1的PA10引脚，RS485收发器U12的2引脚和3引脚相连，RS485收发器U12的3引脚连接控制芯片U1的PA11，RS485收发器U12的4引脚连接控制芯片U1的PA9引脚，RS485收发器U12的5引脚接地，RS485收发器U12的6引脚经电阻R301连接电源模块中的3.3V供电端，RS485收发器U12的7引脚经电阻R303接地，RS485收发器U12的6引脚和7引脚之间还并联有电阻R302，RS485收发器U12的8引脚连接电源模块中的3.3V供电端，还经电容C306接地。无线通信电路包括：4G模块U3的VCC引脚连接电源模块的直流5V供电端，4G模块U3的GND引脚接地，4G模块U3的485_A引脚连接RS485收发器U12的6引脚，4G模块U3的485_B引脚连接RS485收发器U12的7引脚，4G模块U3的OUT引脚连接TCP/IP接口。

通过RS485收发器U12和4G模块U3实现信息传输，并且相比其他数据传输技术，4G无线通信技术具有数据传输可靠、实时性高的特点，能够将变电站设备箱体的进水和凝露信息实时发送给工作人员，例如工作人员可通过手机短信提醒变电站设备箱体出现进水或凝露情况。

3.2.4 报警模块

系统报警模块电路图如图6所示。

通过LED接口控制LED灯，当出现进水和凝露情况是开启LED指示灯报警，具体包括：LED接口的GND引脚接地，LED接口的KEY1引脚连接控制芯片U1的PA15/JTDI引脚，LED接口的DS1_CON引脚连接控制芯片U1的PC14-OSC32_IN引脚，LED接口的DS2_CON引脚连接控制芯片U1的PB7引脚，LED接口的DS3_CON引脚连接控制芯片U1的PB6引脚，LED接口的DS4_CON引脚连接控制芯片U1的PB5引脚，LED接口的DS5_CON引脚连接控制芯片U1的PB4/JNTRST引脚，LED接口的DS6_CON引脚连接控制芯片U1的PB3/JTDO引脚。

控制芯片U1根据对采集信息的处理结果，控制DS1_CON引脚、DS2_CON引脚、DS3_CON引脚、DS4_CON引脚、DS5_CON引脚和DS6_CON引脚的电平高低，进而控制不同的LED灯导通亮起，指示该区域的变电站设备箱体有进水或凝露情况，需要工作人员前往维护。

3.2.5 电源模块

系统电源模块电路图如图7所示。

电源模块包括交流转直流电路和稳压电路，分别为监测报警装置提供5V供电端和3，3V供电端，具体包括：交流转直流芯片VR1的VIN引脚连接交流220V电源，交流转直流芯片VR1的VOUT引脚引出直流5V供电端。稳压芯片VR2的Vin引脚连接直流5V供电端，稳压芯片VR2的Vout引脚连接3.3V供电端，稳压芯片VR2的Vin引脚接地，稳压芯片VR2的Vin引脚还经电解电容C91接地，稳压芯片VR2的Vout引脚还经电解电容C92接地。

通过交流转直流芯片VR1的VIN引脚接入220V交流电源，经交流转直流芯片VR1转换出5V直流电源，5V直流电源为通信模块130中的4G模块供电。再将5V直流电源经过稳压芯片VR2转换出3.3V直流电源，3.3V直流电源为控制芯片U1、温湿度传感器芯片U8以及通信模块130中的RS485收发器供电。

4 系统应用效果

杭州处在南方雨水充足地区，由于开关柜密封条老化以及年久失修，大量变电站的开关柜内存在一定的水浸和凝露的问题，其中以宁围变最为严重。频繁的现场视察消耗大量的人力以及物力，杭州供电公司急需凝露和水浸监控设备。本课题组在220千伏宁围变的开关柜内试点安装了凝露水浸报警机。

通过该装置工作人员只需通过云服务平台即可查看每个开关柜的历史数据和当前数据，即温度、湿度、是否进水、是否凝露等;当检测到故障时，系统还可对相关人员进行短信告知，不僅提升了缺陷处理的效率，增强了电网运行的可靠性，而且节约了大量的人力和物力成本。

图8-10为该凝露水浸报警机云平台上传的相关数据。其中图8为正常情况下开关柜内温湿度数据情况;图9为发生凝露情况下开关柜内温湿度数据情况（注：系统在02：50发出凝露报警，检修人员于05：10左右处理完毕，告警复归）;图10为发生进水情况下开关柜内温湿度数据情况（注：系统在18：30左右发出水浸报警，检修人员于19：40左右处理完毕，告警复归）。

由此可见，通过该装置可以充分减少运维检修人员到现场进行勘察的次数，极大地提升进水、凝露故障的处理效率，有效地避免发生因凝露进水造成的严重故障。通过装置上传的数据，仅对频繁发生凝露进水的箱体进行治理，避免无差别治理，极大节约了企业成本，提升了运维效益。

5 结语

箱体进水凝露检测系统投入使用后实现了由定期人工开箱检查到自动化7*24小时不间断实时监测的转变，保障了作业人员人身安全，极大地提高了工作效率。运行实践表明，箱体凝露进水检测系统能防患于未然，在凝露进水安全线之前就发出告警，提示故障处理，其提供的数据准确、及时且可靠，有效地避免发生因凝露进水造成的严重故障，箱体凝露进水检测系统的应用达到了预期目的。

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作者简介：

蒋威（1993），男，助理工程师，从事变电检修一次工作。