高压开关柜绝缘监测及防凝露调控系统设计

2021-06-10彭红霞李涛牛硕丰李永生刘相兴颜晓婷赵涛

电气自动化 2021年3期

彭红霞，李涛，牛硕丰，李永生，刘相兴，颜晓婷，赵涛

(1.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽 274000；2.华北电力大学，河北保定 071003)

0 引言

高压开关柜通常为金属封闭结构，在长期运行中存在绝缘劣化导致的绝缘缺陷[1-2]，较恶劣的运行环境条件是导致开关柜出现绝缘缺陷的主要原因。开关柜在运行过程中，因为内部散热和除湿能力不足，容易引起湿度超限和凝露现象，造成设备绝缘性能下降，引发设备绝缘放电[3-4]、对零部件腐蚀[5]103和接地故障[6]等。开关柜内部局部放电和凝露现象严重危害设备的正常运行，诱发绝缘故障直接影响配电网的供电可靠性。

目前开关柜局部放电检测的方法主要有超声法、暂态地电压法(TEV)和特高频法等[7]。由于开关柜结构紧凑且数量庞大，在现场局部放电的在线监测应用中还存在较多问题需要解决，如在线监测装置结构复杂但功能单一，现场安装和通信方式不合理，以及监测结果的可靠性不高等问题。

在开关柜防凝露方面，相关人员主要从凝露危害和防凝露措施方面进行了研究，对凝露的形成机理研究相对较少，难以明确给出不同环境下的凝露发生条件。现场防凝露措施主要采用经验阈值控制加热器调节开关柜内部温度来实现[5]103-105，功能单一且通常不具备通信和程控功能，导致在防凝露问题上的效果欠佳[8]。

针对上述问题，本文设计开发了一套开关柜绝缘状态在线监测及防凝露调控系统。系统综合局部放电联合监测技术、温湿度监测和调控技术实现对开关柜内部绝缘状态及温湿度情况的在线监测，并能够协调控制加热器、冷凝器和风机等多种环境调节设备，实现对开关柜运行环境温湿度的调控，预防凝露现象的发生。同时系统应用有利于提高开关柜设备的绝缘状态感知能力和自动化水平。

1 系统方案

系统总体设计方案如图1所示，系统由传感器、数据采集器和集中器三部分组成。传感器包括超声、TEV和温湿度传感器，实现开关柜局部放电和内部温湿度的在线监测。数据采集器主要完成各传感器信号的同步采集以及加热器、冷凝器和风机等装置开关状态的采集，并根据环境参量信息自动控制加热器、冷凝器和风机等装置，调节开关柜内部温湿度条件。数据采集器通过RS485有线或433M无线方式将开关柜状态特征参数传输至集中器。集中器完成与数据采集器的数据交换，并具有数据统计、显示、报警及数据上传功能。

图1 系统总体设计方案

2 系统开发

2.1 传感器

为提高局部放电检测的灵敏度和可靠性，本系统采用超声和TEV联合检测方式实现开关柜局部放电的诊断。超声传感器为空气传导式，中心频率40 kHz，灵敏度-68 dB。TEV传感器采用贴片式结构，传感器内上极板与开关柜外表面间距为2 mm，传感器等效电容为40 pF，TEV信号检测频率范围为3 MHz～100 MHz。

温湿度监测采用高精度SHT20温湿度传感器实现，通过RS485硬件接口接入数据采集器。

2.2 数据采集器

数据采集器基于Vivado开发，采用Cortex-A9型处理器和16位高速AD9265模块，设计实现1路TEV传感器信号和3路超声传感器信号的数据采集。同时设计有4路RS485接口，2路开关量输入和4路继电器输出接口，可实现温湿度传感器信号获取以及对开关柜内加热器、冷凝器和风机等设备的开关状态的采集和控制。数据采集器硬件可编程框架如图2所示。ZYNQ(PL)完成数据流汇聚以及对外设控制的功能，数据流主要包含局部放电采集数据和温湿度传感器数据。AXI_AD9265完成对硬件AD9265的初始化，将LVDS数据总线传输的数据转换为16 bit的数据提供给DMAC使用。AXI_DMAC是一个高速高吞吐量的DMA控制器，能够在不需要外部CPU干预的情况下将大量数据高速传输到CPU端的DDR中。SPI_AXI_FIFO的核心组件是一个完全可编程执行模块，实现SPI总线主控制逻辑以及FIFO存储功能。温湿度传感器IP(intelligent property)通过标准UART接口使用精简Modbus协议从温湿度传感器获取多路数据，对数据进行校验和矫正后传输给ZYNQ(PL)。时钟与复位IP通过锁相环、分频器和时钟缓冲器产生各个IP所需要的时钟以及复位信号，保证各IP正常同步工作。

图2 数据采集器硬件可编程框架

软件部分采用VxWorks操作系统，其处理流程如图3所示。主任务发起各个子任务，并对各个任务进行监控，同时完成任务间的同步。系统看门狗任务定时轮训各任务、系统内核和外部硬件，当出现致命错误时，硬件复位，恢复系统原始状态。人机交换任务完成系统参数输入与调试；温湿度处理任务负责从底层获取温湿度数据并控制数字DO(digital out)，控制开关柜内的加热器、冷凝器等装置，当温湿度超出范围时进行处理并告警上报；数据处理任务为核心任务，获取采集数据后根据相关算法提取超声和TEV信号特征量，判断绝缘状态并上报处理。433M无线通信按照通信规约与集中器进行数据交互。

图3 软件处理流程

数据采集器对超声和TEV信号提取的特征参数主要有放电脉冲幅值和单位时间脉冲次数。开关柜内部局部放电产生的TEV原始信号幅值一般小于100 mV，频率分布范围约为3 MHz～100 MHz，因此需设计放大检波处理电路来降低对数据采集硬件的要求。设计的TEV放大检波处理电路结构如图4所示。通过二极管反向的单极性包络检波对输入信号进行处理，获得TEV信号的双极性检波结果。

图4 TEV放大检波处理电路结构

2.3 集中器

集中器运行后台服务，主要完成与数据采集器的信息交换功能，包括接收来自数据采集器的在线监测数据和发送至数据采集器的配置和控制信息，具有数据统计、显示、存储和报警等功能，并可以遵循多种协议方式实现与其他数据平台的信息传递。其系统框架如图5所示。

图5 集中器系统框架

2.4 防凝露调控

通常开关柜内凝露现象的发生主要受柜内空气温度、含湿量以及水蒸气露点温度等条件的影响[8]。空气含湿量H为温度T和相对湿度φ的函数：相对湿度一定时，空气含湿量随开关柜内温度的升高而升高；温度一定时，空气含湿量随相对湿度的增大而增大。当温度降低时，由于空气饱和湿度减小，即使相对湿度较小，也可能在开关柜内发生凝露。

实际中空气的温湿度变化通常为动态复杂过程，为准确表征空气调节过程中的各种状态参数，采用焓湿图来描述此动态过程。如图6(a)所示，焓湿图既关联空气状态参数又可呈现空气状态变化。当获得当前空气的温湿度数据后，可由焓湿图确定对应的含湿量和露点温度。确定方法如图6(b)所示，若测量获得测点温度30 ℃，相对湿度60%，其对应焓湿图中A点位置，根据含湿量刻度线可确定测点对应的含湿量为16.15 g/kg干空气，根据100%相对湿度曲线可确定测点对应露点温度为21.8 ℃。

图6 焓湿图及其应用举例

防止开关柜凝露可以从降低空气含湿量和提高空气饱和湿度两个条件进行。通过加热器控制当前空气的温度至远高于露点温度，或者通过冷凝器减小当前空气的含湿量至远小于饱和含湿量，均可预防凝露现象的发生。而风扇通风可能导致柜外高湿度空气进入到柜内而导致柜内环境恶化，因此一般要与其他防凝露措施联合使用。本系统的防凝露调控原理如图7所示。数据采集器获取开关柜内的温湿度数据，查询焓湿图数据表获得对应空气含湿量和露点温度，基于温湿度测量数据趋势分析以及和目标设定值的比较，自动跟踪修正调控目标设定值，并控制各开关和继电器动作状态，实现对加热器或冷凝器等装置的控制。

图7 防凝露调控原理

3 测试和应用

首先在实验室对系统进行了局部放电检测和温湿度调控测试。

采用所研制的超声和TEV传感器进行局部放电检测，另外参照IEC 60270标准进行结果对比。图8为测量获得的三种局部放电信号对比，波形显示三种检测方法均对放电信号进行了有效检测。

图8 局部放电测量信号对比

系统的防凝露调控效果模拟测试在人工气候室内进行。开关柜内底部两侧分别安装有一片功率为100 W的加热器。考虑开关柜运行时由于内部组件的发热导致柜内温度稍高于环境温度，模拟测试中初始温度设置为柜内部温度较环境温度分别高5 ℃和10 ℃。利用加湿器获得所需开关柜内湿度环境。当加湿器工作使得开关柜内相对湿度分别达到60%、70%和80%时，马上开启数据采集器对加热器进行自动控制并观测是否发生凝露。表1为模拟测试结果，测试的各种情况下均未观测到凝露发生。