变电站母线接头放电发热故障监测装置研究

王成学，胡晋华，李然，刘瑜，孔飞飞，高杰玲，谭萍萍

（国网重庆市电力公司合川供电分公司，重庆,401520）

0 引言

随着国民经济的快速发展，企业和居民对用电要求越来越高，变电站母线作为电网汇集和分配电能的路径，是电力输送的中坚力量。由于变电站母线接头节点在长期运行环境下，会出现热胀冷缩、表面结垢、氧化或腐蚀，接点松动接触不良，出现局部放电或发热故障，严重时可能导致火灾等重大安全事故[1]。传统的定期人工巡视方式存在着手段单一，无法直接观察等诸多问题，达不到及时防护和现场制止的作用，对由于母线接头放电过热故障而引起的火灾或运行过程中的不安全隐患较难及时发现。母线接头放电过热故障除了造成电能传输受阻之外，严重时还可能造成设备跳闸、减供负荷、甚至变电站停止供电等后果。因此为了保证变电站供电的正常运行，促进工业和国民经济的发展，研究一种高效、可靠、低功耗的变电站母线接头放电、发热等故障在线监测装置已迫在眉睫。

1 系统的构成及介绍

变电站母线接头放电发热故障在线监测装置是集太阳能取电、母线故障检测，无线通信及信息网络等一体化的自动高效监测系统。系统的总体结构如图1所示。探测器通过高灵敏度的紫外线探头和红外温湿度传感器，能实时准确地在线监测母线接头节点的工作状态，在通信链路的基础上，并将所捕捉到的电信号、温湿度信号、紫外信号等信息传输到中心系统，信号接收终端对信息进行数据统计、算法分析、拓扑计算，明确故障点。

图1 系统总体结构图

2 软硬件设计

2.1 紫外线探头

通过探测母线接头节点放电所产生的紫外线来探测发热故障，传感部件选用技术先进的紫外光敏管。特制的UV可以检测到放电过热产生的火花，中央处理器根据通过接受管转化的高低变化的电平信号做出相应的程序处理。

2.2 红外温湿度传感器

利用辐射热效应，传感器输出经过标定的数字信号，当母线接头与环境之间存在温度差时，从而检测出母线接头的温度。

2.3 供电模块

根据国家电网的标准，采用太阳能、锂电池与超级电容的双重供电模式。在正常工作情况下采用太阳能供电，并且同时可以给锂电池等后备电源进行储能；此外，在太阳光照不足或者在阴雨天的状况下才开启后备电源供电。

2.4 智能控制模块

为了进了一步处理模拟和数字信号，本装置采用了STM32单片机来进行逻辑运算。它具有高级的中断系统响应和强大的计算性能，能够为MCU数据处理提供低成本的平台。通过传感器采集的模拟信号，经过处理器本身的高精度ADC转换芯片对传感器监测参量进行快速采样得到实时的数据，再经处理器进行相关处理后进行实时显示。

2.5 GSM/GPRS远程与LORA无线射频通信

通过GSM/GPRS/LORA等通信方式，可以实现预警模块与专职人员的信息交互，专职人员可通过主动发送指令，获取变电站母线接头的运行情况，包括温度峰值、温升率、弧光信号强度；当监测出现放电及发热故障时，预警模块主动发送报警定位信息，提示专职人员现场核实排查。

3 基本工作原理

3.1 装置电气接线

传感器采集到的模拟信号通过ADC端口传输至STM32核心主板进行逻辑运算并输出，GSM/GPRS模块和Lora模块通过RX/TX串口读取输出信号，用于实现单片机信号与中心系统之间的通信；通过电源转换模块为红外温湿度传感器、高灵敏度紫外线探头以及单片机等传感器件供电，本装置的电气连接图如图2所示。

图2 电气连接图

3.2 工作方式

如图3所示，本装置的工作方式1为监控数据查询模式，即：传感器实时监测母线接头附近的温湿度信号、紫外信号以及电流信号，单片机读取传感器信号，单片机将上述读取的监测数据及故障分析结果发送至无线通信单元；专职人员可以通过配对好的手机及PC端实时查询中央处理器存储的传感器数据及故障分析结果。

图3 工作方式1

如图4所示，本装置的工作方式2为故障报警模式，即：传感器实时监测变电站母线接头附近的温湿度信号、紫外信号以及电流信号，单片机读取传感器信号，开展故障分析识别，包括放电故障预警分析、发热故障分析；通过故障分析识别运算，判断是否发生了过热故障，如果存在发热故障，则通过GSM/GPRS模块和LORA模块向中心系统发送故障报警信号；如果不存在发生过热故障，则判断是否存在放电故障，如果存在则通过无线通信模块向中心站发出故障预警信号；如果不存在发热故障，传感器则继续实时监测并传送信号至单片机进行数据处理，如此循环往复。

4 结语

本文所设计和研制变电站母线接头节点放电发热故障实时监测和预警系统能够对母线接头节点状态进行实时监测并对监测数据进行综合分析，对有告警的母线接头节点提前进行检修，避免母线接头损坏，减少因事故引起的停电范围，防止越级跳闸等较为严重的后果。这不仅使检修人员及时了解变电站母线接头节点的运行状态，特别是早期故障的判断与分析，而且为设备运行及维修提供更直观、更有效的依据，全面实现母线的状态维护，避免因过度维护或维护缺乏而造成人力、物力、财力浪费。

图4 工作方式2