基于光敏傳感器和差分電路的開(kāi)關(guān)柜放電檢測(cè)

張永超,趙錄懷,顧博才,鹿偉強(qiáng)

基于光敏傳感器和差分電路的開(kāi)關(guān)柜放電檢測(cè)

張永超1,趙錄懷2,顧博才1,鹿偉強(qiáng)1

1. 西安交通大學(xué)城市學(xué)院, 陜西 西安 710018 2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710018

針對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部接觸不良或線路老化等因素引起的局部放電現(xiàn)象導(dǎo)致設(shè)備不安全運(yùn)行的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)出一種基于光敏傳感器和差分電路的開(kāi)關(guān)柜放電檢測(cè)方法。該方法具有成本低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室電火花發(fā)生器和變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)柜放電現(xiàn)象檢測(cè)，并與NRJFD-3000數(shù)字局部放電檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，顯示該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部放電現(xiàn)象的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

光敏傳感器;開(kāi)關(guān)柜; 放電檢測(cè)

隨著國(guó)家智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控是衡量電網(wǎng)智能化和可靠運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在日常使用中，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部由于接觸不良或線路老化等因素會(huì)導(dǎo)致放電現(xiàn)象，而放電現(xiàn)象對(duì)于開(kāi)關(guān)柜而言是一個(gè)極其危險(xiǎn)的征兆，一旦檢修不及時(shí)，極大可能造成嚴(yán)重絕緣事故，帶來(lái)嚴(yán)重后果。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)的放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要措施[1,2]。

目前，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電檢測(cè)的具體方法有超聲波探測(cè)法、紫外成像法、紅外成像法、暫態(tài)對(duì)地電壓法等，這些測(cè)量方法中對(duì)放電光的測(cè)量，以判斷是否有放電現(xiàn)象，相對(duì)其他監(jiān)測(cè)方法具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高和檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其中，紫外成像法為了消除環(huán)境中的紫外線干擾，通過(guò)增加濾鏡的方式實(shí)現(xiàn)抗干擾[3-6]，該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

本文提出一種新的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部局部放電檢測(cè)方法，利用光敏二極管對(duì)電弧光進(jìn)行檢測(cè)，利用差分方式消除可見(jiàn)光干擾，同時(shí)，利用積分方式將測(cè)得的放電量與歷史放電量累積，該系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)對(duì)放電現(xiàn)象報(bào)警，還可對(duì)歷史放電現(xiàn)象的累積查看。可排除外界環(huán)境光照的干擾，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低等優(yōu)點(diǎn)。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)，該方法在電力設(shè)備放電檢測(cè)方面，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究的報(bào)道。

1 方法原理

電弧放電是一種功率很強(qiáng)的放電現(xiàn)象，電弧產(chǎn)生時(shí)輻射的光波波長(zhǎng)約為150~500 nm之間，介于紫外光與可見(jiàn)光范圍內(nèi)[7,8]，因此可以利用電弧的光效應(yīng)，使用光電傳感器對(duì)電弧光進(jìn)行檢測(cè)。由于環(huán)境光在每日不同時(shí)段的光照強(qiáng)度不同且開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)不盡相同，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境光復(fù)雜多變，因此要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能應(yīng)對(duì)各種檢測(cè)環(huán)境，使環(huán)境光的干擾盡可能小，考慮到外界環(huán)境光的干擾，利用差分法消除可見(jiàn)光對(duì)檢測(cè)的干擾。檢測(cè)方法是將2個(gè)光敏二極管安裝在檢測(cè)點(diǎn)即放電點(diǎn)附近的不同位置，其中一個(gè)是測(cè)量傳感器D1正對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另一個(gè)環(huán)境光傳感器D2，D1和D2相距一定距離。測(cè)量傳感器D1對(duì)放電光和環(huán)境光探測(cè)，其輸出值為1，環(huán)境光傳感器D2對(duì)環(huán)境光檢測(cè)，其輸出值為2。差分電路電壓輸出值為：D=1-2(1)

即為光敏二極管對(duì)放電光的檢測(cè)值，因此該方法可以最大限度的消除環(huán)境光的干擾。如果環(huán)境光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電所產(chǎn)生的光強(qiáng)，即2>>，則：1=2+D?2(2)

即1-2?0所以，當(dāng)環(huán)境光照度越高，差分電路輸出越小，系統(tǒng)靈敏度越小，因此，從理論分析來(lái)看，該方法適合在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)光照度較低的環(huán)境下使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在檢測(cè)系統(tǒng)中，兩個(gè)光敏二極管為檢測(cè)傳感器，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換給單片機(jī)，單片機(jī)連接無(wú)線發(fā)射模塊，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到外部，外部接受信號(hào)并經(jīng)顯示裝置顯示是否發(fā)生放電現(xiàn)象。檢測(cè)系統(tǒng)主要包括兩個(gè)傳感器模塊、信號(hào)處理電路、控制器、電源模塊和無(wú)線收發(fā)模塊5部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 2 光敏二極管測(cè)量電路圖

傳感器模塊選用一對(duì)LXD/GB3-A1DPS型光敏二極管組成，其光譜響應(yīng)范圍為390~1100 nm。光敏二極管測(cè)量電路如圖2所示，D1為測(cè)量傳感器，D2為環(huán)境光傳感器。信號(hào)處理電路采用AD620雙輸入單輸出差分放大電路R3和R5調(diào)整其放大倍數(shù)，光敏二極管在0~300 lux照度下其輸出電壓約為0~25 mV，經(jīng)差分放大電路放大50倍后，輸入到控制器內(nèi)的電壓值范圍為0~1.25 V，差分放大電路如圖3所示。開(kāi)關(guān)柜的放電檢測(cè)是長(zhǎng)時(shí)間，不間斷的應(yīng)用環(huán)境，要求能耗盡可能小，控制器采用意法半導(dǎo)體的MSP430系列芯片，最低功耗只有0.1 μA。電源系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分。一部分是為信號(hào)處理電路供電，另一部分為控制器供電，整個(gè)系統(tǒng)由3.6 V鋰電池。由于控制器的適用電壓范圍為1.8~3.6 V，因此可用電池直接供電，而信號(hào)處理電路需要提供±5 V，故用兩個(gè)MC34063電源模塊分別產(chǎn)生+5 V、-5 V為其供電。采用HPD8101無(wú)線收發(fā)模塊，此模塊采用GFSK抗干擾調(diào)制，基于Si4432傳輸協(xié)議，擁有1 W發(fā)射功率及良好的接收靈敏度，工作電壓值為3.3~6.0 V。顯示模塊采用4.5英寸TFT彩色顯示屏和單片機(jī)組成，單片機(jī)通過(guò)匯總終端接收來(lái)自無(wú)線收發(fā)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后顯示。

圖 3 差分放大電路圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室電火花發(fā)生器放電檢測(cè)試驗(yàn)和變電站開(kāi)關(guān)柜放電檢測(cè)試驗(yàn)，以研究該系統(tǒng)對(duì)放電的檢測(cè)準(zhǔn)確性。

3.1 實(shí)驗(yàn)室電火花發(fā)生器放電檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)，①測(cè)量傳感器D1與探測(cè)位置（放電點(diǎn)）的距離1和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律，得到該距離1與差分電路輸出的關(guān)系，確定最佳距離11。②測(cè)量傳感器D1和環(huán)境光傳感器D2的距離2和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律，得到該距離與差分電路輸出的關(guān)系，確定最佳距離22。③環(huán)境光照度和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律，確定該系統(tǒng)適用環(huán)境范圍。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：標(biāo)智GM1040數(shù)字光照度計(jì)，J1210高壓發(fā)生器，LXD/GB5-A1DPS光敏二極管，VC9807A+萬(wàn)用表。

（1）D1與探測(cè)點(diǎn)（放電點(diǎn)）的距離1和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律。電火花發(fā)生器放電脈沖頻率穩(wěn)定，其輻射的光可看作光源頻率一定或光源頻譜分布一定。光電效應(yīng)第一定律認(rèn)為，當(dāng)光源頻率一定或光源頻譜分布一定時(shí)，若光陰極面積是固定的，那么飽和光電流與距離的平方有反比例關(guān)系，依據(jù)該理論研究了D1與探測(cè)點(diǎn)（放電點(diǎn)）的距離1和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)條件：環(huán)境光照度為0 lux，高壓發(fā)生器檔位為5 kV檔位，測(cè)量傳感器D1與環(huán)境光傳感器D2距離為1.5 cm。實(shí)驗(yàn)方法：D1正對(duì)檢測(cè)點(diǎn)，D1與檢測(cè)點(diǎn)的距離1，萬(wàn)用表測(cè)量差分電路輸出。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合成曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果，差分電壓值的大小與放電點(diǎn)和傳感器之間的距離1有關(guān)，放電點(diǎn)與D1的距離1越小，差分電壓值越大。但是放電設(shè)備放電時(shí)的能量鉸大，過(guò)小的距離會(huì)使放電設(shè)備與傳感器之間發(fā)生放電現(xiàn)象，因此傳感器與放電點(diǎn)間的距離1不能無(wú)限小，綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況可得D1距檢測(cè)點(diǎn)最佳的距離1范圍為3~6 mm，本系統(tǒng)取最佳距離11=4 mm。

（2）D1與D2距離2和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律。D1對(duì)放電光和環(huán)境光探測(cè)，其輸出值為1，D2對(duì)環(huán)境光檢測(cè)，其輸出值為2。理論分析可知1越大、2越小，系統(tǒng)越靈敏，但為了保證D1和D2處于同一個(gè)環(huán)境光強(qiáng)下，所以D1和D2不能相距太遠(yuǎn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯緿1與D2距離2和系統(tǒng)靈敏度規(guī)律，從而確定一個(gè)合適的22。

實(shí)驗(yàn)條件：光照度0 lux，11=4 mm。試驗(yàn)方法：D1正對(duì)測(cè)試點(diǎn)11=4 mm。變化D1與D2的距離2，用萬(wàn)用表測(cè)量差分電路輸出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合成曲線如圖5所示。根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知隨著2增大，差分電壓值也隨之增大，系統(tǒng)越靈敏，當(dāng)2增大到一定值時(shí)，其變化幅度明顯減少，同時(shí)，為了保證D1和D2處于同一個(gè)環(huán)境光強(qiáng)下，由此確定出22距離范圍為10~15 mm，取最佳距離22=15 mm。

圖 4 測(cè)量傳感器與測(cè)試點(diǎn)距離和輸出電壓的關(guān)系

圖 5 測(cè)量傳感器與環(huán)境光傳感器間距離和差分電路輸出電壓的關(guān)系

（3）環(huán)境光照度與系統(tǒng)靈敏度規(guī)律。如果環(huán)境光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電所產(chǎn)生的光強(qiáng)，即光敏二極管輸出2>>，由公式（2）和（3）可知當(dāng)環(huán)境光照度越高，差分電路輸出越小，系統(tǒng)靈敏度越小。因此，設(shè)計(jì)了環(huán)境光照度與系統(tǒng)靈敏度規(guī)律實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：11=4 mm，22=15 mm。試驗(yàn)方法：變化環(huán)境光照度，用萬(wàn)用表測(cè)量差分電路輸出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，和理論分析相一致，本系統(tǒng)只能在環(huán)境光強(qiáng)小于10 lux下工作，符合開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境。

圖 6 環(huán)境光照度和輸出電壓的關(guān)系

圖 7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警界面

3.2 開(kāi)關(guān)柜試驗(yàn)

2018年2月10日至20日在西安鐵路局渭南變電站10 kV開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行了實(shí)地多次試驗(yàn)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)放電現(xiàn)象進(jìn)行了檢測(cè)。選取了3個(gè)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行檢測(cè)，A相母線刀閘接頭處，B相母線刀閘接頭處，C相母線接頭處。在每個(gè)點(diǎn)的正上方6 mm處放置測(cè)量傳感器D1，傳感器D1和D2相距15 mm。擰松1號(hào)開(kāi)關(guān)柜A相母線刀閘處接頭處螺絲，在A相母線處制造接觸不良。采用NRJFD-3000數(shù)字局部放電檢測(cè)儀作為參考，通過(guò)三組不同電壓閾值的設(shè)置試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證對(duì)放點(diǎn)的檢測(cè)，①報(bào)警電壓閾值設(shè)置為10 mV時(shí)，NRJFD-3000局部放電檢測(cè)儀檢測(cè)到10次放電，匯總終端接收到來(lái)自無(wú)線收發(fā)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，判斷是否有異常信號(hào)發(fā)出，如果檢測(cè)到放電現(xiàn)象，系統(tǒng)將在屏幕上顯示紅色，報(bào)警界面上顯示放電次數(shù)。界面顯示如圖7所示，由圖7監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警界面可知本系統(tǒng)檢測(cè)到10次放電，和NRJFD-3000局部放電檢測(cè)儀檢測(cè)到10次放電相吻合。②報(bào)警電壓閾值設(shè)置為20 mV時(shí)NRJFD-3000局部放電檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到15次放電，本系統(tǒng)檢測(cè)到12次放電。③報(bào)警電壓閾值設(shè)置為30 mV時(shí)，NRJFD-3000局部放電檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到18次放電，本系統(tǒng)檢測(cè)到6次放電。

由實(shí)驗(yàn)可知：系統(tǒng)閾值應(yīng)設(shè)置為10 mV，否則系統(tǒng)靈敏度低，對(duì)微弱放電現(xiàn)象不能檢測(cè)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室電火花發(fā)生器放電檢測(cè)試驗(yàn)，可知D1距檢測(cè)點(diǎn)最佳的距離1范圍為3~6 mm；D1與D2距離2范圍為10~15 mm；本系統(tǒng)只能在環(huán)境光強(qiáng)小于10 lux下工作。變電站10 kV開(kāi)關(guān)柜試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在實(shí)際中測(cè)試，和現(xiàn)有儀器相比較結(jié)果一致，可信度較高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了利用光敏二極管對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，利用差分方式消除可見(jiàn)光干擾，實(shí)際試驗(yàn)證明該方法對(duì)開(kāi)關(guān)柜局部放電現(xiàn)象能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

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Discharging Detection for Switch Cabinet Based on Photosensor and Differential Circuit

ZHANG Yong-chao1, ZHAO Lu-huai2, GU Bo-cai1, LU Wei-qiang1

1.710018,2.710018,

A method based on photosensor and differential circuit was presented to detect for a discharge of switch cabinet due to the partial discharge phenomenon caused by bad contact inside the switch cabinet or circuit aging resulting it in unsafe operation. It had some advantages of a low cost, high sensitivity and strong anti-jamming capability. It was detected on discharging state of electrospark generator in a laboratory and a switch cabinet in a transformerstation and test results were compared with local discharging digital device NRJFD-3000. Result showed that the system could realize real-time accurate monitoring of internal discharge switch cabinet.

Photosensor;switch cabinet; discharge detection

TM855

A

1000-2324(2018)05-0871-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.030

2017-10-20

2018-01-23

西安交通大學(xué)城市學(xué)院2018年度校級(jí)科研項(xiàng)目(2018KZ03)

張永超(1977-),男,碩士,講師,主要從事智能檢測(cè)方面的研究. E-mail:522031810@qq.com