基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

鄧錦培

摘 ?要：針對高壓開關(guān)柜局部放電問題，該文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，在每個開關(guān)柜上都安裝超高頻局部放電傳感器，傳感器通過通信電纜與局部放電智能監(jiān)測儀相連，監(jiān)測儀通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以APN方式連入電力專網(wǎng)，接入后臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。監(jiān)測儀對每個通道上的局部放電信號進行實時采集、分析。如發(fā)生報警，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將報警信息發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，由服務(wù)器在配電監(jiān)控中心的地理信息系統(tǒng)上顯示，并將報警信息推送至相關(guān)負責(zé)人的手機上，從而及時發(fā)現(xiàn)放電現(xiàn)象并處理，減少因放電造成的危險和危害發(fā)生。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);局部放電;在線監(jiān)測;超高頻;開關(guān)柜

中圖分類號：TM591 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

1 高壓開關(guān)柜監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)狀

隨著社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛， 但是當(dāng)開關(guān)柜在長期運行的過程中，高壓開關(guān)柜及其內(nèi)部高壓設(shè)備（斷路器、PT、CT、母排、電纜接頭等）不可避免地受到電、熱、機械和環(huán)境等各種因素的影響，發(fā)生局部放電現(xiàn)象，甚至發(fā)生各種故障，引起局部乃至大面積停電，造成巨大的直接或間接的經(jīng)濟損失。其部分危險情況如圖1與圖2所示。

高壓開關(guān)柜中引起局部放電的主要原因有導(dǎo)體、外殼內(nèi)表面上的金屬突起，常常是由于制造和安裝時金屬表面有較尖的毛刺。絕緣介質(zhì)的缺陷、老化和表面的污穢造成絕緣內(nèi)部或表面出現(xiàn)局部放電。高壓母線連接處、開關(guān)電路觸頭接觸不良或斷路器觸頭接觸不良造成局部放電。高壓設(shè)備里的可以移動的金屬微粒主要在制造、裝配和運行中產(chǎn)生，當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體并未接觸時，就很可能導(dǎo)致放電。

目前國內(nèi)外開關(guān)柜局部在線監(jiān)測方法主要分為脈沖電流法、超聲波法、特高頻法和暫態(tài)對地電壓法。其中，最典型的當(dāng)屬超聲波檢測法、化學(xué)檢測法和超高頻局部放電檢測。

該文基于超高頻局部放電檢測，創(chuàng)新性地提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將報警信息發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，由服務(wù)器在配電監(jiān)控中心的地理信息系統(tǒng)上顯示，并將報警信息推送至相關(guān)負責(zé)人的手機上，從而及時發(fā)現(xiàn)放電現(xiàn)象，增強電力事故預(yù)防能力，提高整個電網(wǎng)的安全運行水平。此外能夠大大減少人工檢測工作量，降低運維成本。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)

該文開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，即GZPD-01型局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過HFCT脈沖電流傳感器采集高壓母線上流動的高頻脈沖電流信號，送入采集和數(shù)據(jù)處理單元對信號進行過濾，分離外界干擾，通過對信號進行高頻分量分析，即可確定開關(guān)柜內(nèi)是否有放電現(xiàn)象，及放電的嚴(yán)重程度，然后通過分析軟件采用公眾智能獨有同步采樣和定位專利技術(shù)，可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準(zhǔn)確地監(jiān)測到故障點位置。通常每個開關(guān)柜配置一組局部放電采集器和局放傳感器，每臺GZPD主機最多可監(jiān)測100臺開關(guān)柜。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖3和圖4所示。

GZPD型局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)適用于10 kV及以上電壓等級開關(guān)柜及其內(nèi)部高壓設(shè)備的局部放電在線及離線監(jiān)測，能實時顯示各個監(jiān)測點的局部放電幅值、頻次、確定放電點相對位置，必要時發(fā)出報警。并能存儲譜圖、放電趨勢，從而及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的絕緣缺陷，并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據(jù)，為開關(guān)柜的檢修工作提供依據(jù)系統(tǒng)最小測量放電幅值為2pC，放電脈沖的時間分辨率為10 us，相位分辨率為0.18°。系統(tǒng)提供工頻周期放電圖、二維譜圖、放電趨勢圖等。系統(tǒng)采用模擬濾波、脈沖分組、周期脈沖剔除、設(shè)置動態(tài)閾值等綜合抗干擾措施，使測試數(shù)據(jù)真實可靠。

圖5為GZPD-01型局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)的主界面，圖6為GZPD-01型局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢界面。

GZPD系列局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)具有5個特點。1）對放電信號特定頻帶進行提取，可實現(xiàn)對于配電站中常見干擾信號的有效抑制。進而可以有效確定是高壓設(shè)備處放電還是外部干擾信號。2）異常報警功能。可根據(jù)局部放電嚴(yán)重程度給出不同的報警級別（預(yù)警、一般性缺陷、嚴(yán)重故障）。3）所有終端同步采集技術(shù)，最多同步采集100個傳感器數(shù)據(jù)。采用該技術(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)所有傳感器在同一時刻進行同步采集。4）采用了其他國內(nèi)外廠家都不具有的“異常周期數(shù)”統(tǒng)計法，可排除開關(guān)操作造成的瞬時脈沖沖擊干擾。開關(guān)操作產(chǎn)生的沖擊電磁波一般在個別工頻周期只出現(xiàn)1～5次，并且這種異常周期都比較單一，通過統(tǒng)計這種異常周期數(shù)即可判別是開關(guān)操作還是局部放電信號。5）所有傳感器采用單根數(shù)字總線和供電一體化多芯電纜進行連接，具有最小化的布線數(shù)量，極大減少在開關(guān)柜上的走線數(shù)量并降低復(fù)雜程度，將監(jiān)測設(shè)備對原設(shè)備的影響降到了最低。

2.1 局部放電采集器

該文的局部放電采集器采用嵌入式高性能處理器，在保證高速采樣的同時，大幅降低了系統(tǒng)功耗，其樣式圖如圖7所示。各臺數(shù)據(jù)采集裝置通過RS-485總線和Modbus-RTU協(xié)議組網(wǎng)，遠程通信。公眾智能專利的同步采樣技術(shù)的使用，使多達100臺的設(shè)備可以在同一時刻進行局放信號采集，并且使橫向比較各個設(shè)備的健康狀況成為可能。各局放采集器采用供電通信一體化的多芯電纜進行串行連接，極大地簡化了現(xiàn)場布線。表1為局部放電采集器技術(shù)指標(biāo)。

2.2 VHF天線傳感器

VHF天線傳感器是公眾智能為測量局部放電信號設(shè)計的安裝簡便、靈敏度高的局放測量傳感器。其樣式圖如圖8所示。該傳感器外殼采用鋁合金材料，外表采用氧化絕緣工藝處理，對開關(guān)柜內(nèi)部空間30 MHz～400 MHz頻帶的局部放電電磁波信號有優(yōu)越的響應(yīng)性能，實現(xiàn)對開關(guān)柜局部放電信號的耦合。傳感器可直接安裝固定在開關(guān)柜電纜室或用磁吸安裝在開關(guān)柜內(nèi)壁上。表2為VHF天線傳感器技術(shù)指標(biāo)。

2.3 RS-485總線

RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，因此傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互聯(lián)時非常方便，可以省掉許多信號線。該文采用的RS-485總線的波特率為115 00 bPs）（可配9 600 bPs），數(shù)據(jù)位為8，校驗位為無，停止位為1。表3為RS-485總線中各線圈地址的含義，表4為RS-485總線中24通道的幅值與頻次，表5為0.1 下RS-485總線中24通道的寄存器地址。

3 結(jié)語

該文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用同步采集技術(shù)，通過HFCT脈沖電流傳感器采集高壓母線上流動的高頻脈沖電流信號，送入采集和數(shù)據(jù)處理單元對信號進行過濾，分離外界干擾，通過對信號高頻分量進行分析，即可確定開關(guān)柜內(nèi)是否有放電及放電的嚴(yán)重程度，然后通過分析軟件采用公眾智能獨有的同步采樣和定位專利技術(shù)，可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準(zhǔn)確地監(jiān)測到故障點位置，并根據(jù)局部放電嚴(yán)重程度給出不同的報警級別（預(yù)警、一般性缺陷、嚴(yán)重故障），并通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將報警信息發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，推送至相關(guān)負責(zé)人的手機短信，從而及時發(fā)現(xiàn)放電現(xiàn)象，增強電力事故預(yù)防能力，提高整個電網(wǎng)的安全運行水平。

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