基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳卓 冀紅偉 張昊

摘要：高壓開關柜是一種電氣設備，其主要作用是對正在運行的發(fā)電、輸電、配電和電能轉換設備進行開合、控制和保護。高壓開關柜的正常運行是配電系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行的重要保證?，F(xiàn)針對電網(wǎng)10 kV及以上高壓開關柜存在的局部放電現(xiàn)象，介紹了高壓開關柜局放的主要類型、特征及監(jiān)測原理，結合LoRa無線通信原理，設計了一套高壓開關柜局放監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了對設備進行實時監(jiān)測的需求，既實現(xiàn)了高壓開關柜的遠程運維目的，又降低了設備運維成本。

關鍵詞：高壓開關柜;在線監(jiān)測;局部放電;超聲波;地電波

0 引言

高壓開關柜（switch cabinet）是電力系統(tǒng)中數(shù)量最多且使用范圍極廣的一種開關設備。高壓開關柜在設計、制造、安裝和運行維護等方面容易出現(xiàn)不同程度的問題，尤其是在長時間運行后，其出現(xiàn)故障的概率比較高。在不同原因導致的高壓開關柜事故中，10 kV及以上電壓等級的開關柜更容易出現(xiàn)絕緣事故，造成的事故后果也更為嚴重。因此，迫切需要對10 kV及以上的高壓開關柜進行實時的狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)設備運行實時在線監(jiān)測結果，判斷設備的運行狀態(tài)和絕緣的劣化程度，從而確定檢修時間和檢修措施，以減少停電檢修時間，降低事故的發(fā)生概率，進而提高整個電力系統(tǒng)運行的自動化程度及安全可靠性。

高壓開關柜采用傳統(tǒng)的人工干預監(jiān)測維護方法，需要安排人員檢查未知的不確定存在與否的問題，這種方法不但不可靠，而且相關成本也比較高，人工帶電巡檢的方式存在漏檢等問題。因此，對高壓開關柜的局部放電現(xiàn)象進行在線監(jiān)測有著極為重要的意義。利用高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠確認高壓開關柜設備是否處于正常運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)其絕緣中存在的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原因，并及時處理故障，能有效預防事故的發(fā)生，減少不必要的人力物力浪費，保障電力系統(tǒng)的安全、可靠運行。

1 理論及原理探究

1.1? ? 高壓開關柜局放的產生

局部放電是絕緣介質中產生的一種電氣類放電現(xiàn)象，這種放電通常限制于被測介質中，且往往發(fā)生在導體間的絕緣局部橋接處或導體鄰近位置。在強電場作用下，電力設備絕緣中的某些薄弱部位處，普遍存在局部放電的問題。局部放電前期一般不會立即引起絕緣介質擊穿，但容易導致有機電介質的局部損壞。若電氣設備長期處于局部放電狀態(tài)，在某些特定環(huán)境下就會導致絕緣劣化，甚至擊穿。因此，對電力設備進行局部放電監(jiān)測是電力設備運行中的一種重要預防性手段。

局部放電會伴隨產生各種電、光、聲、熱等現(xiàn)象，基于這些現(xiàn)象的原理性研究，產生了不同原理的局放監(jiān)測技術。其中，常用的非電量監(jiān)測方法有：光測法、電檢測法、紅外熱測法和聲測法等。近些年來，隨著對局部放電原理的研究不斷深入，局部放電監(jiān)測技術也在不斷提高，目前采用較為廣泛的局部放電監(jiān)測方法是聲電聯(lián)合的監(jiān)測方法。事實證明，該方法能夠有效監(jiān)測沿面爬電、表面放電、電暈放電、內部放電、尖端放電等多種類型放電現(xiàn)象。

1.2? ? 高壓開關柜局放的主要類型和特征

高壓開關柜的局放類型，按照位置不同可分為表面放電和內部放電;按照不同特征可分為持續(xù)放電和間歇放電。高壓開關柜局部放電的表現(xiàn)形式包括電磁波：HF、VHF、UHF、SHF;氣體生成物：氮化物、碳化物和氟化物;聲音、噪聲：可聞噪聲和超聲波;電流行波：高頻脈沖電流;光：紅外光、紫外光。

從頻域上看，高壓開關柜局放涵蓋從低頻到極高頻的各個頻段。

1.3? ? 高壓開關柜局放的監(jiān)測原理

1.3.1? ? 超聲波（AE）原理

在產生局部放電現(xiàn)象之前，放電點的周圍介質應力、粒子力、電場應力處于相對平衡的狀態(tài)。

局部放電是一種電荷快速釋放或遷移的過程，導致放電點周圍的機械應力、粒子力與電場應力失去了相對的平衡狀態(tài)而產生振蕩變化的過程;粒子力與機械應力的快速振蕩，導致放電點周圍介質振動，從而產生超聲波的聲波信號，通過壓電轉換傳感器感應超聲波信號，達到監(jiān)測的目的。

1.3.2? ? 地電波（TEV）原理

局部放電發(fā)生時，在集膚效應作用下，絕緣連接或金屬斷開處，電流波會向外表面轉移;電磁波上升沿碰到金屬外表面，產生暫態(tài)對地電壓（Transient Earth Voltage）。地電波的幅值大小與放電量大小及傳播途徑中放電量的衰減程度有關，同時也取決于放電點位置、故障裂痕的開口大小以及設備的內部結構。采用電容型地電波傳感器感應暫態(tài)地電波信號，達到檢測的目的。

1.4? ? LoRa無線通信原理

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的普及，低功耗的局域網(wǎng)通信技術LoRa日漸成熟，具備了在本項目中應用的條件。

LoRa技術標準是Semtech公司創(chuàng)建的一種低功耗無線局域網(wǎng)標準。遠距離無線電（Long Range Radio）簡稱LoRa，其最大優(yōu)勢在于，在同樣的功耗條件下，比其他無線方式傳播的距離更遠，從而實現(xiàn)了低功耗和遠距離傳播的結合、統(tǒng)一，在同樣的功耗下，其通信距離比傳統(tǒng)的無線射頻增加了3～5倍。

LoRa技術的傳輸特性有：

工作頻率：ISM頻段包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等;傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2～5 km，郊區(qū)可達15 km;容量：一個LoRa網(wǎng)關可以連接上千萬個LoRa節(jié)點;標準：IEEE 802.15.4g;調制方式：基于擴頻技術，是線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力。

2 高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

本文基于以上背景及理論研究，開發(fā)設計了一套高壓開關柜局放監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)超聲波（AE）、地電波（TEV）兩種原理，支持高壓開關柜局放信號的在線監(jiān)測，監(jiān)測傳感器采用無源、無線工作模式，支持高壓開關柜不掉電安裝。

2.1? ? 系統(tǒng)框架

高壓開關柜局放監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在高壓開關柜上的超聲波及地電波兩種原理的局放監(jiān)測傳感器、通過無線收集局放監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集中器構成。

每個高壓開關柜安裝一個聲電混合的高壓開關柜局放傳感器，實現(xiàn)局放信息的采集和計算。

每個配電房安裝一臺數(shù)據(jù)集中器。

局放傳感器與數(shù)據(jù)集中器之間采用LoRa無線組網(wǎng)通信。

數(shù)據(jù)集中器通過RS485或以太網(wǎng)等有線網(wǎng)絡，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳給站端監(jiān)測平臺，或通過加密無線通信方式，將數(shù)據(jù)上傳給PMS系統(tǒng)。

2.2? ? 現(xiàn)場施工方案簡介

高壓開關柜局放監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場施工安裝方案包括以下幾個步驟：

（1）聲電混合的高壓開關柜局放傳感器采用無源無線方式，直接吸附在高壓開關柜上，高壓開關柜無需掉電安裝;

（2）數(shù)據(jù)集中器采用AC220 V交流電供電，采用掛壁式安裝方式安裝在配電室內;

（3）數(shù)據(jù)集中器與聲電混合的高壓開關柜局放傳感器之間采用LoRa無線通信方式，空曠地帶的通信距離達1 km，適合小區(qū)域內分布的多個配電室的安裝布局。

2.3? ? 實施效果

高壓開關柜局放監(jiān)測傳感器同時支持超聲波及地電波兩種監(jiān)測原理，監(jiān)測全面可靠，能實現(xiàn)高壓開關柜的可靠局放在線監(jiān)測功能，彌補了傳統(tǒng)帶電檢測手段的不足;聲電混合的高壓開關柜局放傳感器采用無源無線工作方式，可實現(xiàn)高壓開關柜的不掉電安裝，不影響一次設備的正常運行。

基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，目前已經(jīng)在現(xiàn)場得到了實際安裝應用。監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝圖如圖1所示。

高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定部署，實現(xiàn)了對高壓開關柜局放的7×24 h不間斷在線監(jiān)測，通過局放在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺，能夠對高壓開關柜局放的歷史曲線進行查詢，預測局放故障趨勢，能夠及時識別出現(xiàn)故障的設備，以免故障處理不及時造成財產損失。正常高壓開關柜局放波形、故障高壓開關柜局放波形分別如圖2、圖3所示。

高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的部署，能夠將常規(guī)的高壓開關柜計劃帶電檢測轉換為狀態(tài)檢修，通過不間斷在線監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)有問題的高壓開關柜，從而有針對性地對疑似運行異常的高壓開關柜進行故障處理，節(jié)省了計劃帶電檢修的人員和費用成本。

3 結語

高壓開關柜采用傳統(tǒng)的人工干預的監(jiān)測維護辦法，已經(jīng)無法滿足對設備進行實時監(jiān)測的需求，對高壓開關柜的局部放電現(xiàn)象進行在線監(jiān)測有著極為重要的意義。利用高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠確認高壓開關柜設備是否處于正常運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)其絕緣中存在的薄弱環(huán)節(jié)，找出故障原因，并及時處理故障，能有效預防事故的發(fā)生，減少不必要的人力物力浪費，保障電力系統(tǒng)的安全、可靠運行。

本文所提出的高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)支持超聲波（AE）、地電波（TEV）兩種原理的高壓開關柜局放監(jiān)測技術，使得局放監(jiān)測結果更加準確、全面。

高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝更加便捷。高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)配置的傳感器具有小型化、易安裝的特點，方便現(xiàn)場布設或施工改造。超聲波及地電波高壓開關柜局部放電傳感器可以支持高壓開關柜不掉電安裝，不影響高壓開關柜的正常運行。高壓開關柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施，有效實現(xiàn)了高壓開關柜的遠程運維目的，降低了設備運維成本。

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收稿日期：2020-07-03

作者簡介：陳卓（1980—），男，河南鄧州人，工程師，研究方向：生產運行、輸配電及用電工程。

冀紅偉（1978—），男，河南鄧州人，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。

張昊（1979—），男，河南鄧州人，工程師，研究方向：配電網(wǎng)運維檢修。