基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局放監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建研究

何 明，，嚴鏗博，，佘樂欣，，袁 帥，，汪明科，，劉曉松

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518022；2.武漢傲睿爾科技有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的開關(guān)設(shè)備，也是對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響最為明顯的設(shè)備。從開關(guān)柜的設(shè)計生產(chǎn)開始，再到后續(xù)的安裝和運行，開關(guān)柜會出現(xiàn)不同程度的問題，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障。為此，需要針對10 kV以上的高壓開關(guān)柜運行狀況展開實時監(jiān)測，定期了解設(shè)備運行狀態(tài)，判斷設(shè)備的絕緣特性，做好設(shè)備的檢修和維護，降低事故發(fā)生的概率，讓電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加安全可靠。

1 高壓開關(guān)柜局部放電原理

局部放電是絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生的一種電氣類放電現(xiàn)象，這種放電通常限制在被測介質(zhì)中，且往往發(fā)生在導(dǎo)體間的絕緣局部橋接處或?qū)w鄰近位置。在強電場作用下，電力設(shè)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(zhì)擊穿，但容易導(dǎo)致有機電介質(zhì)的局部損壞。若電氣設(shè)備長期處于局部放電狀態(tài)，在某些特定環(huán)境下就會導(dǎo)致絕緣劣化，甚至擊穿［1］。因此，對電力設(shè)備進行局部放電監(jiān)測是電力設(shè)備運行中的一種重要預(yù)防性手段。

局部放電會伴隨產(chǎn)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(chǎn)生了不同原理的局放監(jiān)測技術(shù)。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(shù)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［2］。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(nèi)部放電、尖端放電等多種類型放電現(xiàn)象。

2 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本次設(shè)計開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)建立在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，通過脈沖電流傳感器對高壓開關(guān)柜的母線電流進行信息采集，獲取流動在母線上的高頻脈沖電流信號，在采集數(shù)據(jù)信息以后，將電流信號傳輸?shù)教幚韱卧?，?jīng)過信號過濾環(huán)節(jié)，將外界影響因素分離開來，此時數(shù)據(jù)處理單元將對高頻分量展開分析，最終確定高壓開關(guān)柜是否存在局部放電現(xiàn)象，并對局部放電故障的嚴重程度做出評判［3］。此次為盡快確定故障所在位置，將監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器與定位技術(shù)結(jié)合起來，以傳感器為在線監(jiān)測系統(tǒng)中心，分散監(jiān)測傳感器周邊的局部放電情況，準確獲取故障點位置。

此次所設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)比較適合10 kV及以上開關(guān)柜的局部放電現(xiàn)象監(jiān)測，能夠?qū)Σ煌O(jiān)測點的局部放電數(shù)值及頻次進行實時分析，在確定放電點以后，及時發(fā)出故障警報，并將數(shù)據(jù)圖譜存儲下來，以便于監(jiān)測人員后續(xù)展開放電現(xiàn)象分析［4］。該種監(jiān)測方式能及時發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)柜存在的絕緣缺陷問題，并評估開關(guān)柜設(shè)備及母線的絕緣水平，對判斷開關(guān)柜線路老化程度提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件中所形成的二維譜圖、工頻周期放電圖以及放電趨勢圖等都將成為檢測人員制定改進措施的數(shù)據(jù)參考［5］。

根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要具備下述特征：(1）提取放電信號的特定頻帶，對抗配電站中因外界因素干擾而產(chǎn)生的干擾信號，規(guī)避干擾信號對監(jiān)測信號的影響。監(jiān)測系統(tǒng)可直接經(jīng)過放電信號判斷確定局部放電現(xiàn)象來自于高壓開關(guān)柜內(nèi)部還是外部。(2）異常報警。在線監(jiān)測系統(tǒng)包含異常報警功能，在對開關(guān)柜進行實時監(jiān)測期間，一旦發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象比較嚴重，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，系統(tǒng)將會根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷，分等級地發(fā)出不同警報。(3）同時采集不同終端信號，最多可同時獲取100臺設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可通過該種技術(shù)對傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息采集，從而判斷局部放電現(xiàn)象所處位置。(4）系統(tǒng)設(shè)計期間，借鑒國內(nèi)外廠家所采用的異常周期數(shù)統(tǒng)計方法，將開關(guān)柜中因操作所造成的瞬間局部放電現(xiàn)象排除，獲取在個別頻次周期中出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及異常周期數(shù)據(jù)分析，判斷開關(guān)柜是因為操作產(chǎn)生局部放電故障還是因為其他原因產(chǎn)生局部放電故障。(5）傳感器在在線監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)置和連接均采用單根數(shù)字總線方式，經(jīng)過供電一體化多芯電纜實現(xiàn)相互連接，該種連接方式能夠減少傳感器之間的布線數(shù)量，降低開關(guān)柜因走線復(fù)雜而帶來的檢測難度，降低在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備對電力系統(tǒng)原設(shè)備所產(chǎn)生的影響。

2.2 故障采集檢測系統(tǒng)設(shè)計

為提升該在線監(jiān)測系統(tǒng)的故障信息采集效果，本次系統(tǒng)設(shè)計中安裝了嵌入式高性能處理器，該處理器能夠保持系統(tǒng)處于高速采樣狀態(tài)，且降低系統(tǒng)整體運行功耗。處理器在獲取數(shù)據(jù)采集結(jié)果以后，經(jīng)過Modbus-RTU協(xié)議組網(wǎng)以及RS-485總線，實現(xiàn)遠程通信的目的。系統(tǒng)運行過程中將同時運行多達100臺設(shè)備，此時將同步采樣技術(shù)與系統(tǒng)融合在一起，可以對100臺設(shè)備同時進行數(shù)據(jù)采集，了解100臺設(shè)備的局部放電信號情況，通過橫向和縱向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)的運行狀態(tài)，分析數(shù)據(jù)存在局部放電現(xiàn)象的可能因素。該種數(shù)據(jù)處理方式和信號采集方式簡化系統(tǒng)現(xiàn)場布線，實現(xiàn)供電通信一體化多芯電纜串聯(lián)。

傳感器是在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要設(shè)備，本次系統(tǒng)設(shè)計采用了VHF天線傳感器，該種傳感器是專門為測量局部放電信號而設(shè)計的，不僅設(shè)備安裝比較方便，且在局部放電信號方面的檢測比較靈活。該傳感器的外殼屬于鋁合金材料，并經(jīng)過鍍鋅處理達到氧化絕緣的目的，能夠?qū)Ω邏洪_關(guān)柜的內(nèi)部空間傳輸出的電磁波信號進行響應(yīng)，達到監(jiān)測開關(guān)柜局部放電現(xiàn)象的目的。傳感器將被直接安裝在開關(guān)柜的電纜室當(dāng)中或者是直接吸附在開關(guān)柜的內(nèi)壁上，根據(jù)電磁波信號感應(yīng)，向系統(tǒng)后臺傳輸監(jiān)測結(jié)果。

3 結(jié)語

本次設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠直接與地理信息系統(tǒng)融合，從而定位故障纏身位置，方便檢測人員快速發(fā)現(xiàn)故障點并給出應(yīng)對措施。如此一來，電力系統(tǒng)的運維管理水平提升和開關(guān)柜局部放電故障也得以管控。