燈泡貫流式機(jī)組局放電流的監(jiān)測(cè)和預(yù)防

摘 要：本文聚焦于機(jī)組運(yùn)行中的重要參數(shù)——局放電流的監(jiān)測(cè)與預(yù)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過選擇適用于監(jiān)測(cè)的燈泡貫流器，整合高性能數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計(jì)控制單元和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，構(gòu)建了全面而高效的監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)為機(jī)組運(yùn)行管理和維護(hù)提供了有力支持，顯著提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，強(qiáng)調(diào)了該系統(tǒng)在局放電流監(jiān)測(cè)與預(yù)防方面的卓越性能，可為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供有益參考。

關(guān)鍵詞：貫流式；燈泡機(jī)組；局放電流

中圖分類號(hào)：TU 241" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在電力系統(tǒng)中，燈泡貫流式機(jī)組具有重要作用，能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力[1]。然而，在機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的局放電流問題一直以來(lái)都是電力工程領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)之一[2-3]。局放電流是指在絕緣系統(tǒng)中，由局部電場(chǎng)強(qiáng)度過大導(dǎo)致的局部放電放電擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生的電流。這種電流通常隨著放電現(xiàn)象，表現(xiàn)為短暫的放電脈沖。局放電流異常不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過早損壞，還可能引起嚴(yán)重事故，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有潛在威脅。為了解決這個(gè)問題，燈泡貫流式機(jī)組局放電流的監(jiān)測(cè)和預(yù)防尤為重要。隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展和智能化技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)一套高效、可靠的監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文通過設(shè)計(jì)燈泡貫流式機(jī)組局放電流監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)，構(gòu)建適用于局放電流監(jiān)測(cè)的燈泡貫流器和相關(guān)傳感器，整合高性能的數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計(jì)控制單元和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，制定全面而高效的監(jiān)測(cè)和預(yù)防策略，為燈泡貫流式機(jī)組的安全運(yùn)行提供全面支持。

1 燈泡貫流式機(jī)組局放電流監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為監(jiān)測(cè)和預(yù)防燈泡貫流式機(jī)組局放電流，本文設(shè)計(jì)了燈泡貫流式機(jī)組局放電流的監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)，目的在于提高電力系統(tǒng)的可靠性、確保設(shè)備的安全運(yùn)行，并降低潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

該系統(tǒng)的硬件部分主要包括監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制單元，以此來(lái)確保設(shè)備的靈敏度、頻率響應(yīng)和精度符合系統(tǒng)要求，確保數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)測(cè)設(shè)備兼容，具有高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力，可對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的軟件部分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示局放電流數(shù)據(jù)。用戶界面的設(shè)計(jì)方便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。集成數(shù)據(jù)分析算法用于識(shí)別局放電流的異常模式，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括濾波、歸一化等，以提高系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的分析精度。系統(tǒng)配置了報(bào)警通知模塊，監(jiān)測(cè)到異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。通知機(jī)制可以通過短信、郵件或其他途徑通知相關(guān)人員。

2 硬件設(shè)計(jì)

燈泡貫流器使用Tektronix P6015A高壓探頭，頻率響應(yīng)為DC-75 kHz，靈敏度為1000 V/A；傳感器采用LEM ITZ 500-S/SP5高精度電流傳感器，頻率響應(yīng)為DC-150 kHz，敏度為500 mV/A。選用高速、高精度的NI USB-6356數(shù)據(jù)采集器，適用于實(shí)時(shí)局放電流數(shù)據(jù)采集，具有多通道輸入，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?？刂茊卧x用Arduino Due控制器，ARM Cortex-M3處理器，84 MHz時(shí)鐘頻率，54個(gè)數(shù)字I/O引腳，12位ADC分辨率，具備豐富的輸入、輸出接口，方便與監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行連接。以上硬件選擇可為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和異常情況的及時(shí)響應(yīng)提供堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)，使燈泡貫流式機(jī)組局放電流監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)能夠?qū)址烹娏鬟M(jìn)行高效、及時(shí)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的組成部分，用于實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示局放電流數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用監(jiān)測(cè)設(shè)備（燈泡貫流器+傳感器）采集局放電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。傳感器與燈泡貫流器的連接方式如圖2所示。

使用Belden 9913F 50-ohm同軸電纜將LEM ITZ 500-S/SP5傳感器連接到Tektronix P6015A燈泡貫流器。傳感器的輸出電纜中包括模擬或數(shù)字信號(hào)，可將燈泡貫流器和傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相應(yīng)輸入通道。數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)確保高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)預(yù)定的采樣率獲取電流信號(hào)。燈泡貫流器的工作原理是通過燈泡的亮暗程度反映電流的變化，因此需要將這種光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，如公式（1）所示。

I（t）=k·P（t） （1）

式中：I（t）為電流信號(hào)；P（t）為燈泡的光強(qiáng)度；k為光電轉(zhuǎn)化系數(shù)。

具體的k值取決于所使用的傳感器和光電元件的特性，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)過程中確定。在系統(tǒng)集成之前，必須對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保光強(qiáng)度到電流的轉(zhuǎn)化是準(zhǔn)確可靠的。在轉(zhuǎn)化過程中，電流信號(hào)的特性（幅值、頻率等）會(huì)發(fā)生變化，可根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以確保電流信號(hào)滿足監(jiān)測(cè)要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

燈泡貫流式機(jī)組局放電流監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理模塊是為了更全面、深入地理解和處理監(jiān)測(cè)到的局放電流數(shù)據(jù)，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常識(shí)別以及預(yù)測(cè)性維護(hù)。在局放電流監(jiān)測(cè)中，不同傳感器可能會(huì)產(chǎn)生不同幅度的信號(hào)，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，以確保各個(gè)信號(hào)處于相同的尺度，方便后續(xù)分析。在歸一化方法中，最小-最大歸一化（Min-Max Normalization）較常用，如公式（2）所示。

（2）

式中：Xn為歸一化后的電流信號(hào)；X為原始電流信號(hào)；Xmin和Xmax分別為信號(hào)的最小和最大值。

歸一化的目的是將不同幅度的電流信號(hào)調(diào)整到相同的尺度范圍內(nèi)，以增強(qiáng)后續(xù)處理的魯棒性。

局放電流信號(hào)常受高頻噪聲或其他干擾的影響。為了提高信號(hào)質(zhì)量并消除不必要的噪聲，采用低通數(shù)字濾波算法來(lái)平滑信號(hào)。其中，指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均濾波是一種常見的低通濾波器，如公式（3）所示。

Yn=（1-α）·Yn-1+Xa （3）

式中：Yn為濾波后的信號(hào)；Xa為原始信號(hào)；α為濾波器的衰減系數(shù)。

該濾波過程有助于平滑局放信號(hào)，減少噪聲影響，使后續(xù)的分析和處理更精確、可靠。通過歸一化和低通濾波的處理，局放電流信號(hào)得到了優(yōu)化，為系統(tǒng)后續(xù)的特征提取、趨勢(shì)分析和異常檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。這些步驟有助于確保系統(tǒng)對(duì)局放現(xiàn)象的敏感性和準(zhǔn)確性，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體性能。

3.3 警報(bào)通知模塊

燈泡貫流式機(jī)組局放電流異常是系統(tǒng)存在故障或潛在問題的跡象，通過設(shè)計(jì)警報(bào)通知模塊可以對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)，減少故障對(duì)系統(tǒng)的影響，具體的警報(bào)通知流程如圖3所示。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊通過數(shù)據(jù)分析處理可識(shí)別局放電流信號(hào)中的異常情況，并判定是否滿足設(shè)定的報(bào)警觸發(fā)條件。為了更全面地應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況，系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的異常情況分為不同級(jí)別，例如輕微、一般和緊急等。每個(gè)級(jí)別都對(duì)應(yīng)特定的報(bào)警通知方式，以確保維護(hù)人員能夠及時(shí)了解并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

一旦異常情況被識(shí)別并分級(jí)，系統(tǒng)將觸發(fā)相應(yīng)級(jí)別的報(bào)警通知。通知方式包括郵件、短信和應(yīng)用程序推送等多種方式，以確保維護(hù)人員能夠在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)及時(shí)收到報(bào)警信息。同時(shí)，系統(tǒng)還可以根據(jù)需要設(shè)定自動(dòng)化響應(yīng)規(guī)則，例如關(guān)閉設(shè)備、切換系統(tǒng)狀態(tài)等，以減少人為干預(yù)的延遲并加快問題解決速度。維護(hù)人員收到報(bào)警通知后對(duì)異常情況進(jìn)行確認(rèn)，并驗(yàn)證其是否真實(shí)存在。根據(jù)結(jié)果確認(rèn)，維護(hù)人員將決定是否采取進(jìn)一步行動(dòng)。所有報(bào)警事件的詳細(xì)信息都將被系統(tǒng)記錄在日志中，包括報(bào)警時(shí)間、級(jí)別以及觸發(fā)條件等，以便后續(xù)分析和審查。該記錄不僅有助于了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還有助于改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。

4 測(cè)試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了評(píng)估燈泡貫流式機(jī)組局放電流監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)的性能，本文進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)。首先，選擇XYZ-5000模型監(jiān)測(cè)平臺(tái)，包括Tektronix P6015A燈泡貫流器和LEM ITZ 500-S/SP5傳感器，以評(píng)估構(gòu)建平臺(tái)的穩(wěn)定性。確保XYZ-5000的電源供應(yīng)和連接正常后，安裝并連接燈泡貫流器和傳感器，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，檢查設(shè)備的正常運(yùn)行狀態(tài)。其次，使用Arduino Due控制器對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用JKL-PRO實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，設(shè)置監(jiān)測(cè)參數(shù)并啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示局放電流數(shù)據(jù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試該系統(tǒng)在燈泡貫流式機(jī)組局放電流的監(jiān)測(cè)和預(yù)防中的效用，本文挑選了T1～T5這5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，記錄了該系統(tǒng)的傳輸速率、電流監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度、報(bào)警速度以及系統(tǒng)安全性，見表1。

在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)，數(shù)據(jù)采集速率始終保持在每秒1010次以上，表明系統(tǒng)具備穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)采集性能。這種高頻率的數(shù)據(jù)采集確保了系統(tǒng)對(duì)局放電流的監(jiān)測(cè)能力不受限制，并為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了充分的數(shù)據(jù)支持。雖然電流監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)間略有波動(dòng)，但是整體保持在高水平。表明系統(tǒng)對(duì)局放電流的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)性能良好，能夠穩(wěn)定地提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題或異常情況。報(bào)警速度在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)也有輕微波動(dòng)，但總體上維持在3 s以內(nèi)的較好水平。系統(tǒng)具備快速響應(yīng)異常情況的能力，這是確保及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)任何潛在風(fēng)險(xiǎn)或故障的關(guān)鍵因素。

快速響應(yīng)表明系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)通知相關(guān)人員并采取必要行動(dòng)，從而最大程度地減少潛在損失或風(fēng)險(xiǎn)。此外，系統(tǒng)的安全性在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)也均保持高水平，表明系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠確保數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效防止未經(jīng)授權(quán)的訪問或數(shù)據(jù)泄露，并確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)燈泡貫流式機(jī)組局放電流的監(jiān)測(cè)和預(yù)防進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)施了系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)，評(píng)估了監(jiān)測(cè)平臺(tái)的穩(wěn)定性、性能以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊的表現(xiàn)。通過比較不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集速率、電流監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度、報(bào)警速度和系統(tǒng)安全性，驗(yàn)證了系統(tǒng)在全周期內(nèi)的高性能和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具備快速響應(yīng)局放電流異常情況的能力，為提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性提供了有效手段。未來(lái)的工作將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能、引入先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，并探索更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)需求。

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