高壓開關柜內部初始放電預警技術的研究

唐傳佳，劉志存，陳立新，魏曼榮，王克杰

（國網安徽省電力有限公司蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000）

TANG Chuan-jia, LIU Zhi-cun, CHEN Li-xin, WEI Man-rong, WANG Ke-jie

(Bengbu Power Supply Company, Bengbu, Anhui 233000, China)

0 引言

近年來，隨著變電站高壓開關柜的普遍應用，高壓開關柜內部異常放電，帶來的設備事故越來越多，給電網安全運行帶來諸多隱患。尤其是35千伏開關柜，更是因為內部絕緣受潮、老化造成絕緣下降，進而引發設備短路事故[1]?，F階段，高壓開關室的維護系統只有空調和除濕機，用于開關室環境的調溫和調濕。對于開關柜內部初始、隱形放電故障，沒有預先發現和檢測系統，只能憑值班員現場運行經驗，耳聽鼻嗅來間接判斷，隨著巡視周期的延長，對內部放電異常不能夠及時發現，造成設備事故。

1 研究方向

高壓放電產生臭氧。電暈高壓放電法產出臭氧的原理是兩個平行的高壓電極之間平行放置一個介電體[2]，并保持一定的放電間隙，當在兩極間通入高壓交流電時，在放電間隙，形成均勻的藍紫色電暈放電，空氣或氧氣通過放電間隙，氧分子受到電子的激發獲得能量，并相互方式彈性碰撞，聚合成臭氧分子。

初始放電故障判斷原理。針對高壓開關室內環境異常會有的一些前期現象，如柜內異常放電的初始階段會產生大量的臭氧[3]、空調或除濕機故障導致的溫濕度異常等，本預警系統是基于開關室內環境實時檢測技術，通過各類型探頭實時讀取室內環境參數，并根據實驗和現場測試情況設置準確的預警值，用于區別環境的正常情況和異常情況，系統自動檢測并通過移動網絡，向后臺運維班組和管理人員發送告警信息，及時安排帶電檢測進一步確認內部故障情況，進而采取必要手段防范設備事故的發生。

2 系統功能概述

2.1 臭氧濃度檢測

目前世界上通用的臭氧深度檢測設備按照原理主要分為：紫外吸收型、半導體氣敏傳感器型、電化學傳感器[4]型以及化學變色型四種。該研究采用的是電化學原理型，該型傳感器具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命，廣泛應用于許多靜態與移動應用場合。通過在開關柜中安裝臭氧檢測傳感器探頭，該傳感器采用電化學原理，即傳感器是一微型燃料電池，由工作電極、對電極、參比電極、電解液和電路系統等部件構成。工作電極和參比電極之間能保持一個恒定的電位值，當臭氧擴散進入傳感器時，在工作電極發生還原反應，對電極發生氧化反應，對電極和工作電極之間形成微小的電流，此電流與進入傳感器的臭氧濃度一定范圍內成正比，最后通過電路系統處理，計算出臭氧含量[5]。為方便檢測與監控，使儀器測試人員及用戶能夠直觀地觀察到環境中的可燃煙霧濃度值，可將濃度值送到顯示屏中。方便調節報警限，可以加入按鍵。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環境中聲音報警的局限。

2.2 信號轉換

傳感器采用的是模擬器輸出，即輸出的為電流強度，如何將模擬量轉換為濃度值，并且對該濃度數值做到可控、可預警，成為本次系統研究的棘手問題；通過多次的選型和測試，最終項目采用了工業級測控器設備，該型設備集成了RS485模擬量信號輸入、可配置的數值轉換公式、GSM無線模塊[6]、可編程的模塊化系統設計，最終實現了信號輸出轉換、越值預警提醒、遠程維護。

測控器的模擬量接線采用二線制，由DC和信號輸入組成，接線示意圖如圖1所示：

圖1 傳感器與測控器接線示例Fig.1 Example of connection of sensor and measure and control device

通過實時接收傳感器輸出的電流強度，通過以下換算公式將電流強度換算為臭氧濃度：濃度=（電流值-4）/（20-4）×量程。

2.3 管理模塊

臭氧預警系統探頭所在的變電站具有距離遠、分布散、無人值守等特點，因此當前端探測點部署后，如何能實現集中式預警以及對系統各設備的集中管理和維護成為系統需要考慮的重點問題。

為此在設備選型時重點考慮設備的自管理和接入遠程管理的能力，設備配置了預警發送手機卡以及管理員手機號碼，管理員可通過手機短信的形式發送遠程指令至預警手機卡，系統接收遠程指令后通過判斷源號碼是否為管理員手機號決定指令是否有效，當指令有效后再交由后臺模塊執行指令并返回執行結果。如圖2所示。

后臺管理軟件支持的短信指令多達242項，涵蓋設備管理、數據管理、輸入輸出量管理等多個方面，從而實現遠程設備的可控、可管理。

2.4 可擴展性

當傳感器規模部署時，測控器支持的遠程通訊模塊可依托電力內部數據傳輸網構建設備監控網絡，使各型設備可通過設備監控網絡實行統一認證管理。

測控器采用統一的標準協議，可支持RS482、232等工業控制信號向TCP協議轉換，從而為后續各變電站增加其他監控或工業設備提供傳輸接入和管理功能。

因其電氣接口標準，極易與其他工控設備連接，對各種使用環境現場數據進行監測與報警，本設備支持通過短信進行報警與數據查詢，也可以通過GPRS無線網絡，將數據實時的傳送給中心測控程序。由多個測控器與中心測控程序組建的遠程測控系統，可滿足同時對多個分散廣、距離遠、無人值守的遠程監控點的測控需求。如圖3所示。

圖3 測控器后臺管理平臺Fig.3 Control platform management platform

3 系統體系結構

通過在開關室中安裝探頭監測室內臭氧濃度和溫濕度[7]，探頭可設置報警的閥值，當超出閥值后[8]，由探頭產生報警脈沖信號并傳輸至測控器[9]，由測控器觸發預警信息并由內置的通信模塊往監控人員終端下發預警短信。如圖4所示。

圖4 架構圖Fig.4 Architecture diagram

3.1 預警系統

3.1.1 探測系統

（1）對高壓開關柜內部異常能夠及時探測并觸發預警信號

（2）配合檢測開關室空調、除濕機運行工況

（3）對開關室的有害氣體的在線檢測

3.1.2 預警系統

（1）接收前端探頭的預警信號

（2）根據探頭檢測數值換算成臭氧濃度含量

（3）達到告警值生成預警信息并下發

（4）支持GSM、CDMA網絡，可向移動、電信、聯通手機發送預警信息

3.2 預警系統層級

智能變一二次方式隱患排查技術研究與應用系統基于J2EE平臺[10]，采用B/S軟件架構，總體上分為數據層、應用層和展現層3層。① 數據層。數據層主要負責系統運行的基礎數據存儲，主要包括：電網一次設備信息、二次設備與監控信號信息、一次運行方式的電網二次系統告警信息。② 應用層。應用層基于數據層完成系統的基本功能搭建，主要包括：電網一次、二次設備與監控信號關聯建模，二次壓板與告警信息自動辨識，檢修方式跟蹤建模，電網仿真。③ 展現層。展現層提供各類分析界面，可以通過圖形的方式展示分析結果和查看報告。

4 主要解決的關鍵問題

（1）臭氧濃度實時監測

對于開關柜內部初始、隱形放電故障，沒有預先發現和檢測系統，只能憑值班員現場運行經驗，耳聽鼻嗅來間接判斷[3]，隨著巡視周期的拉長，對內部放電異常不能夠及時發現，容易造成設備事故。

通過臭氧檢測預警系統的研發和部署，能夠實時對開關柜環境進行監測，檢測室內臭氧濃度，后續還可監測其他有害氣體的濃度含量，后臺管理人員可隨時調用查看濃度數值，制定巡檢優先級和針對性檢查提供精準數據。

（2）數據記錄和存儲

預警系統設備具備數據存儲功能，可對日常記錄數據本地及異地存儲；通過對數據的對比和分析，可為故障原因分析提供有力的數據支撐。

（3）異常情況及時預警

高壓開關柜內部初始放電預警系統，在開關室內建立多探頭、實時檢測的氣體、環境分析系統，及時發現并判斷開關柜內部高壓設備異常放電故障，并通過無線通訊模塊向多個后臺管理人員提供短信預警，為運檢人員及時處置、消除設備隱患提高技術支持。

5 結語

在開關室內建立多探頭、實時檢測的氣體、環境分析系統及時發現并判斷開關柜內部高壓設備異常放電故障，為運檢人員及時處置，消除設備隱患，提高技術支持。提出基于傳感器監控模擬量信號與電壓值換算的綜合判斷環境實時檢測方法，實現開關柜環境實時、遠程檢測。提出基于傳感器檢測技術的開關柜環境數據信息異常綜合辨識方法，實現通過環境變化預判安全隱患智能排查。

系統建成后預警信息能及時通知維護人員，因此系統須具備準確檢測功能，系統能夠自動分析環境變化，具備環境檢測靈敏度高、抗干擾能力強，防止誤預警。系統能夠精準讀取開關室內各環境參數，并根據讀數分析室內環境是否有異常。

[1] 任海鵬, 王軒. 電力電子變換器切換控制方法綜述[J]. 新型工業化, 2017, 7(10): 20-31.REN Hai-Peng, WANG Xuan. Review of Switching Control Methods for Power Electronic Converters[J]. The Journal of New Industrialization,2017, 7(10): 20-31.

[2] 唐武勤, 黃璐, 方超文, 等. 一種新型電力系統穩定器的控制方法[J]. 新型工業化, 2017, 7(4): 55-61.TANG Wu-qin, HUANG Lu, FANG Chao-wen, et al. Research on Spacecraft Braking Energy Management Technology [J]. The Journal of New Industrialization, 2017, 7(4): 55-61.

[3] 楊波. 高壓開關柜局部放電狀態的監測及評估[J]. 電工技術, 2017(10): 1-2.YANG Bo. Monitoring and evaluation of the state of partial discharge in high voltage switchgear [J]. Electric Engineering, 2017(10): 1-2.

[4] 劉云鵬, 王會斌, 王娟, 等. 高壓開關柜局部放電UHF在線監測系統的研究[J]. , : 15-17.LIU Yun-peng, WANG Hui-bin, WANG Juan, et al. Research on On-line Partial Discharge UHF Monitoring System for High Voltage Switchboard[J]. High Voltage Apparatus , : 15-17.

[5] 謝成榮, 張仁愉, 許鋒. 分布式開關柜局部放電檢測系統構建分析[J]. 科技經濟導刊, 2015(18): 73-74.XIE Cheng-Rong, ZHANG Ren-yu, XU Feng. Construction and analysis of partial discharge detection system for distributed switchgear[J].Technology and Economic Guide, 2015(18): 73-74.

[6] 張振國. 高壓開關柜溫度在線監測系統設計[D]. 太原：太原理工大學, 2013.ZHANG Zhen-guo. Design of on-line temperature monitoring system for high voltage switchgear[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2013.

[7] 宋占鋒. 變電站高壓開關柜溫度在線監測系統的設計與實現[D]. 上海：華東理工大學, 2013.SONG Zhan-feng. Installation of on-line temperature monitoring system for high voltage switchgear in Substation[D]. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2013.

[7] 陳煒. ZigBee技術在高壓開關柜溫度監測中的應用[J].河南科學, 2013, 31(8): 1205-1207.CHEN wei. Application of ZigBee technology in the temperature monitoring of high voltage switchgear[J]. Henan Sciences, 2013, 31(8): 1205-1207.

[7] 陳潤先. 高壓開關柜溫度監控的運用[J]. 山西煤炭管理干部學院學報, 2015, 28(3): 190-191.CHEN Run-xian. The application of temperature monitoring for high voltage switchgear[J]. Journal of Shanxi Coal-Mining Administrators College, 2015, 28(3): 190-191.

[8] VLASE S, DUTA M, POPESCU S, et al. Local monitoring system of the permissible temperature for the medium voltage metal-enclosed switchgear and control gear[C]//International Symposium on Electrical and Electronics Engineering. IEEE, 2010: 311-313.

[9] REIDA J, JUDD M D, DUNCAN G. Simultaneous measurement of partial discharge using TEV, IEC60270 and UHF techniques[C]//Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation. IEEE, 2012: 439-442.

[10] HOSHINO T, KOYAMA H, MARUYAMA S, et al. Comparison of sensitivity between UHF method and IEC 60270 for onsite calibration in various GIS[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(4): 1948-1953.