一種新型的開關柜局放在線監測系統研究

韓 捷 孫奇珍 黨衛軍

（廣州供電局有限公司黃埔供電局，廣東廣州510700）

0 引言

目前已經廣泛應用于電力系統中的10 kV、35 kV高壓開關柜成套設備，是電力系統中非常重要的電氣設備，它的可靠運行直接關系到電力系統供電的電能質量及可靠性。開關柜在長期運行過程中，絕緣會出現老化或劣化，進而引發局部放電現象，而對開關柜進行局部放電檢測能夠有效地發現其內部早期的絕緣缺陷。

配電網開關房由于數量較多、分布較廣，其運行環境及運行數據處于無監控狀態，主要存在以下問題：

（1）配電網開關房數量眾多，地理位置分散，在目前運維人力、物力有限的情況下，巡檢周期長，存在巡檢盲區、監控缺失等問題；

（2）僅依靠人工定期巡檢的傳統模式，運維效率較低，無法形成有效的過程數據記錄和過程分析。

基于以上存在的問題，研制了一套開關柜局放智能實時監控系統，該系統以網絡化和IP單元化為框架，可通過PC機、智能手機或者其他可連入Internet網絡的智能設備，對整個站點的開關柜局放進行在線監測，并對局放量超標的開關柜進行實時報警。運用這套系統，從長遠上可以減輕工作負擔、提高工作效率、增加工作效益，這對于提高電網運行水平，促進檢修模式的轉變以及狀態檢修的完善具有重要意義。

1 目前開關柜局放測量方法分析

現有開關柜設備局部放電監測方法有脈沖電流法、特高頻法、暫態地電壓法、超聲波法等多種方法，這些測量方法各有優缺點。

（1）脈沖電流法具有分辨率高、抗干擾能力差，很難進行現場在線監測的特點；

（2）特高頻法（UHF）具有較強的抗干擾性及較高的靈敏度，但無法對測量數據進行量化分析，只能進行趨勢判斷，另外特高頻傳感器主要采用內置安裝的方法，現場使用不方便；

（3）暫態地電壓法（TEV）能夠實現良好的檢測靈敏度及局放定位，但受制于設備精度，分辨率不高，另外暫態地電壓法對脈沖的變化速度比較敏感，比較適合介質內部放電；

（4）超聲波檢測法（AE）基本不受電氣上的干擾，且多個超聲波探頭可以實現局放電源定位，但由于開關柜內部絕緣結構復雜，加上超聲波的衰減和折反射，使得有些絕緣內部的局部放電可能無法被檢測到。

本系統根據以上測量方法的優缺點進行了相關測量方法的整合，建立了一套開關柜局放智能實時監控系統。

2 系統結構設計

本套開關柜局放綜合在線監測系統由監測前端、客戶終端、站內服務器三者融合構成。本系統分為兩種測量模式：在線監測模式和帶電監測模式。在線監測模式是本系統的主要運行模式，由監測前端、客戶終端、服務器三者利用廣域無線網（聯通3G網絡和Internet網絡）形成在線監測網絡架構；帶電監測模式類似于目前的帶電巡檢系統，用戶只要用具有3G通信功能的移動設備，就可以直接與監測前端通信，直接獲取測量數據。

智能監測前端由開關柜局放監測匯控柜（以下簡稱“前端匯控柜”）和多個監測單元構成，前端匯控柜內置了無線局域網（WiFi）模塊和廣域無線網（聯通3G）模塊，還預留了有線網絡端口；各前端監測單元基于功耗及體積考慮只內置了無線局域網（WiFi）模塊；站內服務器內部集成了廣域無線網（聯通3G）模塊和通用無線網卡（連入Internet網絡）。

當處于在線監測模式時，前端匯控柜通過WiFi無線網絡讀取一個或多個前端監測單元的數據；站內服務器通過3G無線網絡讀取一個或多個前端匯控柜的數據；客戶終端使用PC、手機、PAD等設備可以通過Internet網絡登錄站內服務器獲取相關數據。當處于帶電監測模式時，客戶終端使用PC、手機、PAD等設備的3G功能讀取前端匯控柜的相關數據。

開關柜局放綜合監測系統通信示意圖如圖1所示。

圖1 開關柜局放綜合監測系統通信示意圖

3 系統前端設計

智能監測前端由前端匯控柜及IP化的前端監測單元構成，局放監測匯控柜通過無線局域網（WiFi）與一個或多個前端監測單元通信。根據局放測量模式的不同，前端監測單元可分為AE局放監測單元、UHF局放監測單元、TEV局放監測單元及HF局放監測單元等。每一個監測單元內部都含有特定的傳感器和監測電路，目前最常用的監測單元是AE局放監測單元、UHF局放監測單元及TEV局放監測單元，監測單元后續可以擴展。

監測單元采用了把傳感器和信號調理電路整合在一起的模式，同時在設計時考慮了開關柜及GIS設備的外形及尺寸，使得監測單元能夠輕松地綁附或吸附在被檢設備上長期獨立工作。由于現有的監測單元通常具有多個傳感器通道，往往使得監測單元體積過大、重量過重。而本系統中的監測單元通常內含一個傳感器，另外通過提高電路集成度、降低運行功耗，大大縮小了監測單元的體積和重量。監測單元有鋰電供電和外部電源供電兩種方式，以便適應不同的工作環境。另外，配置的鋰電池根據監測單元內部的結構獨立設計，以便增加鋰電池容量，提高系統獨立工作的持續性。測試示意圖如圖2所示。

圖2 GIS測試示意圖

監測單元底座，采用可拆卸的方式設計，可拆卸的底座材料采用強磁材料制作，不同的試品采用不同的底座，以便監測單元能牢牢地吸附在被試品上。

監測單元調試完成后，在監測單元內部灌封環氧膠，以加強監測單元牢固性。

外形結構圖如圖3所示。

圖3 監測單元底座結構圖

由于局放傳感器接收到的都是極微弱的信號，因此監測單元采用雙屏蔽設計。一般情況下，在線監測干擾因素主要來自于外界電磁場，因此屏蔽結構設計主要應針對電場和磁場干擾來考慮。電磁場屏蔽的效果與材料、厚度、電磁波頻率及干擾源離屏蔽體的距離等有關。對電場干擾的屏蔽，通常采用高電導率、低磁導率的銅材或者鋁材作為屏蔽材料，對磁場的屏蔽要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼、不銹鐵等，因此在監測單元內對傳感器及信號調理電路包裹了2 mm厚的鋁材和不銹鐵來分別屏蔽電場和磁場干擾。

監測單元橫截面圖如圖4所示。

圖4 監測單元橫截面圖

3.1 AE局放監測單元

超聲波（AE）局放監測單元能接收局部放電所產生的超聲波信號，采集到的超聲波信號可通過一系列的電路實現對信號的放大、濾波和A/D轉換，最后經由DSP數字信號處理器進行傅里葉計算，得出所需的局放量。整個監測單元包括超聲波傳感器、低通濾波放大器、高通濾波放大器、A/D采集模塊、DSP信號處理模塊、WiFi模塊及鋰電充放電系統等。

系統結構圖如圖5所示。

圖5 AE局放監測單元系統結構圖

3.2 UHF局放監測單元

UHF局放監測單元主要包括超高頻天線傳感器、濾波放大單元、檢波電路、高速采集單元和無線WiFi單元等。超高頻傳感器接收高壓開關柜局部放電產生的超高頻信號，并將其轉換成微弱的電壓信號，然后送至超高頻放大電路，放大電路將微電壓信號進行低噪聲放大，并將放大后的信號送入超高頻濾波電路和檢波電路。監測單元中的檢波電路為包絡檢波，利用檢波電路可以從高頻載波信號中取出低頻的調制信號，濾除信號的超高頻分量，僅保留信號的包絡峰值和峰值對應的相位，后續電路只需要提取信號的包絡進行處理，大大減少了數據儲存深度和處理難度。經檢波電路等處理得到的信號送入DSP單元中進行相關計算。

系統結構圖如圖6所示。

圖6 UHF局放監測單元系統結構圖

3.3 TEV局放監測單元

TEV局放監測單元主要包括電容耦合傳感器、放大電路、積分及濾波電路、A/D轉換電路、DSP高速采集模塊和無線WiFi模塊。在實際運行中，電容耦合傳感器接收高壓開關柜局部放電產生的暫態地電位信號，由于采集到的TEV信號非常短，且非常微弱，因此需要先將此信號經過放大、積分及濾波處理，然后將此信號送入高速A/D轉換電路由DSP高速采樣系統進行采樣。最終結果由無線通信模塊發送給開關柜局放監測匯控室。

TEV局放監測單元內部結構圖如圖7所示。

圖7 TEV局放監測單元系統結構圖

3.4 開關柜局放監測匯控柜

開關柜局放監測匯控柜，內置ARM9工控機，可以通過無線局域網（WiFi）與多達254個局放監測單元通信，通過獲取不同頻段的局放量可以綜合分析開關柜的放電狀況，一旦放電量超標，就會觸發報警信號。同時ARM9工控機配備7寸顯示彩屏，通過觸摸操作可以任意查看與匯控柜關聯的監測單元的局放圖形。匯控柜內置3G通信模塊，可以與站內服務器和客戶端通信，站內服務器和客戶端都可以通過移動3G網絡獲取匯控柜內的局放數據，甚至調出某一個或多個監測單元的圖形。

開關柜局放監測匯控柜內部結構圖如圖8所示。

圖8 開關柜局放監測匯控柜內部結構圖

4 站內服務器、客戶端及其軟件系統

站內服務器主要獲取前端匯控柜的局放數據，可以實時查閱任意一個監測單元的實時數據，在站內服務器內部建有數據庫及專家圖譜，當懷疑有異常局放數據時，服務器會自動與內部的專家圖譜比對，得出放電類型甚至是放電位置。同時為了方便外部客戶端的訪問，服務器內部建立有一個WEB網絡服務器，供外部客戶端進行訪問。

4.1 服務器軟件概述

站內服務器上的測控軟件作為系統的控制管理核心，組態任務、過程控制協調和試驗數據處理是其主要任務。

測控軟件具有如下核心模塊：通信管理模塊、任務組態模塊、數據分析處理模塊、數據存儲模塊、自檢模塊等。

4.2 服務器軟件主要特點

4.2.1 通信管理功能

（1）聯網形式多樣：可以選擇有線網絡或者是無線廣域3G模式。

（2）網絡管理靈活：可以設置任意一個前端測量模塊的IP地址，以方便管理。

（3）網絡安全性高：具備身份識別功能，排除非法主體通信入侵。

4.2.2 軟件檢測功能

（1）檢測內容豐富：具有檢測時域信號的峰值、有效值、相位、放電類型、放電次數等參量的功能。

（2）檢測實時性強：服務器軟件具備連續實時、同步檢測多個前端監測單元局放數據的功能。

4.2.3 軟件分析功能

（1）分析功能種類全：數據庫中存儲了周期圖譜、統計圖譜、趨勢圖譜、頻率圖譜、能量圖譜、PRPD圖譜、噪聲圖譜等多種分析圖譜；具備局部放電趨勢分析功能，能實現放電量值的預測，提前預警。

（2）具備遠程分析功能：通過廣域網絡實現遠程在線監測、運行分析。

4.3 典型圖譜的建立

系統數據庫中存儲著諸多有典型放電特性的放電圖形，當用戶查看放電數據圖譜時，系統會自動跳出與目前放電圖譜最相近的放電圖形，以便用戶排查干擾源。圖9～圖11是幾張典型的干擾信號放電圖。

圖9 尖端放電典型圖譜

圖10 自由顆粒放電典型圖譜

圖11 懸浮放電典型圖譜

4.4 最終結果輸出

最終輸出給用戶的圖標，以最簡潔易懂的表格形式輸出，當用戶對異常數據有懷疑時，可以點擊出現異常數據的監測單元，查看具體放電波形，如表1所示。

表1 系統輸出圖標

5 結語

基于不同原理的開關柜局放測量方法，各有其不同的測量頻段，任何一種監測手段都不能完全地覆蓋所有故障類型，因此，本文所述系統在掌握故障模式及監測技術原理的基礎上，將多種檢測技術和以往經驗有效融合，能有效地把握設備的運行狀態。

另外，本系統將監測單元傳感器和信號調理電路融合的方法，能有效消除外界干擾，提高測量精度。