基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統

鄧錦培

摘 ?要：針對高壓開關柜局部放電問題，該文提出一種基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統，在每個開關柜上都安裝超高頻局部放電傳感器，傳感器通過通信電纜與局部放電智能監測儀相連，監測儀通過物聯網網關以APN方式連入電力專網，接入后臺數據采集服務器。監測儀對每個通道上的局部放電信號進行實時采集、分析。如發生報警，通過物聯網網關將報警信息發送至后臺數據采集服務器，由服務器在配電監控中心的地理信息系統上顯示，并將報警信息推送至相關負責人的手機上，從而及時發現放電現象并處理，減少因放電造成的危險和危害發生。

關鍵詞：物聯網;局部放電;在線監測;超高頻;開關柜

中圖分類號：TM591 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 高壓開關柜監測設備現狀

隨著社會生產力的飛速發展，開關柜在電力系統中的應用越來越廣泛， 但是當開關柜在長期運行的過程中，高壓開關柜及其內部高壓設備（斷路器、PT、CT、母排、電纜接頭等）不可避免地受到電、熱、機械和環境等各種因素的影響，發生局部放電現象，甚至發生各種故障，引起局部乃至大面積停電，造成巨大的直接或間接的經濟損失。其部分危險情況如圖1與圖2所示。

高壓開關柜中引起局部放電的主要原因有導體、外殼內表面上的金屬突起，常常是由于制造和安裝時金屬表面有較尖的毛刺。絕緣介質的缺陷、老化和表面的污穢造成絕緣內部或表面出現局部放電。高壓母線連接處、開關電路觸頭接觸不良或斷路器觸頭接觸不良造成局部放電。高壓設備里的可以移動的金屬微粒主要在制造、裝配和運行中產生，當靠近高壓導體并未接觸時，就很可能導致放電。

目前國內外開關柜局部在線監測方法主要分為脈沖電流法、超聲波法、特高頻法和暫態對地電壓法。其中，最典型的當屬超聲波檢測法、化學檢測法和超高頻局部放電檢測。

該文基于超高頻局部放電檢測，創新性地提出一種基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統。通過物聯網網關將報警信息發送至后臺數據采集服務器，由服務器在配電監控中心的地理信息系統上顯示，并將報警信息推送至相關負責人的手機上，從而及時發現放電現象，增強電力事故預防能力，提高整個電網的安全運行水平。此外能夠大大減少人工檢測工作量，降低運維成本。

2 基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統

該文開發的基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統，即GZPD-01型局部放電在線監測系統。通過HFCT脈沖電流傳感器采集高壓母線上流動的高頻脈沖電流信號，送入采集和數據處理單元對信號進行過濾，分離外界干擾，通過對信號進行高頻分量分析，即可確定開關柜內是否有放電現象，及放電的嚴重程度，然后通過分析軟件采用公眾智能獨有同步采樣和定位專利技術，可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準確地監測到故障點位置。通常每個開關柜配置一組局部放電采集器和局放傳感器，每臺GZPD主機最多可監測100臺開關柜。其系統結構圖分別如圖3和圖4所示。

GZPD型局部放電在線監測系統適用于10 kV及以上電壓等級開關柜及其內部高壓設備的局部放電在線及離線監測，能實時顯示各個監測點的局部放電幅值、頻次、確定放電點相對位置，必要時發出報警。并能存儲譜圖、放電趨勢，從而及時發現開關柜的絕緣缺陷，并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據，為開關柜的檢修工作提供依據系統最小測量放電幅值為2pC，放電脈沖的時間分辨率為10 us，相位分辨率為0.18°。系統提供工頻周期放電圖、二維譜圖、放電趨勢圖等。系統采用模擬濾波、脈沖分組、周期脈沖剔除、設置動態閾值等綜合抗干擾措施，使測試數據真實可靠。

圖5為GZPD-01型局部放電在線監測系統的主界面，圖6為GZPD-01型局部放電在線監測系統歷史數據查詢界面。

GZPD系列局部放電在線監測系統具有5個特點。1）對放電信號特定頻帶進行提取，可實現對于配電站中常見干擾信號的有效抑制。進而可以有效確定是高壓設備處放電還是外部干擾信號。2）異常報警功能。可根據局部放電嚴重程度給出不同的報警級別（預警、一般性缺陷、嚴重故障）。3）所有終端同步采集技術，最多同步采集100個傳感器數據。采用該技術可實現系統所有傳感器在同一時刻進行同步采集。4）采用了其他國內外廠家都不具有的“異常周期數”統計法，可排除開關操作造成的瞬時脈沖沖擊干擾。開關操作產生的沖擊電磁波一般在個別工頻周期只出現1～5次，并且這種異常周期都比較單一，通過統計這種異常周期數即可判別是開關操作還是局部放電信號。5）所有傳感器采用單根數字總線和供電一體化多芯電纜進行連接，具有最小化的布線數量，極大減少在開關柜上的走線數量并降低復雜程度，將監測設備對原設備的影響降到了最低。

2.1 局部放電采集器

該文的局部放電采集器采用嵌入式高性能處理器，在保證高速采樣的同時，大幅降低了系統功耗，其樣式圖如圖7所示。各臺數據采集裝置通過RS-485總線和Modbus-RTU協議組網，遠程通信。公眾智能專利的同步采樣技術的使用，使多達100臺的設備可以在同一時刻進行局放信號采集，并且使橫向比較各個設備的健康狀況成為可能。各局放采集器采用供電通信一體化的多芯電纜進行串行連接，極大地簡化了現場布線。表1為局部放電采集器技術指標。

2.2 VHF天線傳感器

VHF天線傳感器是公眾智能為測量局部放電信號設計的安裝簡便、靈敏度高的局放測量傳感器。其樣式圖如圖8所示。該傳感器外殼采用鋁合金材料，外表采用氧化絕緣工藝處理，對開關柜內部空間30 MHz～400 MHz頻帶的局部放電電磁波信號有優越的響應性能，實現對開關柜局部放電信號的耦合。傳感器可直接安裝固定在開關柜電纜室或用磁吸安裝在開關柜內壁上。表2為VHF天線傳感器技術指標。

2.3 RS-485總線

RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，因此傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互聯時非常方便，可以省掉許多信號線。該文采用的RS-485總線的波特率為115 00 bPs）（可配9 600 bPs），數據位為8，校驗位為無，停止位為1。表3為RS-485總線中各線圈地址的含義，表4為RS-485總線中24通道的幅值與頻次，表5為0.1 下RS-485總線中24通道的寄存器地址。

3 結語

該文提出的基于物聯網的開關柜局部放電在線監測系統采用同步采集技術，通過HFCT脈沖電流傳感器采集高壓母線上流動的高頻脈沖電流信號，送入采集和數據處理單元對信號進行過濾，分離外界干擾，通過對信號高頻分量進行分析，即可確定開關柜內是否有放電及放電的嚴重程度，然后通過分析軟件采用公眾智能獨有的同步采樣和定位專利技術，可以定位以傳感器為中心的局放分布情況，從而比較準確地監測到故障點位置，并根據局部放電嚴重程度給出不同的報警級別（預警、一般性缺陷、嚴重故障），并通過物聯網網關將報警信息發送至后臺數據采集服務器，推送至相關負責人的手機短信，從而及時發現放電現象，增強電力事故預防能力，提高整個電網的安全運行水平。

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