基于泛在物聯網的高壓開關柜局放在線監測系統研究

陳卓 冀紅偉 張昊

摘要：高壓開關柜是一種電氣設備，其主要作用是對正在運行的發電、輸電、配電和電能轉換設備進行開合、控制和保護。高壓開關柜的正常運行是配電系統安全、可靠、經濟運行的重要保證。現針對電網10 kV及以上高壓開關柜存在的局部放電現象，介紹了高壓開關柜局放的主要類型、特征及監測原理，結合LoRa無線通信原理，設計了一套高壓開關柜局放監測系統，滿足了對設備進行實時監測的需求，既實現了高壓開關柜的遠程運維目的，又降低了設備運維成本。

關鍵詞：高壓開關柜;在線監測;局部放電;超聲波;地電波

0 引言

高壓開關柜（switch cabinet）是電力系統中數量最多且使用范圍極廣的一種開關設備。高壓開關柜在設計、制造、安裝和運行維護等方面容易出現不同程度的問題，尤其是在長時間運行后，其出現故障的概率比較高。在不同原因導致的高壓開關柜事故中，10 kV及以上電壓等級的開關柜更容易出現絕緣事故，造成的事故后果也更為嚴重。因此，迫切需要對10 kV及以上的高壓開關柜進行實時的狀態監測，根據設備運行實時在線監測結果，判斷設備的運行狀態和絕緣的劣化程度，從而確定檢修時間和檢修措施，以減少停電檢修時間，降低事故的發生概率，進而提高整個電力系統運行的自動化程度及安全可靠性。

高壓開關柜采用傳統的人工干預監測維護方法，需要安排人員檢查未知的不確定存在與否的問題，這種方法不但不可靠，而且相關成本也比較高，人工帶電巡檢的方式存在漏檢等問題。因此，對高壓開關柜的局部放電現象進行在線監測有著極為重要的意義。利用高壓開關柜局放在線監測系統，能夠確認高壓開關柜設備是否處于正常運行狀態，及時發現其絕緣中存在的薄弱環節，找出故障原因，并及時處理故障，能有效預防事故的發生，減少不必要的人力物力浪費，保障電力系統的安全、可靠運行。

1 理論及原理探究

1.1? ? 高壓開關柜局放的產生

局部放電是絕緣介質中產生的一種電氣類放電現象，這種放電通常限制于被測介質中，且往往發生在導體間的絕緣局部橋接處或導體鄰近位置。在強電場作用下，電力設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擊穿，但容易導致有機電介質的局部損壞。若電氣設備長期處于局部放電狀態，在某些特定環境下就會導致絕緣劣化，甚至擊穿。因此，對電力設備進行局部放電監測是電力設備運行中的一種重要預防性手段。

局部放電會伴隨產生各種電、光、聲、熱等現象，基于這些現象的原理性研究，產生了不同原理的局放監測技術。其中，常用的非電量監測方法有：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，局部放電監測技術也在不斷提高，目前采用較為廣泛的局部放電監測方法是聲電聯合的監測方法。事實證明，該方法能夠有效監測沿面爬電、表面放電、電暈放電、內部放電、尖端放電等多種類型放電現象。

1.2? ? 高壓開關柜局放的主要類型和特征

高壓開關柜的局放類型，按照位置不同可分為表面放電和內部放電;按照不同特征可分為持續放電和間歇放電。高壓開關柜局部放電的表現形式包括電磁波：HF、VHF、UHF、SHF;氣體生成物：氮化物、碳化物和氟化物;聲音、噪聲：可聞噪聲和超聲波;電流行波：高頻脈沖電流;光：紅外光、紫外光。

從頻域上看，高壓開關柜局放涵蓋從低頻到極高頻的各個頻段。

1.3? ? 高壓開關柜局放的監測原理

1.3.1? ? 超聲波（AE）原理

在產生局部放電現象之前，放電點的周圍介質應力、粒子力、電場應力處于相對平衡的狀態。

局部放電是一種電荷快速釋放或遷移的過程，導致放電點周圍的機械應力、粒子力與電場應力失去了相對的平衡狀態而產生振蕩變化的過程;粒子力與機械應力的快速振蕩，導致放電點周圍介質振動，從而產生超聲波的聲波信號，通過壓電轉換傳感器感應超聲波信號，達到監測的目的。

1.3.2? ? 地電波（TEV）原理

局部放電發生時，在集膚效應作用下，絕緣連接或金屬斷開處，電流波會向外表面轉移;電磁波上升沿碰到金屬外表面，產生暫態對地電壓（Transient Earth Voltage）。地電波的幅值大小與放電量大小及傳播途徑中放電量的衰減程度有關，同時也取決于放電點位置、故障裂痕的開口大小以及設備的內部結構。采用電容型地電波傳感器感應暫態地電波信號，達到檢測的目的。

1.4? ? LoRa無線通信原理

隨著物聯網技術的普及，低功耗的局域網通信技術LoRa日漸成熟，具備了在本項目中應用的條件。

LoRa技術標準是Semtech公司創建的一種低功耗無線局域網標準。遠距離無線電（Long Range Radio）簡稱LoRa，其最大優勢在于，在同樣的功耗條件下，比其他無線方式傳播的距離更遠，從而實現了低功耗和遠距離傳播的結合、統一，在同樣的功耗下，其通信距離比傳統的無線射頻增加了3～5倍。

LoRa技術的傳輸特性有：

工作頻率：ISM頻段包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等;傳輸距離：城鎮可達2～5 km，郊區可達15 km;容量：一個LoRa網關可以連接上千萬個LoRa節點;標準：IEEE 802.15.4g;調制方式：基于擴頻技術，是線性調制擴頻（CSS）的一個變種，具有前向糾錯（FEC）能力。

2 高壓開關柜局放在線監測系統設計與應用

本文基于以上背景及理論研究，開發設計了一套高壓開關柜局放監測系統，系統根據超聲波（AE）、地電波（TEV）兩種原理，支持高壓開關柜局放信號的在線監測，監測傳感器采用無源、無線工作模式，支持高壓開關柜不掉電安裝。

2.1? ? 系統框架

高壓開關柜局放監測系統由安裝在高壓開關柜上的超聲波及地電波兩種原理的局放監測傳感器、通過無線收集局放監測數據的數據集中器構成。

每個高壓開關柜安裝一個聲電混合的高壓開關柜局放傳感器，實現局放信息的采集和計算。

每個配電房安裝一臺數據集中器。

局放傳感器與數據集中器之間采用LoRa無線組網通信。

數據集中器通過RS485或以太網等有線網絡，將監測數據上傳給站端監測平臺，或通過加密無線通信方式，將數據上傳給PMS系統。

2.2? ? 現場施工方案簡介

高壓開關柜局放監測系統的現場施工安裝方案包括以下幾個步驟：

（1）聲電混合的高壓開關柜局放傳感器采用無源無線方式，直接吸附在高壓開關柜上，高壓開關柜無需掉電安裝;

（2）數據集中器采用AC220 V交流電供電，采用掛壁式安裝方式安裝在配電室內;

（3）數據集中器與聲電混合的高壓開關柜局放傳感器之間采用LoRa無線通信方式，空曠地帶的通信距離達1 km，適合小區域內分布的多個配電室的安裝布局。

2.3? ? 實施效果

高壓開關柜局放監測傳感器同時支持超聲波及地電波兩種監測原理，監測全面可靠，能實現高壓開關柜的可靠局放在線監測功能，彌補了傳統帶電檢測手段的不足;聲電混合的高壓開關柜局放傳感器采用無源無線工作方式，可實現高壓開關柜的不掉電安裝，不影響一次設備的正常運行。

基于泛在物聯網的高壓開關柜局放在線監測系統，目前已經在現場得到了實際安裝應用。監測裝置現場安裝圖如圖1所示。

高壓開關柜局放在線監測系統的穩定部署，實現了對高壓開關柜局放的7×24 h不間斷在線監測，通過局放在線監測系統平臺，能夠對高壓開關柜局放的歷史曲線進行查詢，預測局放故障趨勢，能夠及時識別出現故障的設備，以免故障處理不及時造成財產損失。正常高壓開關柜局放波形、故障高壓開關柜局放波形分別如圖2、圖3所示。

高壓開關柜局放在線監測系統的部署，能夠將常規的高壓開關柜計劃帶電檢測轉換為狀態檢修，通過不間斷在線監測及時發現有問題的高壓開關柜，從而有針對性地對疑似運行異常的高壓開關柜進行故障處理，節省了計劃帶電檢修的人員和費用成本。

3 結語

高壓開關柜采用傳統的人工干預的監測維護辦法，已經無法滿足對設備進行實時監測的需求，對高壓開關柜的局部放電現象進行在線監測有著極為重要的意義。利用高壓開關柜局放在線監測系統，能夠確認高壓開關柜設備是否處于正常運行狀態，及時發現其絕緣中存在的薄弱環節，找出故障原因，并及時處理故障，能有效預防事故的發生，減少不必要的人力物力浪費，保障電力系統的安全、可靠運行。

本文所提出的高壓開關柜局放在線監測系統支持超聲波（AE）、地電波（TEV）兩種原理的高壓開關柜局放監測技術，使得局放監測結果更加準確、全面。

高壓開關柜局放在線監測系統安裝更加便捷。高壓開關柜局放在線監測系統配置的傳感器具有小型化、易安裝的特點，方便現場布設或施工改造。超聲波及地電波高壓開關柜局部放電傳感器可以支持高壓開關柜不掉電安裝，不影響高壓開關柜的正常運行。高壓開關柜局放在線監測系統的實施，有效實現了高壓開關柜的遠程運維目的，降低了設備運維成本。

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收稿日期：2020-07-03

作者簡介：陳卓（1980—），男，河南鄧州人，工程師，研究方向：生產運行、輸配電及用電工程。

冀紅偉（1978—），男，河南鄧州人，高級工程師，研究方向：電力系統繼電保護。

張昊（1979—），男，河南鄧州人，工程師，研究方向：配電網運維檢修。