變電站母線接頭放電發(fā)熱故障監(jiān)測裝置研究

王成學(xué)，胡晉華，李然，劉瑜，孔飛飛，高杰玲，譚萍萍

（國網(wǎng)重慶市電力公司合川供電分公司，重慶,401520）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，企業(yè)和居民對用電要求越來越高，變電站母線作為電網(wǎng)匯集和分配電能的路徑，是電力輸送的中堅力量。由于變電站母線接頭節(jié)點在長期運行環(huán)境下，會出現(xiàn)熱脹冷縮、表面結(jié)垢、氧化或腐蝕，接點松動接觸不良，出現(xiàn)局部放電或發(fā)熱故障，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致火災(zāi)等重大安全事故[1]。傳統(tǒng)的定期人工巡視方式存在著手段單一，無法直接觀察等諸多問題，達不到及時防護和現(xiàn)場制止的作用，對由于母線接頭放電過熱故障而引起的火災(zāi)或運行過程中的不安全隱患較難及時發(fā)現(xiàn)。母線接頭放電過熱故障除了造成電能傳輸受阻之外，嚴(yán)重時還可能造成設(shè)備跳閘、減供負(fù)荷、甚至變電站停止供電等后果。因此為了保證變電站供電的正常運行，促進工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，研究一種高效、可靠、低功耗的變電站母線接頭放電、發(fā)熱等故障在線監(jiān)測裝置已迫在眉睫。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及介紹

變電站母線接頭放電發(fā)熱故障在線監(jiān)測裝置是集太陽能取電、母線故障檢測，無線通信及信息網(wǎng)絡(luò)等一體化的自動高效監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。探測器通過高靈敏度的紫外線探頭和紅外溫濕度傳感器，能實時準(zhǔn)確地在線監(jiān)測母線接頭節(jié)點的工作狀態(tài)，在通信鏈路的基礎(chǔ)上，并將所捕捉到的電信號、溫濕度信號、紫外信號等信息傳輸?shù)街行南到y(tǒng)，信號接收終端對信息進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、算法分析、拓?fù)溆嬎悖鞔_故障點。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 軟硬件設(shè)計

2.1 紫外線探頭

通過探測母線接頭節(jié)點放電所產(chǎn)生的紫外線來探測發(fā)熱故障，傳感部件選用技術(shù)先進的紫外光敏管。特制的UV可以檢測到放電過熱產(chǎn)生的火花，中央處理器根據(jù)通過接受管轉(zhuǎn)化的高低變化的電平信號做出相應(yīng)的程序處理。

2.2 紅外溫濕度傳感器

利用輻射熱效應(yīng)，傳感器輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號，當(dāng)母線接頭與環(huán)境之間存在溫度差時，從而檢測出母線接頭的溫度。

2.3 供電模塊

根據(jù)國家電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，采用太陽能、鋰電池與超級電容的雙重供電模式。在正常工作情況下采用太陽能供電，并且同時可以給鋰電池等后備電源進行儲能；此外，在太陽光照不足或者在陰雨天的狀況下才開啟后備電源供電。

2.4 智能控制模塊

為了進了一步處理模擬和數(shù)字信號，本裝置采用了STM32單片機來進行邏輯運算。它具有高級的中斷系統(tǒng)響應(yīng)和強大的計算性能，能夠為MCU數(shù)據(jù)處理提供低成本的平臺。通過傳感器采集的模擬信號，經(jīng)過處理器本身的高精度ADC轉(zhuǎn)換芯片對傳感器監(jiān)測參量進行快速采樣得到實時的數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器進行相關(guān)處理后進行實時顯示。

2.5 GSM/GPRS遠(yuǎn)程與LORA無線射頻通信

通過GSM/GPRS/LORA等通信方式，可以實現(xiàn)預(yù)警模塊與專職人員的信息交互，專職人員可通過主動發(fā)送指令，獲取變電站母線接頭的運行情況，包括溫度峰值、溫升率、弧光信號強度；當(dāng)監(jiān)測出現(xiàn)放電及發(fā)熱故障時，預(yù)警模塊主動發(fā)送報警定位信息，提示專職人員現(xiàn)場核實排查。

3 基本工作原理

3.1 裝置電氣接線

傳感器采集到的模擬信號通過ADC端口傳輸至STM32核心主板進行邏輯運算并輸出，GSM/GPRS模塊和Lora模塊通過RX/TX串口讀取輸出信號，用于實現(xiàn)單片機信號與中心系統(tǒng)之間的通信；通過電源轉(zhuǎn)換模塊為紅外溫濕度傳感器、高靈敏度紫外線探頭以及單片機等傳感器件供電，本裝置的電氣連接圖如圖2所示。

圖2 電氣連接圖

3.2 工作方式

如圖3所示，本裝置的工作方式1為監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢模式，即：傳感器實時監(jiān)測母線接頭附近的溫濕度信號、紫外信號以及電流信號，單片機讀取傳感器信號，單片機將上述讀取的監(jiān)測數(shù)據(jù)及故障分析結(jié)果發(fā)送至無線通信單元；專職人員可以通過配對好的手機及PC端實時查詢中央處理器存儲的傳感器數(shù)據(jù)及故障分析結(jié)果。

圖3 工作方式1

如圖4所示，本裝置的工作方式2為故障報警模式，即：傳感器實時監(jiān)測變電站母線接頭附近的溫濕度信號、紫外信號以及電流信號，單片機讀取傳感器信號，開展故障分析識別，包括放電故障預(yù)警分析、發(fā)熱故障分析；通過故障分析識別運算，判斷是否發(fā)生了過熱故障，如果存在發(fā)熱故障，則通過GSM/GPRS模塊和LORA模塊向中心系統(tǒng)發(fā)送故障報警信號；如果不存在發(fā)生過熱故障，則判斷是否存在放電故障，如果存在則通過無線通信模塊向中心站發(fā)出故障預(yù)警信號；如果不存在發(fā)熱故障，傳感器則繼續(xù)實時監(jiān)測并傳送信號至單片機進行數(shù)據(jù)處理，如此循環(huán)往復(fù)。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計和研制變電站母線接頭節(jié)點放電發(fā)熱故障實時監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)δ妇€接頭節(jié)點狀態(tài)進行實時監(jiān)測并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，對有告警的母線接頭節(jié)點提前進行檢修，避免母線接頭損壞，減少因事故引起的停電范圍，防止越級跳閘等較為嚴(yán)重的后果。這不僅使檢修人員及時了解變電站母線接頭節(jié)點的運行狀態(tài)，特別是早期故障的判斷與分析，而且為設(shè)備運行及維修提供更直觀、更有效的依據(jù)，全面實現(xiàn)母線的狀態(tài)維護，避免因過度維護或維護缺乏而造成人力、物力、財力浪費。

圖4 工作方式2