变电站开关柜局放在线监测系统的设计_林淳.pdf

/变电站开关柜局放在线监测系统的设计林淳（广东电网有限责任公司潮州供电局）摘要：为了提高变电站开关柜的运行稳定性，避免出现严重的局放故障，设计一种新的变电站开关柜局放在线监测系统。在系统架构的支持下，系统硬件设计局部放电监测模块、温湿度数据采集模块，并且为了提高传感器的信号采集质量，设计了放大器模块，通过通信模块将传感器采集的信号进行传输；系统软件部分通过监测 信号，完成开关柜局放的精准监测。实验结果表明，与传统的监测系统相比，所设计系统的数据采集精度明显提升，达到 左右，并且设计系统的监测结果与开关柜的实际放电程度完全一致。关键词：局放在线监测系统；数据采集；放大器；信号 引言随着电网规模的扩增，传统人工巡检的方式已经不能满足电力系统对于运行安全与稳定的要求。在计算机网络技术的支持下，可以通过变电站开关柜的检测，实现多级变电站的集中监控 。根据调查，开关柜的绝缘介质恶化的原因是在断路器发生故障中，而局部放电是造成断路器失效的重要原因。局部放电是局部过热、电气元件和机器元件的衰老的预兆，局部释放是随机的，会产生电脉冲、电磁辐射以及局部过热的情况。由于开关柜局放是造成其内部绝缘恶化的重要因素，所以对其进行局部放电测试，可以有效地防止突发事故，从而改善整个系统的运行稳定 。文献 提出通过电容耦合高频脉冲电流法进行局放监测，根据开关柜的脉冲电流数据，分析开关柜的运行状态，以及时发现开关柜存在的绝缘风险。文献 提出基于泛在物联网的开关柜局放在线监测系统，该系统以开关柜局部放电的类型为基础，分析局部放电的特征以及原理，通过 无线通信技术对采集的局部放电信息进行传输，完成开关柜局部放电的监测。以现有研究结果为基础，为了进一步提高变电站开关柜局部放电监测的可靠性，设计一种新的变电站开关柜局放在线监测系统。变电站开关柜局放在线监测系统此次设计的变电站开关柜局放在线监测系统主要由感知层、网络层、系统层三部分组成，系统组成如图 所示。图 变电站开关柜局放在线监测系统架构电气技术与经济 技术与应用/由图 看出，感知层主要负责采集局放放电信号以及温湿度数据，并将采集的数据传输到网络层，网络层通过无线通信器接收感知层传输的局放信息，并将数据传输至系统层中，系统层主要进行数据的计算与存储，完成开关柜局放的全面监测。.系统硬件（）局部放电监测模块主要通过 传感器获得局放电源与局放绝缘缺陷数据 。在对局放信息进行监测的过程中，为了避免局放峰值信号对监测结果产生干扰，传感器并未直接对局放高频信号进行采样，在保留原始幅值信号的基础上，通过低频信号，完成局放信号监测。传感器如图 所示。图 传感器（）温度传感器模块在进行开关柜局放监测中，温度数据是必不可少的，此次设计的温度传感器的核心器件为 -红外测温传感器。红外测温传感器的参数如表 所示。表 红外测温传感器参数指标参数工作环境温度范围 目标测量温度范围 开关柜温度监测范围 视场角 -红外测温传感器是一种性能良好的非接触式测温传感器，当传感器与目标对象之间的距离为 ，仍然可以对目标的温度数据进行精准的采集，可以满足此次开关柜温度数据采集的要求。（）湿度传感器模块湿度是影响开关柜局放的关键数据，因此湿度传感器的采集性能对局放在线监测系统的性能起着关键作用，此次设计的湿度传感器模块以 湿敏电容传感器为核心，可以对开关柜的湿度信息进行快速且精准的采集。湿度传感器电路如图 所示。图 湿度传感器电路（）放大器为了提高各项数据采集传感器的信号质量，便于后续的数据计算与分析，在开关柜局放在线监测系统硬件 部 分 设 计 放 大 器，放 大 器 的 核 心 芯 片 为 芯片。放大器的电路图如图 所示。芯片放大器可以在尽可能不失真的情况下，对 传感器的局放信号进行放大，并且具有高集成度、高增益的特点，可以根据实际的使用需求，自适应调节放大器的频带宽度与放大倍数，以提高 传感器局放信号的质量。电气技术与经济 技术与应用 /图 放大器电路（）通信模块为了实现传感器数据的快速、稳定传输，实现开关柜局放的在线监测，通信模块是不可缺少的模块 。此次设计的通信模块的通信模式为 。直接与上位机相连接，可以对开关柜的温湿度与局放数据进行传输与显示。通信电路如图 所示。图 通信电路.系统软件完成了系统硬件各个模块的设计，在系统软件部分通过监测 信 号 完成 开 关柜局 放的 在 线监测。开关柜局部放电是指导致将绝缘中部分桥接，形成局部区域放电，因此出现非导体附近区域放电的情况。传感器的原理是通过开关柜局放电磁波在接地金属柜体感应出的对地电压，完成局放的监测。信号生成原理如图 所示。开关柜电场分量表达式为：（）式中，；为开关柜材料的磁导率；为开关柜材料的介电常数 。放电的电磁波在空气与金属柜体交界处会产生不连续的情况，部分电磁波会产生发射，另一部分则会继续进行传播，因此存在：电气技术与经济 技术与应用/图 信号生成原理 （）根据开关柜金属板与绝缘介质的连接特性，平板电容面积大于极板间的连接距离，因此可以对平板电容进行计算：（）式中，为电容材料的介电常数；为平板电容的接触表面积；为极板距离。根据平板电容，对接地电压进行计算：（）（）式中，表示接地电阻。通过上述计算可知，当开关柜出现局放现象时，可以根据 信号对开关柜的局放情况进行有效的监测。实验验证为了验证所设计的变电站开关柜局放在线监测系统的性能，进行系统监测系统性能的测试实验。在此次性能测试实验中，将开关柜局放故障划分为四种主要的类型，分别为针板放电、内部放电、沿面放电、悬浮放电。四种放电类型的示意图如图 所示。图 开关柜局放故障类型电气技术与经济 技术与应用 /选择变电站内的 个开关柜作为实验对象，开关柜的参数如表 所示。表 开关柜参数序号开关柜名称放电程度 断路器无明显放电 断路器无明显放电 断路器一定程度放电 断路器无明显放电 断路器较明显放电 断路器一定程度放电 断路器无明显放电 断路器一定程度放电 断路器较明显放电 断路器无明显放电以数据采集精度、局放监测精度为测试指标，将文献 系统与文献 系统作为对比测试系统，进行对比测试实验。.数据采集精度系统中各项传感器的数据采集精度会直接影响开关柜局放在线监测系统的性能，因此以数据采集精度为实验对比指标，将本文系统与文献 系统、文献 系统进行对比验证。三种系统的数据采集精度对比结果如图 所示。图 数据采集精度对比结果观察图 所示的数据采集精度结果可以看出，针对不同的开关柜，本文方法始终能够高精度地采集开关柜的相关数据，数据采集精度基本保持在 左右。反观文献 与文献 系统不仅采集精度的波动幅度较大，且最高数据采集精度均低于本文系统。.局放监测精度设计变电站开关柜局放在线监测系统的根本目的是对局放进行精准的监测，避免出现突发性故障，提高变电站整体运行的稳定性，因此以开关柜局放监测精度为指标，测试三种方法的监测性能。开关柜局放监测精度结果如表 所示。表 开关柜局放监测精度序号放电程度局放监测结果本文系统文献 系统文献 系统无明显放电无明显放电一定程度放电无明显放电无明显放电无明显放电无明显放电无明显放电一定程度放电一定程度放电无明显放电较明显放电无明显放电无明显放电无明显放电较明显放电较明显放电较明显放电较明显放电一定程度放电一定程度放电一定程度放电无明显放电一定程度放电无明显放电无明显放电一定程度放电无明显放电一定程度放电一定程度放电一定程度放电一定程度放电较明显放电较明显放电一定程度放电无明显放电 无明显放电无明显放电无明显放电无明显放电表 中的结果显示出，本文系统的局放监测结果与开关柜的实际放电程度完全一致，能够对开关柜的放电程度进行精准的监测，而文献 与文献 系统的局放监测结果与开关柜的实际放电程度出现了多处误差。因此，说明所设计系统的局放监测性能较强。结束语为了对开关柜数据进行精准的采集，并且提高局放监测系统的监测性能，设计变电站开关柜局放在线监测系统。从硬件与软件两方面对系统展开设计，在系统框架下，系统硬件设计局放监测模块、温度采集模块、湿度采集模块、放大器以及通信模块，以满足电气技术与经济 技术与应用/系统的监测功能需求。在软件部分，根据电场分量、开关柜平板电容以及接地电压，完成 信号的监测，实现开关柜局放的监测。实验测试结果表明，所设计系统能够对开关柜的数据进行精准的采集，并且局放监测结果与开关柜的实际放电程度完全一致。参考文献 张敏，方健，郝方舟，等.基于穿心特高频传感的开关柜局部放电检测有效性试验 南方电网技术，（）：-.吴迪，潘建乔，陈超，等.基于单片机控制的开关柜局部放电识别方法研究 工业仪表与自动化装置，（）：-.王新.基于电容耦合高频脉冲电流法的开关柜局部放电在线监测系统研究 电力系统装备，（）：-陈卓，冀红伟，张昊.基于泛在物联网的高压开关柜局放在线监测系统研究 机电信息，（）：-.黄雪莜，熊俊，张宇，等.基于残差卷积神经网络的开关柜局部放电模式识别 中国电力，（）：-.顾朝敏，李晓峰，董驰，等.基于 的开关柜关键部位温度监测系统研究 中国测试，（）：-，.刘勇，赵红庆，李高峰，等.高压开关柜局部放电在线监测系统设计与应用 计算机与数字工程，（）：-，.（收稿日期：2 0 2 2-1 1-1 4）（上接第 页）.，与实测电容量相符。对该故障电容器进一步解体，一层一层地打开，在 层处发现击穿点，击穿的层数有 层，如图 所示。图 电容器解体后内部的电容单元 结束语本文详细描述一起串补旁路故障的过程和处理以及故障的原因分析，由于单支电容器电容量变化破坏桥臂电压平衡产生超过保护定值的不平衡电流，引发旁路。进一步对故障电容器进行解体检查验证，其电容量变化原因是内部第一个串联段的第六个电容单元的极间击穿，将第一个串联段完全短路。通过故障录波图可知，在串补旁路前线路并未出现过电压和电流突变，因此产生两点疑问：在未有明显过电压情况下，电容单元为何会发生击穿；在电容单元已发生击穿的情况下，电容单元的保护熔丝又为何未熔断。上述两个疑问还待进一步分析，姑且提出以下建议：）电容器生产工艺本身质量是否存在问题，还需进一步研究分析；）熔丝保护熔断设计还需重新考虑，应更好地切合现场应用场景；）常规试验无法提前发现隐匿性故障，可在出厂和交接时选取一定比例开展高电压试验，比如局放试验，也可在电容器故障后作为同批次设备排查时进行。参考文献 王丽春.超高压线路串补保护缺陷分析及防治措施 电工技术，（）：-.彭珑.超、特高压串联电容器补偿装置安全运行关键技术及应用 北京：华北电力科学研究院有限责任公司，.（收稿日期：2 0 2 2-1 1-2 3）电气技术与经济 技术与应用