开关柜绝缘劣化气体检测方法探讨

陈昱　章铭　陈永炜　吴阳　董建强　闫忠凯

【摘 要】空气开关柜是智能配网必不可少的设备，其安全稳定运行是配网稳定的重要保证。为了进一步提高对空气开关柜绝缘故障检测分析能力，本文基于开关柜设备绝缘故障的研究方法，提出一种空气开关柜内部绝缘故障特征气体组分检测的方式。通过监测开关柜局部放电下产生的气体组分及含量，分析开关柜内部放电情况，以及时发现开关柜绝缘状态，为空气开关柜绝缘故障的检测提供了一种新思路。

【关键词】空气开关柜；绝缘故障；气体分解；局部放电

中图分类号： TM216 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0274-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.117

Discussion on Insulation Deterioration Gas Detection Method of Switchgear

CHEN Yu1 ZHANG Ming1 CHEN Yong-wei1 WU Yang1 DONG Jian-qiang1 YAN Zhong-kai2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power co.， LTD Huzhou Power Supply Company， Anhui Bozhou 313000， China；

2.Wuhan KEDIO Electric Power Technology co.， LTD， Hubei Wuhan 430000， China）

【Abstract】Air switchgear is an indispensable equipment for intelligent distribution network， and its safe and stable operation is important for the stability of distribution network. In order to further improve the ability of detecting and analyzing the insulation faults of air switchgear， a method of detecting the characteristic gas components of the insulation faults in air switchgear is proposed based on the research method of insulation faults of switchgear equipment. By monitoring the gas composition and content produced by partial discharge of switchgear， analyzing the internal discharge of switchgear， and discovering the insulation status of switchgear in time， a new method is provided for the detection of insulation failure of air switchgear.

【Key words】Air switchgear； Insulation failure； Gas decomposition； Partial discharge

0 引言

輸配电设备的安全可靠性是保证整个电力系统能正常运行的关键。空气开关柜由隔离开关、断路器、保护装置等构成，当系统出现故障时可通过隔离开关断开相互连接的设备，对电力设备和电力操作人员的安全起到保护作用。因此，开关柜在电力系统中具有起着非常重要的作用[1-2]。由于在制造、运送、安装和使用过程中不可避免的各种因素，开关柜内可能出现各种绝缘缺陷。例如，制造过程中导体本身可能形成金属毛刺、运送中易导致零件松动或接触性能变差、检修过程可能造成腔体内金属微粒残留等。此类绝缘缺陷易引发开关柜在运行中的电场畸变，诱发发生局部放电（PD）[3]。如果不能及时发现开关柜内部的绝缘缺陷，可能导致绝缘破坏而引发安全事故，造成巨大的经济损失和负面社会影响。

1 开关柜绝缘检测方法

设备发生局部放电时一般会产生电磁、声、热及光信号，放量能量引起绝缘气体或者固体材料分解时，还会发生一些列化学反应，产生一些气体或固体产物。常用于局放信号检测方法主要包括：

1.1 脉冲电流法

脉冲电流法操作简单，可实现PD信号低频段定量检测，是国际上广泛认可的方法，但不适用于在线监测。

1.2 特高频法

特高频法通过在柜内外安装高频传感器，检测由PD电流脉冲激发的电磁波信号，灵敏度高，抗干扰能力强，但电量标定问题还有待解决。

1.3 暂态地电压法

暂态地电压法通过检测暂态电压实现对PD信号的监测，但抗干扰能力较差，由于仅以暂态对地电压为单一判据，检测结构可靠性不是很高。

1.4 超声波检测法

超声波检测法通过提取传播时间差来计算PD源的位置，应用灵活，但超声波信号折反射会导致波形信号严重失真，对实际操作人员具有较高的要求。

1.5 气体组分分析法

当高压设备有局放发生时，电子碰撞作用会使绝缘介质发化学反应，产生一些特定的气体成分。绝缘介质分解产生的气体成分、浓度、速率等特性与局部状况相关，气体分解特性可反应出柜体绝缘状态。

空气开关柜内的空气是由21%的O2、78%的N2以及少量CO2等构成的混合气体。放电或者过热引起混合气体发生化学反应，生成一些含氮化合物及CO、CO2等气体[4]。不同类型的绝缘缺陷引起PD的特性及其作用下的气体分解特性均具有明显的差异，因此根据气体分解组分特征、放电量的变化，可以掌握开关柜内部绝缘缺陷类型的性质和特征。本文通过监测开关柜局部放电下产生的气体组分，根据放电组分特性分析开关柜内部放电情况，反演开关柜绝缘状态[5-6]。

2 气体成分检测技术

目前，气体检测技术主要分为以下方式[7]：

2.1 真空电离技术

由于混合气体中不同成分在高频电磁场作用下具有不同电离程度，因此测电离度可反映气体含量，目前一般采用压强作为电离程度的表征量。但该技术受测试环境温度影响较大，对硬件制造水平很高，还不适用于现场的在线监测。

2.2 红外光谱检测技术

由于不同气体对红外线具有不同的能量吸收特性，因此可利用红外光谱分析气体组分。但需根据特定气体研制相应的红外传感器，配置标准气室，硬件成本較高，现场应用可行性较低。

2.3 电化学传感器技术

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号可实现对气体检测，对二氧化硫、硫化氢、臭氧等具有较好的检测效果，测量精度早已达到1ppm，应用比较广泛，本文选用电化学传感技术进行测量。

3 应用方案

3.1 基本原理

电化学气体传感器利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为相应的电信号，通过检测电信号的大小可得到相应气体的浓度。根据实际工作原理可以分为以下类型：

（1）当电极和电解质溶液的界面保持一个恒电位时，通过直接将气体氧化或还原，将通过外电路的电流作为传感器的输出信号。

（2）将溶解于电解质溶液的气态物质离子作用于离子电极，把产生的电动势作为传感器的输出信号。

（3）将气体与电解质溶液反应产生的电解电流作为传感器的输出信号。

（4）采用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质等其他材料代替电解质溶液作为传感器材料。

本文采用定电位电解气体传感器，特定气体固有的氧化还原电位决定设定电位，与电极材质、电解质种类相关。电解电流与气体浓度的关系为：

上式表明电解电流与被测气体浓度成正比，根据气体电解时所产生的电流可计算得到被测气体的体积分数和质量浓度。

3.2 系统构成

开关柜绝缘劣化气体检测系统主要由探头模组、接线模块、数据采集模块、数据处理模块、外围电路及上位机组成[8]，如图1所示。探头模组用于测量气体组分浓度，并以电位变化反应气体组分浓度的信息，实现非电量到电量的测量。接线模块用于将探头模组测量电信号输送到后续电路中进行处理，接线是否紧密对电位影响较大（瞬间变化的电信号将覆盖有用信号），也会对数据采集端造成影响，因此接线系统应具有较高的可靠性。数据采集模块采用基于CPLD的现场可编程逻辑门阵列，可实现对多个开关柜气体浓度的实时分析，相对其他单片机采集处理模块具有更快的响应速度。数据处理模块采用数据采集卡完成信号采集处理，处理速度快、内存大、存储容量大，功耗较低，接收上位机控制指令并做出反应。上位机用于分析显示开关柜内部气体组分状况，实现人机交互。

检测系统的具体工作流程：开机自检，确认各部件正常工作之后开始运行。由上位机进行控制选择需要进行测量的区域，探头模组开始工作，通过氧化还原反应，将气体浓度转换为微弱的电信号，经过放大滤波后有单片机分析处理，计算出各个气体浓度等相关信息，并传输给上位机。上位机根据所建立的气体扩散模型以及不同绝缘模型下气体浓度等信息进行分析出来，并对是否出现局部放电、具体的局部放电等分析结果进行显示。

3.3 系统功能

系统主要实现以下几方面的功能：

（1）对单片机进行适当配置初始化，并对电路板工作状态进行检测；

（2）控制ADC模数转换器对测得的电压信号按路进行模数转换；

（3）从模数转换单元和串口中获得的数值进行计算分析，得出待测处的气体浓度值；

（4）对测得的气体浓度输出实时显示；

（5）根据分析结果命令进行相应报警；

主程序流程图如图2所示，主要包括：系统初始化、数据采集、数据处理、数据显示、数据接收发送、以及报警等模块。

主程序的执行过程为：当系统上电或者复位后，首先对CPU内部运行和各个外设进行初始化设置，主要完成对系统时钟的配置，对I/O口和A/D转换接口进行配置，相关事件管理器的初始化配置，定时器中断配置，串口通信的配置以及对各个变量赋初始值。系统初始化后，启动AD转换，然后单片机片内的ADC模数转换单元开始对信号处理单元（对测量探头采集到的信号处理）测得的电压信号进行分析处理，得到CO、CO2、NO2等气体浓度值后显示并发送给上位机，另一方面单片机还从串口中得到CO2气体浓度值，经过处理后进行显示且发送给上位机。一旦接受到上位机发送过来的报警命令，则单片机会发出相应的报警。此时需对单片机复位或重新启动才能继续工作。

【参考文献】

[1]吴鸿亮，陈颖与，王玲.电网建设与社会经济发展协调性评价研究.中国电力，2014.47（11）：134-139.

[2]黄华，等.输配电设备在线监测系统的评价和选用.华东电力，2006.34（8）：40-42.

[3]潘长明，等.高压开关柜绝缘事故的分析及防范措施.高压电器，2011.47（7）：90-93.

[4]张晓星，等.针-板缺陷开关柜局部放电与空气分解组分的关联特性.高电压技术，2016.42（12）：3948-3954.

[5]周磊.开关柜故障特征气体组分分析研究，2016，重庆大学.

[6]谢静，等.基于模糊分层理论的高压开关柜状态评估算法.高电压技术，2014.40（10）：3186-3192.

[7]黄诗敏.10kV开关柜局部放电带电检测技术应用与仿真分析研究，2015，北京交通大学.

[8]孟艳清，赵宏伟与邹育霖.基于ARM的开关柜智能监控装置研究.高压电器，2014（3）：29-35.