高压开关柜内部初始放电预警技术的研究

唐传佳，刘志存，陈立新，魏曼荣，王克杰

（国网安徽省电力有限公司蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000）

TANG Chuan-jia, LIU Zhi-cun, CHEN Li-xin, WEI Man-rong, WANG Ke-jie

(Bengbu Power Supply Company, Bengbu, Anhui 233000, China)

0 引言

近年来，随着变电站高压开关柜的普遍应用，高压开关柜内部异常放电，带来的设备事故越来越多，给电网安全运行带来诸多隐患。尤其是35千伏开关柜，更是因为内部绝缘受潮、老化造成绝缘下降，进而引发设备短路事故[1]。现阶段，高压开关室的维护系统只有空调和除湿机，用于开关室环境的调温和调湿。对于开关柜内部初始、隐形放电故障，没有预先发现和检测系统，只能凭值班员现场运行经验，耳听鼻嗅来间接判断，随着巡视周期的延长，对内部放电异常不能够及时发现，造成设备事故。

1 研究方向

高压放电产生臭氧。电晕高压放电法产出臭氧的原理是两个平行的高压电极之间平行放置一个介电体[2]，并保持一定的放电间隙，当在两极间通入高压交流电时，在放电间隙，形成均匀的蓝紫色电晕放电，空气或氧气通过放电间隙，氧分子受到电子的激发获得能量，并相互方式弹性碰撞，聚合成臭氧分子。

初始放电故障判断原理。针对高压开关室内环境异常会有的一些前期现象，如柜内异常放电的初始阶段会产生大量的臭氧[3]、空调或除湿机故障导致的温湿度异常等，本预警系统是基于开关室内环境实时检测技术，通过各类型探头实时读取室内环境参数，并根据实验和现场测试情况设置准确的预警值，用于区别环境的正常情况和异常情况，系统自动检测并通过移动网络，向后台运维班组和管理人员发送告警信息，及时安排带电检测进一步确认内部故障情况，进而采取必要手段防范设备事故的发生。

2 系统功能概述

2.1 臭氧浓度检测

目前世界上通用的臭氧深度检测设备按照原理主要分为：紫外吸收型、半导体气敏传感器型、电化学传感器[4]型以及化学变色型四种。该研究采用的是电化学原理型，该型传感器具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命，广泛应用于许多静态与移动应用场合。通过在开关柜中安装臭氧检测传感器探头，该传感器采用电化学原理，即传感器是一微型燃料电池，由工作电极、对电极、参比电极、电解液和电路系统等部件构成。工作电极和参比电极之间能保持一个恒定的电位值，当臭氧扩散进入传感器时，在工作电极发生还原反应，对电极发生氧化反应，对电极和工作电极之间形成微小的电流，此电流与进入传感器的臭氧浓度一定范围内成正比，最后通过电路系统处理，计算出臭氧含量[5]。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃烟雾浓度值，可将浓度值送到显示屏中。方便调节报警限，可以加入按键。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。

2.2 信号转换

传感器采用的是模拟器输出，即输出的为电流强度，如何将模拟量转换为浓度值，并且对该浓度数值做到可控、可预警，成为本次系统研究的棘手问题；通过多次的选型和测试，最终项目采用了工业级测控器设备，该型设备集成了RS485模拟量信号输入、可配置的数值转换公式、GSM无线模块[6]、可编程的模块化系统设计，最终实现了信号输出转换、越值预警提醒、远程维护。

测控器的模拟量接线采用二线制，由DC和信号输入组成，接线示意图如图1所示：

图1 传感器与测控器接线示例Fig.1 Example of connection of sensor and measure and control device

通过实时接收传感器输出的电流强度，通过以下换算公式将电流强度换算为臭氧浓度：浓度=（电流值-4）/（20-4）×量程。

2.3 管理模块

臭氧预警系统探头所在的变电站具有距离远、分布散、无人值守等特点，因此当前端探测点部署后，如何能实现集中式预警以及对系统各设备的集中管理和维护成为系统需要考虑的重点问题。

为此在设备选型时重点考虑设备的自管理和接入远程管理的能力，设备配置了预警发送手机卡以及管理员手机号码，管理员可通过手机短信的形式发送远程指令至预警手机卡，系统接收远程指令后通过判断源号码是否为管理员手机号决定指令是否有效，当指令有效后再交由后台模块执行指令并返回执行结果。如图2所示。

后台管理软件支持的短信指令多达242项，涵盖设备管理、数据管理、输入输出量管理等多个方面，从而实现远程设备的可控、可管理。

2.4 可扩展性

当传感器规模部署时，测控器支持的远程通讯模块可依托电力内部数据传输网构建设备监控网络，使各型设备可通过设备监控网络实行统一认证管理。

测控器采用统一的标准协议，可支持RS482、232等工业控制信号向TCP协议转换，从而为后续各变电站增加其他监控或工业设备提供传输接入和管理功能。

因其电气接口标准，极易与其他工控设备连接，对各种使用环境现场数据进行监测与报警，本设备支持通过短信进行报警与数据查询，也可以通过GPRS无线网络，将数据实时的传送给中心测控程序。由多个测控器与中心测控程序组建的远程测控系统，可满足同时对多个分散广、距离远、无人值守的远程监控点的测控需求。如图3所示。

图3 测控器后台管理平台Fig.3 Control platform management platform

3 系统体系结构

通过在开关室中安装探头监测室内臭氧浓度和温湿度[7]，探头可设置报警的阀值，当超出阀值后[8]，由探头产生报警脉冲信号并传输至测控器[9]，由测控器触发预警信息并由内置的通信模块往监控人员终端下发预警短信。如图4所示。

图4 架构图Fig.4 Architecture diagram

3.1 预警系统

3.1.1 探测系统

（1）对高压开关柜内部异常能够及时探测并触发预警信号

（2）配合检测开关室空调、除湿机运行工况

（3）对开关室的有害气体的在线检测

3.1.2 预警系统

（1）接收前端探头的预警信号

（2）根据探头检测数值换算成臭氧浓度含量

（3）达到告警值生成预警信息并下发

（4）支持GSM、CDMA网络，可向移动、电信、联通手机发送预警信息

3.2 预警系统层级

智能变一二次方式隐患排查技术研究与应用系统基于J2EE平台[10]，采用B/S软件架构，总体上分为数据层、应用层和展现层3层。① 数据层。数据层主要负责系统运行的基础数据存储，主要包括：电网一次设备信息、二次设备与监控信号信息、一次运行方式的电网二次系统告警信息。② 应用层。应用层基于数据层完成系统的基本功能搭建，主要包括：电网一次、二次设备与监控信号关联建模，二次压板与告警信息自动辨识，检修方式跟踪建模，电网仿真。③ 展现层。展现层提供各类分析界面，可以通过图形的方式展示分析结果和查看报告。

4 主要解决的关键问题

（1）臭氧浓度实时监测

对于开关柜内部初始、隐形放电故障，没有预先发现和检测系统，只能凭值班员现场运行经验，耳听鼻嗅来间接判断[3]，随着巡视周期的拉长，对内部放电异常不能够及时发现，容易造成设备事故。

通过臭氧检测预警系统的研发和部署，能够实时对开关柜环境进行监测，检测室内臭氧浓度，后续还可监测其他有害气体的浓度含量，后台管理人员可随时调用查看浓度数值，制定巡检优先级和针对性检查提供精准数据。

（2）数据记录和存储

预警系统设备具备数据存储功能，可对日常记录数据本地及异地存储；通过对数据的对比和分析，可为故障原因分析提供有力的数据支撑。

（3）异常情况及时预警

高压开关柜内部初始放电预警系统，在开关室内建立多探头、实时检测的气体、环境分析系统，及时发现并判断开关柜内部高压设备异常放电故障，并通过无线通讯模块向多个后台管理人员提供短信预警，为运检人员及时处置、消除设备隐患提高技术支持。

5 结语

在开关室内建立多探头、实时检测的气体、环境分析系统及时发现并判断开关柜内部高压设备异常放电故障，为运检人员及时处置，消除设备隐患，提高技术支持。提出基于传感器监控模拟量信号与电压值换算的综合判断环境实时检测方法，实现开关柜环境实时、远程检测。提出基于传感器检测技术的开关柜环境数据信息异常综合辨识方法，实现通过环境变化预判安全隐患智能排查。

系统建成后预警信息能及时通知维护人员，因此系统须具备准确检测功能，系统能够自动分析环境变化，具备环境检测灵敏度高、抗干扰能力强，防止误预警。系统能够精准读取开关室内各环境参数，并根据读数分析室内环境是否有异常。

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