基于臭氧检测的高压开关柜初始放电预警技术

唐传佳， 刘志存， 陈立新， 王克杰， 吴 凡

蚌埠供电公司 安徽蚌埠 233000

1 研究背景

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 k V开关柜，常常因为内部绝缘受潮、老化而造成绝缘下降，进而引发设备短路事故［1］。目前高压开关柜室的维护系统，通常只配备空调和除湿机，仅用于高压开关柜室环境的调温和调湿。对于高压开关柜内部初始或隐形放电故障，未设预先发现和检测系统，只能凭值班员现场运行经验，通过耳听鼻嗅来间接判断。随着巡视周期的延长，对内部放电异常未能及时发现，进而常常造成设备事故。

利用电晕高压放电法产生臭氧的原理，在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，在放电间隙会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而获得能量，并互相发生弹性碰撞，聚合成臭氧分子。

可见，高压开关柜室内环境异常会出现一些前期现象，如柜内异常放电的初始阶段会产生大量臭氧［3］，空调或除湿机故障导致温湿度异常等。臭氧预警系统对开关柜室内环境状况进行实时检测，通过各类型探头实时读取室内环境参数，并根据试验和现场测试情况设置准确的预警值，用于识别环境的正常和异常情况。臭氧预警系统能自动检测并通过移动网络向后台运维班组与管理人员发送报警信息，使其能及时安排带电检测，以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 臭氧预警系统原理

2.1 系统架构

通过在高压开关柜室内安装传感器来监测室内臭氧浓度和温湿度［4］，系统可设置报警阈值，检测值超出阈值后［5］，由探头产生报警脉冲信号，并传输至测控器［6］。由测控器触发预警信息，并通过内置的通信模块向监控人员终端发送预警短信。臭氧预警系统架构如图1所示。

图1 臭氧预警系统架构

2.2 探测设备

探测设备对高压开关柜内部的异常能够及时探测，并触发预警信号，同时配合检测高压开关柜室内的空调、除湿机运行工况。

探测设备还可以对高压开关柜室内的有害气体进行在线检测。

2.3 预警设备

预警设备接收前端传感器的预警信号，根据传感器检测数值换算为臭氧浓度，达到报警阈值后，生成预警信息并下发。

预警设备支持全球移动通信系统、码分多址网络，可以向移动、电信、联通手机发送预警信息。

预警系统基于J2EE平台［7］，采用浏览器／服务器软件架构，总体上分为数据层、应用层和展现层三层。数据层主要负责系统运行的基础数据存储，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等。应用层基于数据层搭建，主要包括电网一次、二次设备与监控信号关联建模，检修方式跟踪建模，电网仿真等。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，以供查看报告。

2.4 臭氧浓度检测

通用的臭氧浓度检测设备按照原理可分为紫外吸收型、半导体气敏传感器型、电化学传感器型［8］及化学变色型四种。笔者采用的是电化学传感器型，具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命，广泛应用于静态与移动场合。

电化学传感器型臭氧浓度检测设备为一微型燃料电池，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，当臭氧扩散进入检测设备时，在工作电极发生还原反应，在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，此电流与进入检测设备的臭氧浓度在一定范围内成正比。对这一电流经过电路系统处理，可计算出臭氧浓度［9］。

2.5 信号转换

传感器采用模拟信号输出，由测控器将模拟信号转换为浓度值，进而实现臭氧浓度预警。通过多次选型和测试，最终采用工业级测控器设备，集成RS485模拟信号输入，数值转换公式、全球无线通信系统［10］、可编程模块化设计功能，最终实现信号输出转换、阈值预警提醒及远程维护。

测控器的模拟信号接线采用二线制，由直流电源模块和信号输入输出模块组成。由传感器输出的电流信号I可通过下式换算为臭氧浓度N：

式中：C为传感器量程。

2.6 管理模块

臭氧预警系统传感器所在的变电站具有距离远、分布散、无人值守等特点，因此前端探测点在部署后，如何能实现集中预警及对系统各设备进行集中管理和维护，成为需要考虑的问题。

为此，在系统设计时重点考虑系统设备的自管理和远程管理接入功能。配置预警手机卡及管理员手机号码，以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码决定指令是否有效。当指令有效后，再交由后台模块执行指令，并返回执行结果。

预警系统后台管理软件支持的短信指令多达242条，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。

2.7 可扩展性

当传感器规模部署时，测控器支持的远程通信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、RS232等工业控制信号向传输控制协议转换，从而为后续各变电站增加其它监控或工业设备提供数据接入和管理功能。

采用标准电气接口，极易与其它工控设备连接，对各种使用环境现场数据进行监测与报警，支持通过短信进行报警与数据查询，也可以通过全球移动通信系统的无线分组交换技术，将数据实时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，可以满足同时对多个分散广、距离远、无人值守的远程监控点测控的要求。测控器后台管理平台如图2所示。

图2 测控器后台管理平台

3 预警效果

3.1 臭氧浓度检测

对于高压开关柜内部初始和隐形放电故障，原本没有预先发现和检测系统，只能凭值班员现场运行经验，由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，容易造成设备事故。

通过臭氧预警系统的部署，能够实时对高压开关柜室环境进行监测，检测室内臭氧浓度，后续还可监测其它有害气体的浓度。后台管理人员可随时调用查看浓度值，制订巡检优先级，并为针对性检查提供精准数据。

3.2 数据记录和存储

臭氧预警系统具备数据存储功能，可对日常记录数据进行本地及异地存储。通过对数据的对比，可以为故障原因分析提供有力的数据支撑。

3.3 异常情况报警

臭氧预警系统在高压开关柜室内设置多个传感器，能及时发现并判断高压开关柜内部高压设备的异常放电故障，并通过无线通信模块向多个后台管理人员提供短信报警，为运检人员及时处置、消除设备隐患提供技术支持。

4 结论

笔者研究了基于臭氧检测的高压开关柜初始放电预警技术，建立了臭氧预警系统。臭氧预警系统能够采集高压开关柜室内的环境参数，并根据读数分析判断高压开关柜是否有异常。系统建成后，预警信息能及时发送至维护人员，提高了电力系统运行的安全性。