基于光敏传感器和差分电路的开关柜放电检测

张永超,赵录怀,顾博才,鹿伟强

基于光敏传感器和差分电路的开关柜放电检测

张永超1,赵录怀2,顾博才1,鹿伟强1

1. 西安交通大学城市学院, 陕西 西安 710018 2. 西安交通大学电气工程学院, 陕西 西安 710018

针对开关柜内部接触不良或线路老化等因素引起的局部放电现象导致设备不安全运行的现状，本文设计出一种基于光敏传感器和差分电路的开关柜放电检测方法。该方法具有成本低、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，通过实验室电火花发生器和变电站内开关柜放电现象检测，并与NRJFD-3000数字局部放电检测仪检测结果对比，显示该系统能实现对开关柜内部放电现象的实时准确监测。

光敏传感器;开关柜; 放电检测

随着国家智能电网技术的发展，电气设备的实时状态监控是衡量电网智能化和可靠运行的一项重要指标。在日常使用中，开关柜内部由于接触不良或线路老化等因素会导致放电现象，而放电现象对于开关柜而言是一个极其危险的征兆，一旦检修不及时，极大可能造成严重绝缘事故，带来严重后果。因此，对开关柜内部关键点的放电进行实时检测，是保证电力系统安全运行的必要措施[1,2]。

目前，对开关柜内部局部放电检测的具体方法有超声波探测法、紫外成像法、红外成像法、暂态对地电压法等，这些测量方法中对放电光的测量，以判断是否有放电现象，相对其他监测方法具有抗干扰能力强、灵敏度高和检测结果准确等优点，其中，紫外成像法为了消除环境中的紫外线干扰，通过增加滤镜的方式实现抗干扰[3-6]，该方法结构复杂、成本高。

本文提出一种新的开关柜内部局部放电检测方法，利用光敏二极管对电弧光进行检测，利用差分方式消除可见光干扰，同时，利用积分方式将测得的放电量与历史放电量累积，该系统即可实时对放电现象报警，还可对历史放电现象的累积查看。可排除外界环境光照的干扰，具有结构简单，造价成本低等优点。查阅现有文献，该方法在电力设备放电检测方面，尚未发现相关研究的报道。

1 方法原理

电弧放电是一种功率很强的放电现象，电弧产生时辐射的光波波长约为150~500 nm之间，介于紫外光与可见光范围内[7,8]，因此可以利用电弧的光效应，使用光电传感器对电弧光进行检测。由于环境光在每日不同时段的光照强度不同且开关柜的结构不尽相同，开关柜内环境光复杂多变，因此要求监测系统能应对各种检测环境，使环境光的干扰尽可能小，考虑到外界环境光的干扰，利用差分法消除可见光对检测的干扰。检测方法是将2个光敏二极管安装在检测点即放电点附近的不同位置，其中一个是测量传感器D1正对监测点，另一个环境光传感器D2，D1和D2相距一定距离。测量传感器D1对放电光和环境光探测，其输出值为1，环境光传感器D2对环境光检测，其输出值为2。差分电路电压输出值为：D=1-2(1)

即为光敏二极管对放电光的检测值，因此该方法可以最大限度的消除环境光的干扰。如果环境光强远远大于放电所产生的光强，即2>>，则：1=2+D»2(2)

即1-2»0所以，当环境光照度越高，差分电路输出越小，系统灵敏度越小，因此，从理论分析来看，该方法适合在开关柜内光照度较低的环境下使用。

2 系统设计

在检测系统中，两个光敏二极管为检测传感器，传感器的输出信号经过差分放大电路、A/D转换给单片机，单片机连接无线发射模块，可将数据实时发送到外部，外部接受信号并经显示装置显示是否发生放电现象。检测系统主要包括两个传感器模块、信号处理电路、控制器、电源模块和无线收发模块5部分组成，系统结构框图见图1。

图 1 系统结构

图 2 光敏二极管测量电路图

传感器模块选用一对LXD/GB3-A1DPS型光敏二极管组成，其光谱响应范围为390~1100 nm。光敏二极管测量电路如图2所示，D1为测量传感器，D2为环境光传感器。信号处理电路采用AD620双输入单输出差分放大电路R3和R5调整其放大倍数，光敏二极管在0~300 lux照度下其输出电压约为0~25 mV，经差分放大电路放大50倍后，输入到控制器内的电压值范围为0~1.25 V，差分放大电路如图3所示。开关柜的放电检测是长时间，不间断的应用环境，要求能耗尽可能小，控制器采用意法半导体的MSP430系列芯片，最低功耗只有0.1 μA。电源系统主要分为两个部分。一部分是为信号处理电路供电，另一部分为控制器供电，整个系统由3.6 V锂电池。由于控制器的适用电压范围为1.8~3.6 V，因此可用电池直接供电，而信号处理电路需要提供±5 V，故用两个MC34063电源模块分别产生+5 V、-5 V为其供电。采用HPD8101无线收发模块，此模块采用GFSK抗干扰调制，基于Si4432传输协议，拥有1 W发射功率及良好的接收灵敏度，工作电压值为3.3~6.0 V。显示模块采用4.5英寸TFT彩色显示屏和单片机组成，单片机通过汇总终端接收来自无线收发模块的监测数据之后显示。

图 3 差分放大电路图

3 实验研究

对检测系统进行实验室电火花发生器放电检测试验和变电站开关柜放电检测试验，以研究该系统对放电的检测准确性。

3.1 实验室电火花发生器放电检测试验

设计了三组试验，①测量传感器D1与探测位置（放电点）的距离1和系统灵敏度规律，得到该距离1与差分电路输出的关系，确定最佳距离11。②测量传感器D1和环境光传感器D2的距离2和系统灵敏度规律，得到该距离与差分电路输出的关系，确定最佳距离22。③环境光照度和系统灵敏度规律，确定该系统适用环境范围。

实验设备：标智GM1040数字光照度计，J1210高压发生器，LXD/GB5-A1DPS光敏二极管，VC9807A+万用表。

（1）D1与探测点（放电点）的距离1和系统灵敏度规律。电火花发生器放电脉冲频率稳定，其辐射的光可看作光源频率一定或光源频谱分布一定。光电效应第一定律认为，当光源频率一定或光源频谱分布一定时，若光阴极面积是固定的，那么饱和光电流与距离的平方有反比例关系，依据该理论研究了D1与探测点（放电点）的距离1和系统灵敏度规律。

实验条件：环境光照度为0 lux，高压发生器档位为5 kV档位，测量传感器D1与环境光传感器D2距离为1.5 cm。实验方法：D1正对检测点，D1与检测点的距离1，万用表测量差分电路输出。将实验结果拟合成曲线如图4所示。

根据图4实验结果，差分电压值的大小与放电点和传感器之间的距离1有关，放电点与D1的距离1越小，差分电压值越大。但是放电设备放电时的能量铰大，过小的距离会使放电设备与传感器之间发生放电现象，因此传感器与放电点间的距离1不能无限小，综合实验数据和实际情况可得D1距检测点最佳的距离1范围为3~6 mm，本系统取最佳距离11=4 mm。

（2）D1与D2距离2和系统灵敏度规律。D1对放电光和环境光探测，其输出值为1，D2对环境光检测，其输出值为2。理论分析可知1越大、2越小，系统越灵敏，但为了保证D1和D2处于同一个环境光强下，所以D1和D2不能相距太远，本实验目的是研究D1与D2距离2和系统灵敏度规律，从而确定一个合适的22。

实验条件：光照度0 lux，11=4 mm。试验方法：D1正对测试点11=4 mm。变化D1与D2的距离2，用万用表测量差分电路输出，根据实验结果拟合成曲线如图5所示。根据图5实验结果，可知随着2增大，差分电压值也随之增大，系统越灵敏，当2增大到一定值时，其变化幅度明显减少，同时，为了保证D1和D2处于同一个环境光强下，由此确定出22距离范围为10~15 mm，取最佳距离22=15 mm。

图 4 测量传感器与测试点距离和输出电压的关系

图 5 测量传感器与环境光传感器间距离和差分电路输出电压的关系

（3）环境光照度与系统灵敏度规律。如果环境光强远远大于放电所产生的光强，即光敏二极管输出2>>，由公式（2）和（3）可知当环境光照度越高，差分电路输出越小，系统灵敏度越小。因此，设计了环境光照度与系统灵敏度规律实验。

试验条件：11=4 mm，22=15 mm。试验方法：变化环境光照度，用万用表测量差分电路输出，根据实验结果如图6所示，和理论分析相一致，本系统只能在环境光强小于10 lux下工作，符合开关柜内部环境。

图 6 环境光照度和输出电压的关系

图 7 监测系统报警界面

3.2 开关柜试验

2018年2月10日至20日在西安铁路局渭南变电站10 kV开关柜进行了实地多次试验，对开关柜内放电现象进行了检测。选取了3个开关柜进行检测，A相母线刀闸接头处，B相母线刀闸接头处，C相母线接头处。在每个点的正上方6 mm处放置测量传感器D1，传感器D1和D2相距15 mm。拧松1号开关柜A相母线刀闸处接头处螺丝，在A相母线处制造接触不良。采用NRJFD-3000数字局部放电检测仪作为参考，通过三组不同电压阈值的设置试验来验证对放点的检测，①报警电压阈值设置为10 mV时，NRJFD-3000局部放电检测仪检测到10次放电，汇总终端接收到来自无线收发模块的监测数据之后，判断是否有异常信号发出，如果检测到放电现象，系统将在屏幕上显示红色，报警界面上显示放电次数。界面显示如图7所示，由图7监测系统报警界面可知本系统检测到10次放电，和NRJFD-3000局部放电检测仪检测到10次放电相吻合。②报警电压阈值设置为20 mV时NRJFD-3000局部放电检测系统检测到15次放电，本系统检测到12次放电。③报警电压阈值设置为30 mV时，NRJFD-3000局部放电检测系统检测到18次放电，本系统检测到6次放电。

由实验可知：系统阈值应设置为10 mV，否则系统灵敏度低，对微弱放电现象不能检测。

3.3 试验结论

实验室电火花发生器放电检测试验，可知D1距检测点最佳的距离1范围为3~6 mm；D1与D2距离2范围为10~15 mm；本系统只能在环境光强小于10 lux下工作。变电站10 kV开关柜试验结果表明，该系统在实际中测试，和现有仪器相比较结果一致，可信度较高。

4 结论

本文设计了利用光敏二极管对开关柜局部放电检测系统，利用差分方式消除可见光干扰，实际试验证明该方法对开关柜局部放电现象能进行实时检测。

[1] 姜芸,周韫捷.分布式局部放电在线监测技术在上海500 kV交联聚乙烯电力电缆线路中的应用[J].高电压 技,2015,41(4):1249-1256

[2] 贾自杭,李燕青.智能变电站电缆局部放电在线监测系统的研究[J].中国电力,2015,48(1):137-140

[3] 何宁,梁坡,于胜云.基于通道型光电倍增管的电弧放电检测[J].光子学报,2011,40(3):383-387

[4] 黄晓博,杨永明.基于光电倍增管的高压电力设备放电检测系统设计[J].高压电器,2009,45(3):28-35

[5] 王灿林,廖永力,王黎明,等.电晕紫外光脉冲与电晕电流脉冲相关性研究[J].高电压技术,2007,33(7):88-91

[6] 程昌奎,郑永建,庞军,等.变压器局部放电监测中的最优小波与脉冲鉴别去噪方法研究[J].高压电器,2016,52(3):123-128

[7] 张海峰,庞其昌,李洪,等.基于UV光谱技术的高压电晕放电检测[J].光子学报,2006,35(8):1162-1166

[8] 王胜辉,律方成,李和明.高压设备电晕紫外成像检测图像增强方法的研究[J].高压电器,2009,45(6):15-19

Discharging Detection for Switch Cabinet Based on Photosensor and Differential Circuit

ZHANG Yong-chao1, ZHAO Lu-huai2, GU Bo-cai1, LU Wei-qiang1

1.710018,2.710018,

A method based on photosensor and differential circuit was presented to detect for a discharge of switch cabinet due to the partial discharge phenomenon caused by bad contact inside the switch cabinet or circuit aging resulting it in unsafe operation. It had some advantages of a low cost, high sensitivity and strong anti-jamming capability. It was detected on discharging state of electrospark generator in a laboratory and a switch cabinet in a transformerstation and test results were compared with local discharging digital device NRJFD-3000. Result showed that the system could realize real-time accurate monitoring of internal discharge switch cabinet.

Photosensor;switch cabinet; discharge detection

TM855

A

1000-2324(2018)05-0871-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.030

2017-10-20

2018-01-23

西安交通大学城市学院2018年度校级科研项目(2018KZ03)

张永超(1977-),男,硕士,讲师,主要从事智能检测方面的研究. E-mail:522031810@qq.com