灯泡贯流式机组局放电流的监测和预防

摘 要：本文聚焦于机组运行中的重要参数——局放电流的监测与预防系统设计。通过选择适用于监测的灯泡贯流器，整合高性能数据采集模块，设计控制单元和实时监测软件，构建了全面而高效的监测预防系统。试验结果表明，该监测预防系统为机组运行管理和维护提供了有力支持，显著提高了系统的安全性和稳定性，强调了该系统在局放电流监测与预防方面的卓越性能，可为相关领域的进一步研究和应用提供有益参考。

关键词：贯流式；灯泡机组；局放电流

中图分类号：TU 241" " 文献标志码：A

在电力系统中，灯泡贯流式机组具有重要作用，能为电网提供稳定的电力[1]。然而，在机组运行中产生的局放电流问题一直以来都是电力工程领域面临的挑战之一[2-3]。局放电流是指在绝缘系统中，由局部电场强度过大导致的局部放电放电击穿现象产生的电流。这种电流通常随着放电现象，表现为短暂的放电脉冲。局放电流异常不仅会导致设备过早损坏，还可能引起严重事故，对电力系统的稳定性和可靠性具有潜在威胁。为了解决这个问题，灯泡贯流式机组局放电流的监测和预防尤为重要。随着电力系统不断发展和智能化技术应用，设计一套高效、可靠的监测预防系统势在必行。本文通过设计灯泡贯流式机组局放电流监测预防系统，构建适用于局放电流监测的灯泡贯流器和相关传感器，整合高性能的数据采集模块，设计控制单元和实时监测软件，制定全面而高效的监测和预防策略，为灯泡贯流式机组的安全运行提供全面支持。

1 灯泡贯流式机组局放电流监测预防系统设计

为监测和预防灯泡贯流式机组局放电流，本文设计了灯泡贯流式机组局放电流的监测预防系统，目的在于提高电力系统的可靠性、确保设备的安全运行，并降低潜在故障风险，具体的系统设计框架如图1所示。

该系统的硬件部分主要包括监测设备、数据采集设备和控制单元，以此来确保设备的灵敏度、频率响应和精度符合系统要求，确保数据采集模块与监测设备兼容，具有高速、稳定的数据传输能力，可对监测参数的动态调整和设备状态进行实时监控。该系统的软件部分的实时监测系统用于实时接收、存储和显示局放电流数据。用户界面的设计方便操作人员实时监控系统状态。集成数据分析算法用于识别局放电流的异常模式，并进行数据预处理，包括滤波、归一化等，以提高系统对数据的分析精度。系统配置了报警通知模块，监测到异常时及时发出警报。通知机制可以通过短信、邮件或其他途径通知相关人员。

2 硬件设计

灯泡贯流器使用Tektronix P6015A高压探头，频率响应为DC-75 kHz，灵敏度为1000 V/A；传感器采用LEM ITZ 500-S/SP5高精度电流传感器，频率响应为DC-150 kHz，敏度为500 mV/A。选用高速、高精度的NI USB-6356数据采集器，适用于实时局放电流数据采集，具有多通道输入，支持高速数据传输。控制单元选用Arduino Due控制器，ARM Cortex-M3处理器，84 MHz时钟频率，54个数字I/O引脚，12位ADC分辨率，具备丰富的输入、输出接口，方便与监测设备和数据采集模块进行连接。以上硬件选择可为系统的稳定运行和异常情况的及时响应提供坚实的硬件基础，使灯泡贯流式机组局放电流监测预防系统能够对局放电流进行高效、及时的监测和数据采集。

3 软件设计

3.1 实时监测模块

实时监测模块是系统设计中至关重要的组成部分，用于实时接收、存储和显示局放电流数据。系统使用监测设备（灯泡贯流器+传感器）采集局放电流的实时数据。传感器与灯泡贯流器的连接方式如图2所示。

使用Belden 9913F 50-ohm同轴电缆将LEM ITZ 500-S/SP5传感器连接到Tektronix P6015A灯泡贯流器。传感器的输出电缆中包括模拟或数字信号，可将灯泡贯流器和传感器连接到数据采集设备的相应输入通道。数据采集模块应确保高速、稳定的数据传输，并根据预定的采样率获取电流信号。灯泡贯流器的工作原理是通过灯泡的亮暗程度反映电流的变化，因此需要将这种光强度转化为电流信号，如公式（1）所示。

I（t）=k·P（t） （1）

式中：I（t）为电流信号；P（t）为灯泡的光强度；k为光电转化系数。

具体的k值取决于所使用的传感器和光电元件的特性，需要在系统设计和校准过程中确定。在系统集成之前，必须对传感器进行校准，以确保光强度到电流的转化是准确可靠的。在转化过程中，电流信号的特性（幅值、频率等）会发生变化，可根据具体需求设计系统，以确保电流信号满足监测要求。

3.2 数据分析处理模块

灯泡贯流式机组局放电流监测预防系统的数据分析处理模块是为了更全面、深入地理解和处理监测到的局放电流数据，从而对系统运行状态进行实时监测、异常识别以及预测性维护。在局放电流监测中，不同传感器可能会产生不同幅度的信号，因此需要进行数据归一化，以确保各个信号处于相同的尺度，方便后续分析。在归一化方法中，最小-最大归一化（Min-Max Normalization）较常用，如公式（2）所示。

（2）

式中：Xn为归一化后的电流信号；X为原始电流信号；Xmin和Xmax分别为信号的最小和最大值。

归一化的目的是将不同幅度的电流信号调整到相同的尺度范围内，以增强后续处理的鲁棒性。

局放电流信号常受高频噪声或其他干扰的影响。为了提高信号质量并消除不必要的噪声，采用低通数字滤波算法来平滑信号。其中，指数加权移动平均滤波是一种常见的低通滤波器，如公式（3）所示。

Yn=（1-α）·Yn-1+Xa （3）

式中：Yn为滤波后的信号；Xa为原始信号；α为滤波器的衰减系数。

该滤波过程有助于平滑局放信号，减少噪声影响，使后续的分析和处理更精确、可靠。通过归一化和低通滤波的处理，局放电流信号得到了优化，为系统后续的特征提取、趋势分析和异常检测奠定了基础。这些步骤有助于确保系统对局放现象的敏感性和准确性，提高监测系统的整体性能。

3.3 警报通知模块

灯泡贯流式机组局放电流异常是系统存在故障或潜在问题的迹象，通过设计警报通知模块可以对异常情况进行实时监测和响应，减少故障对系统的影响，具体的警报通知流程如图3所示。

实时监测模块通过数据分析处理可识别局放电流信号中的异常情况，并判定是否满足设定的报警触发条件。为了更全面地应对可能出现的异常情况，系统将监测到的异常情况分为不同级别，例如轻微、一般和紧急等。每个级别都对应特定的报警通知方式，以确保维护人员能够及时了解并采取适当的行动。

一旦异常情况被识别并分级，系统将触发相应级别的报警通知。通知方式包括邮件、短信和应用程序推送等多种方式，以确保维护人员能够在任何时候、任何地点及时收到报警信息。同时，系统还可以根据需要设定自动化响应规则，例如关闭设备、切换系统状态等，以减少人为干预的延迟并加快问题解决速度。维护人员收到报警通知后对异常情况进行确认，并验证其是否真实存在。根据结果确认，维护人员将决定是否采取进一步行动。所有报警事件的详细信息都将被系统记录在日志中，包括报警时间、级别以及触发条件等，以便后续分析和审查。该记录不仅有助于了解系统的稳定性和可靠性，还有助于改进和优化系统的监测和预警功能。

4 测试试验

4.1 试验准备

为了评估灯泡贯流式机组局放电流监测预防系统的性能，本文进行了系统测试试验。首先，选择XYZ-5000模型监测平台，包括Tektronix P6015A灯泡贯流器和LEM ITZ 500-S/SP5传感器，以评估构建平台的稳定性。确保XYZ-5000的电源供应和连接正常后，安装并连接灯泡贯流器和传感器，启动监测平台，检查设备的正常运行状态。其次，使用Arduino Due控制器对监测参数的动态调整和设备状态进行实时监控。使用JKL-PRO实时监测软件，设置监测参数并启动实时监测模块，保证系统能够实时接收、存储和显示局放电流数据。

4.2 试验结果

为测试该系统在灯泡贯流式机组局放电流的监测和预防中的效用，本文挑选了T1～T5这5个时间节点，记录了该系统的传输速率、电流监测准确度、报警速度以及系统安全性，见表1。

在系统运行周期内，数据采集速率始终保持在每秒1010次以上，表明系统具备稳定、可靠的数据采集性能。这种高频率的数据采集确保了系统对局放电流的监测能力不受限制，并为后续数据分析提供了充分的数据支持。虽然电流监测准确度在不同时间节点间略有波动，但是整体保持在高水平。表明系统对局放电流的准确监测性能良好，能够稳定地提供准确的监测结果，有助于及时发现潜在问题或异常情况。报警速度在不同时间节点也有轻微波动，但总体上维持在3 s以内的较好水平。系统具备快速响应异常情况的能力，这是确保及时采取措施应对任何潜在风险或故障的关键因素。

快速响应表明系统能够在最短的时间内通知相关人员并采取必要行动，从而最大程度地减少潜在损失或风险。此外，系统的安全性在不同时间节点也均保持高水平，表明系统在运行过程中能够确保数据的安全性和系统的稳定性，有效防止未经授权的访问或数据泄露，并确保系统的正常运行和数据的完整性。

5 结语

综上所述，本文针对灯泡贯流式机组局放电流的监测和预防进行了研究，设计并实施了系统测试试验，评估了监测平台的稳定性、性能以及实时监测模块的表现。通过比较不同时间节点的数据采集速率、电流监测准确度、报警速度和系统安全性，验证了系统在全周期内的高性能和稳定性。该系统具备快速响应局放电流异常情况的能力，为提高机组运行的可靠性和安全性提供了有效手段。未来的工作将进一步优化系统性能、引入先进的监测技术，并探索更广泛的应用领域，以满足不断发展的工业需求。

参考文献

[1]杨明，侯春光，高有华.变压器铁心接地线局放脉冲电流与泄漏电流联合诊断的研究[J].电器与能效管理技术，2023（12）：1-7.

[2]周杰，张翾喆，丁凯，等.基于带电检测技术的氧化锌避雷器泄漏电流异常诊断与分析[J].中国设备工程，2023（24）：159-161.

[3]涂家栋.一起220kV GIS电压互感器超声波局放检测异常分析[J].江西电力，2023，47（6）：18-20.