陳昱　章銘　陳永煒　吳陽　董建強(qiáng)　閆忠凱

【摘 要】空氣開關(guān)柜是智能配網(wǎng)必不可少的設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是配網(wǎng)穩(wěn)定的重要保證。為了進(jìn)一步提高對(duì)空氣開關(guān)柜絕緣故障檢測(cè)分析能力，本文基于開關(guān)柜設(shè)備絕緣故障的研究方法，提出一種空氣開關(guān)柜內(nèi)部絕緣故障特征氣體組分檢測(cè)的方式。通過監(jiān)測(cè)開關(guān)柜局部放電下產(chǎn)生的氣體組分及含量，分析開關(guān)柜內(nèi)部放電情況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜絕緣狀態(tài)，為空氣開關(guān)柜絕緣故障的檢測(cè)提供了一種新思路。

【關(guān)鍵詞】空氣開關(guān)柜；絕緣故障；氣體分解；局部放電

中圖分類號(hào)： TM216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

輸配電設(shè)備的安全可靠性是保證整個(gè)電力系統(tǒng)能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。空氣開關(guān)柜由隔離開關(guān)、斷路器、保護(hù)裝置等構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過隔離開關(guān)斷開相互連接的設(shè)備，對(duì)電力設(shè)備和電力操作人員的安全起到保護(hù)作用。因此，開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中具有起著非常重要的作用[1-2]。由于在制造、運(yùn)送、安裝和使用過程中不可避免的各種因素，開關(guān)柜內(nèi)可能出現(xiàn)各種絕緣缺陷。例如，制造過程中導(dǎo)體本身可能形成金屬毛刺、運(yùn)送中易導(dǎo)致零件松動(dòng)或接觸性能變差、檢修過程可能造成腔體內(nèi)金屬微粒殘留等。此類絕緣缺陷易引發(fā)開關(guān)柜在運(yùn)行中的電場(chǎng)畸變，誘發(fā)發(fā)生局部放電（PD）[3]。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣缺陷，可能導(dǎo)致絕緣破壞而引發(fā)安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面社會(huì)影響。

1 開關(guān)柜絕緣檢測(cè)方法

設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)一般會(huì)產(chǎn)生電磁、聲、熱及光信號(hào)，放量能量引起絕緣氣體或者固體材料分解時(shí)，還會(huì)發(fā)生一些列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一些氣體或固體產(chǎn)物。常用于局放信號(hào)檢測(cè)方法主要包括：

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)PD信號(hào)低頻段定量檢測(cè)，是國(guó)際上廣泛認(rèn)可的方法，但不適用于在線監(jiān)測(cè)。

1.2 特高頻法

特高頻法通過在柜內(nèi)外安裝高頻傳感器，檢測(cè)由PD電流脈沖激發(fā)的電磁波信號(hào)，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，但電量標(biāo)定問題還有待解決。

1.3 暫態(tài)地電壓法

暫態(tài)地電壓法通過檢測(cè)暫態(tài)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)PD信號(hào)的監(jiān)測(cè)，但抗干擾能力較差，由于僅以暫態(tài)對(duì)地電壓為單一判據(jù)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)可靠性不是很高。

1.4 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法通過提取傳播時(shí)間差來計(jì)算PD源的位置，應(yīng)用靈活，但超聲波信號(hào)折反射會(huì)導(dǎo)致波形信號(hào)嚴(yán)重失真，對(duì)實(shí)際操作人員具有較高的要求。

1.5 氣體組分分析法

當(dāng)高壓設(shè)備有局放發(fā)生時(shí)，電子碰撞作用會(huì)使絕緣介質(zhì)發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一些特定的氣體成分。絕緣介質(zhì)分解產(chǎn)生的氣體成分、濃度、速率等特性與局部狀況相關(guān)，氣體分解特性可反應(yīng)出柜體絕緣狀態(tài)。

空氣開關(guān)柜內(nèi)的空氣是由21%的O2、78%的N2以及少量CO2等構(gòu)成的混合氣體。放電或者過熱引起混合氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一些含氮化合物及CO、CO2等氣體[4]。不同類型的絕緣缺陷引起PD的特性及其作用下的氣體分解特性均具有明顯的差異，因此根據(jù)氣體分解組分特征、放電量的變化，可以掌握開關(guān)柜內(nèi)部絕緣缺陷類型的性質(zhì)和特征。本文通過監(jiān)測(cè)開關(guān)柜局部放電下產(chǎn)生的氣體組分，根據(jù)放電組分特性分析開關(guān)柜內(nèi)部放電情況，反演開關(guān)柜絕緣狀態(tài)[5-6]。

2 氣體成分檢測(cè)技術(shù)

目前，氣體檢測(cè)技術(shù)主要分為以下方式[7]：

2.1 真空電離技術(shù)

由于混合氣體中不同成分在高頻電磁場(chǎng)作用下具有不同電離程度，因此測(cè)電離度可反映氣體含量，目前一般采用壓強(qiáng)作為電離程度的表征量。但該技術(shù)受測(cè)試環(huán)境溫度影響較大，對(duì)硬件制造水平很高，還不適用于現(xiàn)場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)。

2.2 紅外光譜檢測(cè)技術(shù)

由于不同氣體對(duì)紅外線具有不同的能量吸收特性，因此可利用紅外光譜分析氣體組分。但需根據(jù)特定氣體研制相應(yīng)的紅外傳感器，配置標(biāo)準(zhǔn)氣室，硬件成本較高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可行性較低。

2.3 電化學(xué)傳感器技術(shù)

電化學(xué)傳感器通過與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體檢測(cè)，對(duì)二氧化硫、硫化氫、臭氧等具有較好的檢測(cè)效果，測(cè)量精度早已達(dá)到1ppm，應(yīng)用比較廣泛，本文選用電化學(xué)傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

3 應(yīng)用方案

3.1 基本原理

電化學(xué)氣體傳感器利用電解池原理，將空氣中某種化學(xué)氣體通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，通過檢測(cè)電信號(hào)的大小可得到相應(yīng)氣體的濃度。根據(jù)實(shí)際工作原理可以分為以下類型：

（1）當(dāng)電極和電解質(zhì)溶液的界面保持一個(gè)恒電位時(shí)，通過直接將氣體氧化或還原，將通過外電路的電流作為傳感器的輸出信號(hào)。

（2）將溶解于電解質(zhì)溶液的氣態(tài)物質(zhì)離子作用于離子電極，把產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)作為傳感器的輸出信號(hào)。

（3）將氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)產(chǎn)生的電解電流作為傳感器的輸出信號(hào)。

（4）采用有機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)凝膠電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、固體聚合物電解質(zhì)等其他材料代替電解質(zhì)溶液作為傳感器材料。

本文采用定電位電解氣體傳感器，特定氣體固有的氧化還原電位決定設(shè)定電位，與電極材質(zhì)、電解質(zhì)種類相關(guān)。電解電流與氣體濃度的關(guān)系為：

上式表明電解電流與被測(cè)氣體濃度成正比，根據(jù)氣體電解時(shí)所產(chǎn)生的電流可計(jì)算得到被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

開關(guān)柜絕緣劣化氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要由探頭模組、接線模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、外圍電路及上位機(jī)組成[8]，如圖1所示。探頭模組用于測(cè)量氣體組分濃度，并以電位變化反應(yīng)氣體組分濃度的信息，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的測(cè)量。接線模塊用于將探頭模組測(cè)量電信號(hào)輸送到后續(xù)電路中進(jìn)行處理，接線是否緊密對(duì)電位影響較大（瞬間變化的電信號(hào)將覆蓋有用信號(hào)），也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集端造成影響，因此接線系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性。數(shù)據(jù)采集模塊采用基于CPLD的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)開關(guān)柜氣體濃度的實(shí)時(shí)分析，相對(duì)其他單片機(jī)采集處理模塊具有更快的響應(yīng)速度。數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù)據(jù)采集卡完成信號(hào)采集處理，處理速度快、內(nèi)存大、存儲(chǔ)容量大，功耗較低，接收上位機(jī)控制指令并做出反應(yīng)。上位機(jī)用于分析顯示開關(guān)柜內(nèi)部氣體組分狀況，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

檢測(cè)系統(tǒng)的具體工作流程：開機(jī)自檢，確認(rèn)各部件正常工作之后開始運(yùn)行。由上位機(jī)進(jìn)行控制選擇需要進(jìn)行測(cè)量的區(qū)域，探頭模組開始工作，通過氧化還原反應(yīng)，將氣體濃度轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，經(jīng)過放大濾波后有單片機(jī)分析處理，計(jì)算出各個(gè)氣體濃度等相關(guān)信息，并傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)所建立的氣體擴(kuò)散模型以及不同絕緣模型下氣體濃度等信息進(jìn)行分析出來，并對(duì)是否出現(xiàn)局部放電、具體的局部放電等分析結(jié)果進(jìn)行顯示。

3.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下幾方面的功能：

（1）對(duì)單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)配置初始化，并對(duì)電路板工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；

（2）控制ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)測(cè)得的電壓信號(hào)按路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

（3）從模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和串口中獲得的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析，得出待測(cè)處的氣體濃度值；

（4）對(duì)測(cè)得的氣體濃度輸出實(shí)時(shí)顯示；

（5）根據(jù)分析結(jié)果命令進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警；

主程序流程圖如圖2所示，主要包括：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)接收發(fā)送、以及報(bào)警等模塊。

主程序的執(zhí)行過程為：當(dāng)系統(tǒng)上電或者復(fù)位后，首先對(duì)CPU內(nèi)部運(yùn)行和各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化設(shè)置，主要完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的配置，對(duì)I/O口和A/D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行配置，相關(guān)事件管理器的初始化配置，定時(shí)器中斷配置，串口通信的配置以及對(duì)各個(gè)變量賦初始值。系統(tǒng)初始化后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，然后單片機(jī)片內(nèi)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換單元開始對(duì)信號(hào)處理單元（對(duì)測(cè)量探頭采集到的信號(hào)處理）測(cè)得的電壓信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到CO、CO2、NO2等氣體濃度值后顯示并發(fā)送給上位機(jī)，另一方面單片機(jī)還從串口中得到CO2氣體濃度值，經(jīng)過處理后進(jìn)行顯示且發(fā)送給上位機(jī)。一旦接受到上位機(jī)發(fā)送過來的報(bào)警命令，則單片機(jī)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。此時(shí)需對(duì)單片機(jī)復(fù)位或重新啟動(dòng)才能繼續(xù)工作。

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