基于臭氧檢測的高壓開關柜初始放電預警技術

唐傳佳， 劉志存， 陳立新， 王克杰， 吳 凡

蚌埠供電公司 安徽蚌埠 233000

1 研究背景

隨著變電站高壓開關柜的普遍應用，高壓開關柜內(nèi)部異常放電帶來的設備事故越來越多，給電網(wǎng)安全運行帶來諸多隱患。尤其是35 k V開關柜，常常因為內(nèi)部絕緣受潮、老化而造成絕緣下降，進而引發(fā)設備短路事故［1］。目前高壓開關柜室的維護系統(tǒng)，通常只配備空調(diào)和除濕機，僅用于高壓開關柜室環(huán)境的調(diào)溫和調(diào)濕。對于高壓開關柜內(nèi)部初始或隱形放電故障，未設預先發(fā)現(xiàn)和檢測系統(tǒng)，只能憑值班員現(xiàn)場運行經(jīng)驗，通過耳聽鼻嗅來間接判斷。隨著巡視周期的延長，對內(nèi)部放電異常未能及時發(fā)現(xiàn)，進而常常造成設備事故。

利用電暈高壓放電法產(chǎn)生臭氧的原理，在兩個平行的高壓電極之間平行放置一個介電體［2］，并保持一定的放電間隙。當在兩極間通入高壓交流電時，在放電間隙會形成均勻的藍紫色電暈放電。空氣或氧氣通過放電間隙，氧分子受到電子的激發(fā)而獲得能量，并互相發(fā)生彈性碰撞，聚合成臭氧分子。

可見，高壓開關柜室內(nèi)環(huán)境異常會出現(xiàn)一些前期現(xiàn)象，如柜內(nèi)異常放電的初始階段會產(chǎn)生大量臭氧［3］，空調(diào)或除濕機故障導致溫濕度異常等。臭氧預警系統(tǒng)對開關柜室內(nèi)環(huán)境狀況進行實時檢測，通過各類型探頭實時讀取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)試驗和現(xiàn)場測試情況設置準確的預警值，用于識別環(huán)境的正常和異常情況。臭氧預警系統(tǒng)能自動檢測并通過移動網(wǎng)絡向后臺運維班組與管理人員發(fā)送報警信息，使其能及時安排帶電檢測，以進一步確認內(nèi)部故障情況，進而采取必要手段防范設備事故的發(fā)生。

2 臭氧預警系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)架構

通過在高壓開關柜室內(nèi)安裝傳感器來監(jiān)測室內(nèi)臭氧濃度和溫濕度［4］，系統(tǒng)可設置報警閾值，檢測值超出閾值后［5］，由探頭產(chǎn)生報警脈沖信號，并傳輸至測控器［6］。由測控器觸發(fā)預警信息，并通過內(nèi)置的通信模塊向監(jiān)控人員終端發(fā)送預警短信。臭氧預警系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 臭氧預警系統(tǒng)架構

2.2 探測設備

探測設備對高壓開關柜內(nèi)部的異常能夠及時探測，并觸發(fā)預警信號，同時配合檢測高壓開關柜室內(nèi)的空調(diào)、除濕機運行工況。

探測設備還可以對高壓開關柜室內(nèi)的有害氣體進行在線檢測。

2.3 預警設備

預警設備接收前端傳感器的預警信號，根據(jù)傳感器檢測數(shù)值換算為臭氧濃度，達到報警閾值后，生成預警信息并下發(fā)。

預警設備支持全球移動通信系統(tǒng)、碼分多址網(wǎng)絡，可以向移動、電信、聯(lián)通手機發(fā)送預警信息。

預警系統(tǒng)基于J2EE平臺［7］，采用瀏覽器／服務器軟件架構，總體上分為數(shù)據(jù)層、應用層和展現(xiàn)層三層。數(shù)據(jù)層主要負責系統(tǒng)運行的基礎數(shù)據(jù)存儲，包括電網(wǎng)一次設備信息、二次設備與監(jiān)控信號信息、一次運行方式的電網(wǎng)二次系統(tǒng)告警信息等。應用層基于數(shù)據(jù)層搭建，主要包括電網(wǎng)一次、二次設備與監(jiān)控信號關聯(lián)建模，檢修方式跟蹤建模，電網(wǎng)仿真等。展現(xiàn)層提供各類分析界面，可以通過圖形的方式展示分析結果，以供查看報告。

2.4 臭氧濃度檢測

通用的臭氧濃度檢測設備按照原理可分為紫外吸收型、半導體氣敏傳感器型、電化學傳感器型［8］及化學變色型四種。筆者采用的是電化學傳感器型，具有良好的選擇性、可靠性和較長的預期壽命，廣泛應用于靜態(tài)與移動場合。

電化學傳感器型臭氧濃度檢測設備為一微型燃料電池，由工作電極、對電極、參比電極、電解液和電路系統(tǒng)等部件構成。工作電極和參比電極之間能保持一個恒定的電位值，當臭氧擴散進入檢測設備時，在工作電極發(fā)生還原反應，在對電極發(fā)生氧化反應。對電極和工作電極之間形成微小的電流，此電流與進入檢測設備的臭氧濃度在一定范圍內(nèi)成正比。對這一電流經(jīng)過電路系統(tǒng)處理，可計算出臭氧濃度［9］。

2.5 信號轉換

傳感器采用模擬信號輸出，由測控器將模擬信號轉換為濃度值，進而實現(xiàn)臭氧濃度預警。通過多次選型和測試，最終采用工業(yè)級測控器設備，集成RS485模擬信號輸入，數(shù)值轉換公式、全球無線通信系統(tǒng)［10］、可編程模塊化設計功能，最終實現(xiàn)信號輸出轉換、閾值預警提醒及遠程維護。

測控器的模擬信號接線采用二線制，由直流電源模塊和信號輸入輸出模塊組成。由傳感器輸出的電流信號I可通過下式換算為臭氧濃度N：

式中：C為傳感器量程。

2.6 管理模塊

臭氧預警系統(tǒng)傳感器所在的變電站具有距離遠、分布散、無人值守等特點，因此前端探測點在部署后，如何能實現(xiàn)集中預警及對系統(tǒng)各設備進行集中管理和維護，成為需要考慮的問題。

為此，在系統(tǒng)設計時重點考慮系統(tǒng)設備的自管理和遠程管理接入功能。配置預警手機卡及管理員手機號碼，以手機短信的形式發(fā)送遠程指令至預警手機卡。系統(tǒng)接收遠程指令后，通過判斷源號碼是否為管理員手機號碼決定指令是否有效。當指令有效后，再交由后臺模塊執(zhí)行指令，并返回執(zhí)行結果。

預警系統(tǒng)后臺管理軟件支持的短信指令多達242條，涵蓋設備管理、數(shù)據(jù)管理、輸入輸出量管理等多個方面，從而實現(xiàn)遠程設備的可控、可管理。

2.7 可擴展性

當傳感器規(guī)模部署時，測控器支持的遠程通信模塊可依托電力內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)構建設備監(jiān)控網(wǎng)絡，使各型設備可通過設備監(jiān)控網(wǎng)絡實行統(tǒng)一認證管理。

測控器采用統(tǒng)一的標準協(xié)議，可支持RS482、RS232等工業(yè)控制信號向傳輸控制協(xié)議轉換，從而為后續(xù)各變電站增加其它監(jiān)控或工業(yè)設備提供數(shù)據(jù)接入和管理功能。

采用標準電氣接口，極易與其它工控設備連接，對各種使用環(huán)境現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與報警，支持通過短信進行報警與數(shù)據(jù)查詢，也可以通過全球移動通信系統(tǒng)的無線分組交換技術，將數(shù)據(jù)實時傳送給中心測控程序。由多個測控器與中心測控程序組建的遠程測控系統(tǒng)，可以滿足同時對多個分散廣、距離遠、無人值守的遠程監(jiān)控點測控的要求。測控器后臺管理平臺如圖2所示。

圖2 測控器后臺管理平臺

3 預警效果

3.1 臭氧濃度檢測

對于高壓開關柜內(nèi)部初始和隱形放電故障，原本沒有預先發(fā)現(xiàn)和檢測系統(tǒng)，只能憑值班員現(xiàn)場運行經(jīng)驗，由耳聽鼻嗅來間接判斷。隨著巡視周期的延長，對內(nèi)部放電異常不能夠及時發(fā)現(xiàn)，容易造成設備事故。

通過臭氧預警系統(tǒng)的部署，能夠實時對高壓開關柜室環(huán)境進行監(jiān)測，檢測室內(nèi)臭氧濃度，后續(xù)還可監(jiān)測其它有害氣體的濃度。后臺管理人員可隨時調(diào)用查看濃度值，制訂巡檢優(yōu)先級，并為針對性檢查提供精準數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)記錄和存儲

臭氧預警系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)存儲功能，可對日常記錄數(shù)據(jù)進行本地及異地存儲。通過對數(shù)據(jù)的對比，可以為故障原因分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.3 異常情況報警

臭氧預警系統(tǒng)在高壓開關柜室內(nèi)設置多個傳感器，能及時發(fā)現(xiàn)并判斷高壓開關柜內(nèi)部高壓設備的異常放電故障，并通過無線通信模塊向多個后臺管理人員提供短信報警，為運檢人員及時處置、消除設備隱患提供技術支持。

4 結論

筆者研究了基于臭氧檢測的高壓開關柜初始放電預警技術，建立了臭氧預警系統(tǒng)。臭氧預警系統(tǒng)能夠采集高壓開關柜室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)讀數(shù)分析判斷高壓開關柜是否有異常。系統(tǒng)建成后，預警信息能及時發(fā)送至維護人員，提高了電力系統(tǒng)運行的安全性。