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

利用電暈高壓放電法產生臭氧的原理，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?？諝饣蜓鯕馔ㄟ^放電間隙，氧分子受到電子的激發而獲得能量，并互相發生彈性碰撞，聚合成臭氧分子。

可見，高壓開關柜室內環境異常會出現一些前期現象，如柜內異常放電的初始階段會產生大量臭氧［3］，空調或除濕機故障導致溫濕度異常等。臭氧預警系統對開關柜室內環境狀況進行實時檢測，通過各類型探頭實時讀取室內環境參數，并根據試驗和現場測試情況設置準確的預警值，用于識別環境的正常和異常情況。臭氧預警系統能自動檢測并通過移動網絡向后臺運維班組與管理人員發送報警信息，使其能及時安排帶電檢測，以進一步確認內部故障情況，進而采取必要手段防范設備事故的發生。

2 臭氧預警系統原理

2.1 系統架構

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

圖1 臭氧預警系統架構

2.2 探測設備

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

探測設備還可以對高壓開關柜室內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，根據傳感器檢測數值換算為臭氧濃度，達到報警閾值后，生成預警信息并下發。

預警設備支持全球移動通信系統、碼分多址網絡，可以向移動、電信、聯通手機發送預警信息。

預警系統基于J2EE平臺［7］，采用瀏覽器／服務器軟件架構，總體上分為數據層、應用層和展現層三層。數據層主要負責系統運行的基礎數據存儲，包括電網一次設備信息、二次設備與監控信號信息、一次運行方式的電網二次系統告警信息等。應用層基于數據層搭建，主要包括電網一次、二次設備與監控信號關聯建模，檢修方式跟蹤建模，電網仿真等。展現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，在工作電極發生還原反應，在對電極發生氧化反應。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成正比。對這一電流經過電路系統處理，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，進而實現臭氧濃度預警。通過多次選型和測試，最終采用工業級測控器設備，集成RS485模擬信號輸入，數值轉換公式、全球無線通信系統［10］、可編程模塊化設計功能，最終實現信號輸出轉換、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，如何能實現集中預警及對系統各設備進行集中管理和維護，成為需要考慮的問題。

為此，在系統設計時重點考慮系統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送遠程指令至預警手機卡。系統接收遠程指令后，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，再交由后臺模塊執行指令，并返回執行結果。

預警系統后臺管理軟件支持的短信指令多達242條，涵蓋設備管理、數據管理、輸入輸出量管理等多個方面，從而實現遠程設備的可控、可管理。

2.7 可擴展性

當傳感器規模部署時，測控器支持的遠程通信模塊可依托電力內部數據傳輸網構建設備監控網絡，使各型設備可通過設備監控網絡實行統一認證管理。

測控器采用統一的標準協議，可支持RS482、RS232等工業控制信號向傳輸控制協議轉換，從而為后續各變電站增加其它監控或工業設備提供數據接入和管理功能。

采用標準電氣接口，極易與其它工控設備連接，對各種使用環境現場數據進行監測與報警，支持通過短信進行報警與數據查詢，也可以通過全球移動通信系統的無線分組交換技術，將數據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，可以滿足同時對多個分散廣、距離遠、無人值守的遠程監控點測控的要求。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

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

通過臭氧預警系統的部署，能夠實時對高壓開關柜室環境進行監測，檢測室內臭氧濃度，后續還可監測其它有害氣體的濃度。后臺管理人員可隨時調用查看濃度值，制訂巡檢優先級，并為針對性檢查提供精準數據。

3.2 數據記錄和存儲

臭氧預警系統具備數據存儲功能，可對日常記錄數據進行本地及異地存儲。通過對數據的對比，可以為故障原因分析提供有力的數據支撐。

3.3 異常情況報警

臭氧預警系統在高壓開關柜室內設置多個傳感器，能及時發現并判斷高壓開關柜內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。臭氧預警系統能夠采集高壓開關柜室內的環境參數，并根據讀數分析判斷高壓開關柜是否有異常。系統建成后，預警信息能及時發送至維護人員，提高了電力系統運行的安全性。