凝露水浸監測報警系統的研究和應用

蔣威 方揚 童佳明 吳邦

摘 要：隨著社會用電量的大幅增加，對電力系統供電可靠性的要求越來越高。本文分析了變電站戶外設備箱出現凝露的原因，針對凝露出現可能會造成的危害，利用水浸檢測線原理，設計了一款基于STM32微處理器的凝露水浸檢測報警系統，能夠準確及時檢測到設備箱體內凝露進水現象，并實時進行數據傳輸及報警，有效地避免了設備箱因凝露進水造成的嚴重故障。

關鍵詞：凝露;變電站;水浸檢測線

變電站戶外設備受環境條件影響很大，夏季的雷雨過后或秋冬季氣溫驟降導致設備內外溫差過大，設備箱體內壁、頂部、端子排上往往會出現凝露現象，遇到暴雨或者防雨罩漏水，還可能在柜體底部形成積水，極易造成設備絕緣或銹蝕，嚴重時則可能引起直流接地或端子短路，造成保護誤動或拒動[1-3]。因此如何及早發現電力設備內部的凝露或進水的情況，并及時地向運行檢修人員報警以安排處理尤為關鍵。

有基于此，本文利用水浸檢測線原理，設計了一款基于STM32微處理器的凝露水浸檢測報警系統，能夠準確及時檢測到設備箱體內凝露進水現象，并實時進行數據傳輸及報警，有效地避免了設備箱因凝露進水造成的嚴重故障[4-6]。

1 設備箱凝露形成的原因

1.1 凝露形成的原理

凝露簡單的說就是凝結的露珠，是空氣中的水蒸氣達到飽和度的程度時，在溫度相對較低的物體上凝結成小水珠的一種現象;而當雨水或凝露順著柜體流入柜中形成積水，這種現象稱為水浸[7]。電力工程凝露多發于箱體內壁、頂部、端子排等部位，多發于夏季雷雨后或冬季氣溫驟降清晨;而水浸大多發生于大雨天氣和梅雨季節。

1.2 凝露的危害

設備箱端子排上形成的凝露會對端子排上的金屬導電部位造成腐蝕，腐蝕較重或混入灰塵等其他雜質后易造成直流接地，更嚴重的甚至造成端子排短路引起開關誤動作，造成停電事故;在開關或刀閘上形成的凝露會腐蝕內部的金屬部件，影響設備的使用壽命，嚴重時則會導致開關或刀閘在分合時設備不能運行到位，如果因此使得開關動靜觸頭慢分慢合，則會釀成極大的電力事故。

2 系統設計要求

2.1 目標設定

結合實際需求，系統設計要滿足以下目標：

1. 進水/凝露發生時，能夠及時檢測到;

2. 本地設備有指示標記;

3. 進水/凝露故障及時傳遞到后臺服務并能及時通知運維人員;

4. 數據傳輸安全可靠;

5. 故障消除后通知到運維人員;

6. 后臺數據可追溯并且能可視化展示;

7. 后臺設備管理，權限管理合理可靠;

2.2 系統框架

變電站凝露水浸報警系統前端采用傳感器檢測進水、凝露;中央處理器負責采集傳感器輸入，傳感器數據分析，連接數據傳輸單元;數據傳輸單元負責連接移動互聯網，將數據傳輸到平臺;平臺負責設備管理，用戶管理，權限管理，報警管理，數據存儲與展示等功能。系統框架設計如圖1所示。

3 系統技術方案

3.1 方案選擇

進水凝露檢測方案選擇水浸檢測傳感器，該檢測原理是利用水的導電性。當有水接觸時，傳感器的兩根感應線便會短接，形成兩個回路，從而發生電流的變化，控制器通過快速處理，可以確認出是否有水浸入，從而觸發報警。該方案穩定可靠，抗干擾能力強。

由于DSP電路抑郁集成實現，但研發成本高，續航能力差;FPGA可編程電路研發成本低，但電源要求高且邏輯性較弱。因此中央處理器選擇了結構簡單、抗干擾能力強，功能強、處理速度較快的單片機電路。

數據傳輸方案選擇市面上普遍成熟的4G通訊技術，該技術通信速度快，價格在可接受范圍，數據傳輸可靠，實用性高。

平臺選擇云服務平臺，成本低，隨時可用，穩定性高且服務豐富。

3.2 總體設計

3.2.1監測模塊

系統對水浸線電流值進行實時采樣，通過換算為阻抗值來判斷是否發生凝露或進水，當判斷為故障時本地指示燈提示，并通過4G模塊連接到服務器，同時能將設備進水、凝露、溫度、濕度等數據發送到云服務平臺。系統檢測模塊電路原理圖如圖3所示。

檢測模塊包括水浸監測、凝露監測以及溫濕度監測三部分。水浸監測部分如圖3（a）所示，將可變電容C_HUMIDITY_1作為水浸傳感器，當變電站設備箱體沒有進水時，可變電容C_HUMIDITY_1的電介質為空氣，當箱體內部有進水時，可變電容C_HUMIDITY_1的兩極之間的電介質由于進水情況而發生改變，導致電容發生變化。將可變電容C_HUMIDITY_1和電阻R165并聯作為一個可變阻抗，WATER_AD_IN_1端口測量可變阻抗與電阻R174串聯處的分電壓值，該分電壓值作為采集信息傳送給控制芯片U1處理，進而通知工作人員設備箱體的水浸情況。

凝露監測電路如圖3（b）所示，分為兩個電路結構相同的模塊，采用電容式傳感器進行進水和凝露的監測，電容式傳感器具有穩定可靠、抗干擾能力強以及靈敏度高的特點，符合變電站設備箱體進水凝露監測報警裝置的需求。

多個凝露監測電路的設計可以提高凝露監測的可靠性，不僅可以在其中一個凝露監測電路出現故障時能夠及時使用另外備用的凝露監測電路繼續監測，同時也可以兩個凝露監測電路，取兩者監測結果的平均值來提高監測準確性。通過水浸監測電路和凝露監測電路，實現既能夠監測到箱體內部進水情況，又能監測到箱體表面凝露情況，使變電站箱體的監測更加全面，進一步提高了變電站設備的運行穩定性。

溫濕度監測電路，用于對變電站設備的溫濕度環境進行監測，如圖3（c）所示， 溫濕度傳感器芯片U8采集溫濕度信息，并通過芯片內部的模數轉換器將溫濕度信息的模擬信號轉換為數字信號，并通過SDA引腳發送給控制芯片U1進行處理，通過SCL引腳實現溫濕度傳感器芯片U8和控制芯片U1之間的通訊同步。

通過溫濕度傳感器采集數據，并通過控制模塊對采集到的數據進行算法處理，得到變電站設備所處環境的溫度與濕度值，并于工作人員及時了解變電站設備的工作情況，對進水凝露的監測起到輔助作用。

3.2.2控制模塊

控制模塊電路如圖4所示，

控制模塊包括：控制芯片U1的OSC_IN/PD0引腳經電容C11接地，控制芯片U1的OSC_OUT/PD1引腳經電容C12接地，同時晶振Y1和電阻R9分別并聯在OSC_IN/PD0引腳和OSC_OUT/PD1引腳之間;控制芯片U1的VSS_1引腳、VSS_2引腳、VSS_3引腳和VSSA引腳均接地，控制芯片U1的BOOT0引腳經電阻R2接地，控制芯片U1的VBAT引腳、VDD_1引腳、VDD_2引腳、VDD_3引腳、VDDA引腳均連接電源模塊中的3.3V供電端，同時控制芯片U1的VBAT引腳與VDD_1引腳相連，控制芯片U1的NRST引腳經電阻R1連接電源模塊中的3.3V供電端;控制芯片U1的VDDA引腳經電容C9接地，電容C9的兩端還并聯有電容C10，控制芯片U1的VDD_1引腳經電容C14接地，控制芯片U1的VDD_2引腳經電容C15接地，控制芯片U1的VDD_3引腳經電容C16接地，控制芯片U1的NRST引腳經電容C13接地。

通過8MHz的晶振Y1為控制芯片U1提供時鐘信號，控制芯片U1接收來自監測模塊的采集信息，并通過模數轉換器的處理，得到反映進水和凝露監測結果的數字信號，根據處理結果控制報警模塊。

3.2.3 通信模塊

系統通信模塊電路圖如圖5所示，包括串口通信電路和無線通信電路，其中串口通信電路包括：RS485收發器U12的1引腳連接控制芯片U1的PA10引腳，RS485收發器U12的2引腳和3引腳相連，RS485收發器U12的3引腳連接控制芯片U1的PA11，RS485收發器U12的4引腳連接控制芯片U1的PA9引腳，RS485收發器U12的5引腳接地，RS485收發器U12的6引腳經電阻R301連接電源模塊中的3.3V供電端，RS485收發器U12的7引腳經電阻R303接地，RS485收發器U12的6引腳和7引腳之間還并聯有電阻R302，RS485收發器U12的8引腳連接電源模塊中的3.3V供電端，還經電容C306接地。無線通信電路包括：4G模塊U3的VCC引腳連接電源模塊的直流5V供電端，4G模塊U3的GND引腳接地，4G模塊U3的485_A引腳連接RS485收發器U12的6引腳，4G模塊U3的485_B引腳連接RS485收發器U12的7引腳，4G模塊U3的OUT引腳連接TCP/IP接口。

通過RS485收發器U12和4G模塊U3實現信息傳輸，并且相比其他數據傳輸技術，4G無線通信技術具有數據傳輸可靠、實時性高的特點，能夠將變電站設備箱體的進水和凝露信息實時發送給工作人員，例如工作人員可通過手機短信提醒變電站設備箱體出現進水或凝露情況。

3.2.4 報警模塊

系統報警模塊電路圖如圖6所示。

通過LED接口控制LED燈，當出現進水和凝露情況是開啟LED指示燈報警，具體包括：LED接口的GND引腳接地，LED接口的KEY1引腳連接控制芯片U1的PA15/JTDI引腳，LED接口的DS1_CON引腳連接控制芯片U1的PC14-OSC32_IN引腳，LED接口的DS2_CON引腳連接控制芯片U1的PB7引腳，LED接口的DS3_CON引腳連接控制芯片U1的PB6引腳，LED接口的DS4_CON引腳連接控制芯片U1的PB5引腳，LED接口的DS5_CON引腳連接控制芯片U1的PB4/JNTRST引腳，LED接口的DS6_CON引腳連接控制芯片U1的PB3/JTDO引腳。

控制芯片U1根據對采集信息的處理結果，控制DS1_CON引腳、DS2_CON引腳、DS3_CON引腳、DS4_CON引腳、DS5_CON引腳和DS6_CON引腳的電平高低，進而控制不同的LED燈導通亮起，指示該區域的變電站設備箱體有進水或凝露情況，需要工作人員前往維護。

3.2.5 電源模塊

系統電源模塊電路圖如圖7所示。

電源模塊包括交流轉直流電路和穩壓電路，分別為監測報警裝置提供5V供電端和3，3V供電端，具體包括：交流轉直流芯片VR1的VIN引腳連接交流220V電源，交流轉直流芯片VR1的VOUT引腳引出直流5V供電端。穩壓芯片VR2的Vin引腳連接直流5V供電端，穩壓芯片VR2的Vout引腳連接3.3V供電端，穩壓芯片VR2的Vin引腳接地，穩壓芯片VR2的Vin引腳還經電解電容C91接地，穩壓芯片VR2的Vout引腳還經電解電容C92接地。

通過交流轉直流芯片VR1的VIN引腳接入220V交流電源，經交流轉直流芯片VR1轉換出5V直流電源，5V直流電源為通信模塊130中的4G模塊供電。再將5V直流電源經過穩壓芯片VR2轉換出3.3V直流電源，3.3V直流電源為控制芯片U1、溫濕度傳感器芯片U8以及通信模塊130中的RS485收發器供電。

4 系統應用效果

杭州處在南方雨水充足地區，由于開關柜密封條老化以及年久失修，大量變電站的開關柜內存在一定的水浸和凝露的問題，其中以寧圍變最為嚴重。頻繁的現場視察消耗大量的人力以及物力，杭州供電公司急需凝露和水浸監控設備。本課題組在220千伏寧圍變的開關柜內試點安裝了凝露水浸報警機。

通過該裝置工作人員只需通過云服務平臺即可查看每個開關柜的歷史數據和當前數據，即溫度、濕度、是否進水、是否凝露等;當檢測到故障時，系統還可對相關人員進行短信告知，不僅提升了缺陷處理的效率，增強了電網運行的可靠性，而且節約了大量的人力和物力成本。

圖8-10為該凝露水浸報警機云平臺上傳的相關數據。其中圖8為正常情況下開關柜內溫濕度數據情況;圖9為發生凝露情況下開關柜內溫濕度數據情況（注：系統在02：50發出凝露報警，檢修人員于05：10左右處理完畢，告警復歸）;圖10為發生進水情況下開關柜內溫濕度數據情況（注：系統在18：30左右發出水浸報警，檢修人員于19：40左右處理完畢，告警復歸）。

由此可見，通過該裝置可以充分減少運維檢修人員到現場進行勘察的次數，極大地提升進水、凝露故障的處理效率，有效地避免發生因凝露進水造成的嚴重故障。通過裝置上傳的數據，僅對頻繁發生凝露進水的箱體進行治理，避免無差別治理，極大節約了企業成本，提升了運維效益。

5 結語

箱體進水凝露檢測系統投入使用后實現了由定期人工開箱檢查到自動化7*24小時不間斷實時監測的轉變，保障了作業人員人身安全，極大地提高了工作效率。運行實踐表明，箱體凝露進水檢測系統能防患于未然，在凝露進水安全線之前就發出告警，提示故障處理，其提供的數據準確、及時且可靠，有效地避免發生因凝露進水造成的嚴重故障，箱體凝露進水檢測系統的應用達到了預期目的。

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作者簡介：

蔣威（1993），男，助理工程師，從事變電檢修一次工作。