高壓開關柜絕緣監測及防凝露調控系統設計

彭紅霞， 李濤， 牛碩豐， 李永生， 劉相興， 顏曉婷， 趙濤

(1.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

0 引 言

高壓開關柜通常為金屬封閉結構，在長期運行中存在絕緣劣化導致的絕緣缺陷[1-2]，較惡劣的運行環境條件是導致開關柜出現絕緣缺陷的主要原因。開關柜在運行過程中，因為內部散熱和除濕能力不足，容易引起濕度超限和凝露現象，造成設備絕緣性能下降，引發設備絕緣放電[3-4]、對零部件腐蝕[5]103和接地故障[6]等。開關柜內部局部放電和凝露現象嚴重危害設備的正常運行，誘發絕緣故障直接影響配電網的供電可靠性。

目前開關柜局部放電檢測的方法主要有超聲法、暫態地電壓法(TEV)和特高頻法等[7]。由于開關柜結構緊湊且數量龐大，在現場局部放電的在線監測應用中還存在較多問題需要解決，如在線監測裝置結構復雜但功能單一，現場安裝和通信方式不合理，以及監測結果的可靠性不高等問題。

在開關柜防凝露方面，相關人員主要從凝露危害和防凝露措施方面進行了研究，對凝露的形成機理研究相對較少，難以明確給出不同環境下的凝露發生條件。現場防凝露措施主要采用經驗閾值控制加熱器調節開關柜內部溫度來實現[5]103-105，功能單一且通常不具備通信和程控功能，導致在防凝露問題上的效果欠佳[8]。

針對上述問題，本文設計開發了一套開關柜絕緣狀態在線監測及防凝露調控系統。系統綜合局部放電聯合監測技術、溫濕度監測和調控技術實現對開關柜內部絕緣狀態及溫濕度情況的在線監測，并能夠協調控制加熱器、冷凝器和風機等多種環境調節設備，實現對開關柜運行環境溫濕度的調控，預防凝露現象的發生。同時系統應用有利于提高開關柜設備的絕緣狀態感知能力和自動化水平。

1 系統方案

系統總體設計方案如圖1所示，系統由傳感器、數據采集器和集中器三部分組成。傳感器包括超聲、TEV和溫濕度傳感器，實現開關柜局部放電和內部溫濕度的在線監測。數據采集器主要完成各傳感器信號的同步采集以及加熱器、冷凝器和風機等裝置開關狀態的采集，并根據環境參量信息自動控制加熱器、冷凝器和風機等裝置，調節開關柜內部溫濕度條件。數據采集器通過RS485有線或433M無線方式將開關柜狀態特征參數傳輸至集中器。集中器完成與數據采集器的數據交換，并具有數據統計、顯示、報警及數據上傳功能。

圖1 系統總體設計方案

2 系統開發

2.1 傳感器

為提高局部放電檢測的靈敏度和可靠性，本系統采用超聲和TEV聯合檢測方式實現開關柜局部放電的診斷。超聲傳感器為空氣傳導式，中心頻率40 kHz，靈敏度-68 dB。TEV傳感器采用貼片式結構，傳感器內上極板與開關柜外表面間距為2 mm，傳感器等效電容為40 pF，TEV信號檢測頻率范圍為3 MHz～100 MHz。

溫濕度監測采用高精度SHT20溫濕度傳感器實現，通過RS485硬件接口接入數據采集器。

2.2 數據采集器

數據采集器基于Vivado開發，采用Cortex-A9型處理器和16位高速AD9265模塊，設計實現1路TEV傳感器信號和3路超聲傳感器信號的數據采集。同時設計有4路RS485接口，2路開關量輸入和4路繼電器輸出接口，可實現溫濕度傳感器信號獲取以及對開關柜內加熱器、冷凝器和風機等設備的開關狀態的采集和控制。數據采集器硬件可編程框架如圖2所示。ZYNQ(PL)完成數據流匯聚以及對外設控制的功能，數據流主要包含局部放電采集數據和溫濕度傳感器數據。AXI_AD9265完成對硬件AD9265的初始化，將LVDS數據總線傳輸的數據轉換為16 bit的數據提供給DMAC使用。AXI_DMAC是一個高速高吞吐量的DMA控制器，能夠在不需要外部CPU干預的情況下將大量數據高速傳輸到CPU端的DDR中。SPI_AXI_FIFO的核心組件是一個完全可編程執行模塊，實現SPI總線主控制邏輯以及FIFO存儲功能。溫濕度傳感器IP(intelligent property)通過標準UART接口使用精簡Modbus協議從溫濕度傳感器獲取多路數據，對數據進行校驗和矯正后傳輸給ZYNQ(PL)。時鐘與復位IP通過鎖相環、分頻器和時鐘緩沖器產生各個IP所需要的時鐘以及復位信號，保證各IP正常同步工作。

圖2 數據采集器硬件可編程框架

軟件部分采用VxWorks操作系統，其處理流程如圖3所示。主任務發起各個子任務，并對各個任務進行監控，同時完成任務間的同步。系統看門狗任務定時輪訓各任務、系統內核和外部硬件，當出現致命錯誤時，硬件復位，恢復系統原始狀態。人機交換任務完成系統參數輸入與調試；溫濕度處理任務負責從底層獲取溫濕度數據并控制數字DO(digital out)，控制開關柜內的加熱器、冷凝器等裝置，當溫濕度超出范圍時進行處理并告警上報；數據處理任務為核心任務，獲取采集數據后根據相關算法提取超聲和TEV信號特征量，判斷絕緣狀態并上報處理。433M無線通信按照通信規約與集中器進行數據交互。

圖3 軟件處理流程

數據采集器對超聲和TEV信號提取的特征參數主要有放電脈沖幅值和單位時間脈沖次數。開關柜內部局部放電產生的TEV原始信號幅值一般小于100 mV，頻率分布范圍約為3 MHz～100 MHz，因此需設計放大檢波處理電路來降低對數據采集硬件的要求。設計的TEV放大檢波處理電路結構如圖4所示。通過二極管反向的單極性包絡檢波對輸入信號進行處理，獲得TEV信號的雙極性檢波結果。

圖4 TEV放大檢波處理電路結構

2.3 集中器

集中器運行后臺服務，主要完成與數據采集器的信息交換功能，包括接收來自數據采集器的在線監測數據和發送至數據采集器的配置和控制信息，具有數據統計、顯示、存儲和報警等功能，并可以遵循多種協議方式實現與其他數據平臺的信息傳遞。其系統框架如圖5所示。

圖5 集中器系統框架

2.4 防凝露調控

通常開關柜內凝露現象的發生主要受柜內空氣溫度、含濕量以及水蒸氣露點溫度等條件的影響[8]。空氣含濕量H為溫度T和相對濕度φ的函數：相對濕度一定時，空氣含濕量隨開關柜內溫度的升高而升高；溫度一定時，空氣含濕量隨相對濕度的增大而增大。當溫度降低時，由于空氣飽和濕度減小，即使相對濕度較小，也可能在開關柜內發生凝露。

實際中空氣的溫濕度變化通常為動態復雜過程，為準確表征空氣調節過程中的各種狀態參數，采用焓濕圖來描述此動態過程。如圖6(a)所示，焓濕圖既關聯空氣狀態參數又可呈現空氣狀態變化。當獲得當前空氣的溫濕度數據后，可由焓濕圖確定對應的含濕量和露點溫度。確定方法如圖6(b)所示，若測量獲得測點溫度30 ℃，相對濕度60%，其對應焓濕圖中A點位置，根據含濕量刻度線可確定測點對應的含濕量為16.15 g/kg干空氣，根據100%相對濕度曲線可確定測點對應露點溫度為21.8 ℃。

圖6 焓濕圖及其應用舉例

防止開關柜凝露可以從降低空氣含濕量和提高空氣飽和濕度兩個條件進行。通過加熱器控制當前空氣的溫度至遠高于露點溫度，或者通過冷凝器減小當前空氣的含濕量至遠小于飽和含濕量，均可預防凝露現象的發生。而風扇通風可能導致柜外高濕度空氣進入到柜內而導致柜內環境惡化，因此一般要與其他防凝露措施聯合使用。本系統的防凝露調控原理如圖7所示。數據采集器獲取開關柜內的溫濕度數據，查詢焓濕圖數據表獲得對應空氣含濕量和露點溫度，基于溫濕度測量數據趨勢分析以及和目標設定值的比較，自動跟蹤修正調控目標設定值，并控制各開關和繼電器動作狀態，實現對加熱器或冷凝器等裝置的控制。

圖7 防凝露調控原理

3 測試和應用

首先在實驗室對系統進行了局部放電檢測和溫濕度調控測試。

采用所研制的超聲和TEV傳感器進行局部放電檢測，另外參照IEC 60270標準進行結果對比。圖8為測量獲得的三種局部放電信號對比，波形顯示三種檢測方法均對放電信號進行了有效檢測。

圖8 局部放電測量信號對比

系統的防凝露調控效果模擬測試在人工氣候室內進行。開關柜內底部兩側分別安裝有一片功率為100 W的加熱器。考慮開關柜運行時由于內部組件的發熱導致柜內溫度稍高于環境溫度，模擬測試中初始溫度設置為柜內部溫度較環境溫度分別高5 ℃和10 ℃。利用加濕器獲得所需開關柜內濕度環境。當加濕器工作使得開關柜內相對濕度分別達到60%、70%和80%時，馬上開啟數據采集器對加熱器進行自動控制并觀測是否發生凝露。表1為模擬測試結果，測試的各種情況下均未觀測到凝露發生。

表1 凝露試驗模擬測試結果

本系統在某變電站35 kV開關柜進行了現場安裝和運行，如圖9所示。運行情況表明本系統設計滿足現場要求。

圖9 現場安裝

4 結束語

本文基于Vivado開發了一套開關柜絕緣在線監測及防凝露調控系統。綜合超聲、TEV和溫濕度傳感技術實現開關柜內部局部放電和溫濕度的在線監測。采用溫度和相對濕度雙參數反饋控制，實現對加熱器、冷凝器和風機等裝置的自動控制，預防開關柜內凝露現象的發生。

系統的應用能夠實現開關柜設備絕緣狀態和溫濕度信息的在線監測，提高了對開關柜設備的信息感知能力和自動化水平，有助于智能運維水平的提升。