燈泡貫流式機組局放電流的監測和預防

摘 要：本文聚焦于機組運行中的重要參數——局放電流的監測與預防系統設計。通過選擇適用于監測的燈泡貫流器，整合高性能數據采集模塊，設計控制單元和實時監測軟件，構建了全面而高效的監測預防系統。試驗結果表明，該監測預防系統為機組運行管理和維護提供了有力支持，顯著提高了系統的安全性和穩定性，強調了該系統在局放電流監測與預防方面的卓越性能，可為相關領域的進一步研究和應用提供有益參考。

關鍵詞：貫流式；燈泡機組；局放電流

中圖分類號：TU 241" " 文獻標志碼：A

在電力系統中，燈泡貫流式機組具有重要作用，能為電網提供穩定的電力[1]。然而，在機組運行中產生的局放電流問題一直以來都是電力工程領域面臨的挑戰之一[2-3]。局放電流是指在絕緣系統中，由局部電場強度過大導致的局部放電放電擊穿現象產生的電流。這種電流通常隨著放電現象，表現為短暫的放電脈沖。局放電流異常不僅會導致設備過早損壞，還可能引起嚴重事故，對電力系統的穩定性和可靠性具有潛在威脅。為了解決這個問題，燈泡貫流式機組局放電流的監測和預防尤為重要。隨著電力系統不斷發展和智能化技術應用，設計一套高效、可靠的監測預防系統勢在必行。本文通過設計燈泡貫流式機組局放電流監測預防系統，構建適用于局放電流監測的燈泡貫流器和相關傳感器，整合高性能的數據采集模塊，設計控制單元和實時監測軟件，制定全面而高效的監測和預防策略，為燈泡貫流式機組的安全運行提供全面支持。

1 燈泡貫流式機組局放電流監測預防系統設計

為監測和預防燈泡貫流式機組局放電流，本文設計了燈泡貫流式機組局放電流的監測預防系統，目的在于提高電力系統的可靠性、確保設備的安全運行，并降低潛在故障風險，具體的系統設計框架如圖1所示。

該系統的硬件部分主要包括監測設備、數據采集設備和控制單元，以此來確保設備的靈敏度、頻率響應和精度符合系統要求，確保數據采集模塊與監測設備兼容，具有高速、穩定的數據傳輸能力，可對監測參數的動態調整和設備狀態進行實時監控。該系統的軟件部分的實時監測系統用于實時接收、存儲和顯示局放電流數據。用戶界面的設計方便操作人員實時監控系統狀態。集成數據分析算法用于識別局放電流的異常模式，并進行數據預處理，包括濾波、歸一化等，以提高系統對數據的分析精度。系統配置了報警通知模塊，監測到異常時及時發出警報。通知機制可以通過短信、郵件或其他途徑通知相關人員。

2 硬件設計

燈泡貫流器使用Tektronix P6015A高壓探頭，頻率響應為DC-75 kHz，靈敏度為1000 V/A；傳感器采用LEM ITZ 500-S/SP5高精度電流傳感器，頻率響應為DC-150 kHz，敏度為500 mV/A。選用高速、高精度的NI USB-6356數據采集器，適用于實時局放電流數據采集，具有多通道輸入，支持高速數據傳輸。控制單元選用Arduino Due控制器，ARM Cortex-M3處理器，84 MHz時鐘頻率，54個數字I/O引腳，12位ADC分辨率，具備豐富的輸入、輸出接口，方便與監測設備和數據采集模塊進行連接。以上硬件選擇可為系統的穩定運行和異常情況的及時響應提供堅實的硬件基礎，使燈泡貫流式機組局放電流監測預防系統能夠對局放電流進行高效、及時的監測和數據采集。

3 軟件設計

3.1 實時監測模塊

實時監測模塊是系統設計中至關重要的組成部分，用于實時接收、存儲和顯示局放電流數據。系統使用監測設備（燈泡貫流器+傳感器）采集局放電流的實時數據。傳感器與燈泡貫流器的連接方式如圖2所示。

使用Belden 9913F 50-ohm同軸電纜將LEM ITZ 500-S/SP5傳感器連接到Tektronix P6015A燈泡貫流器。傳感器的輸出電纜中包括模擬或數字信號，可將燈泡貫流器和傳感器連接到數據采集設備的相應輸入通道。數據采集模塊應確保高速、穩定的數據傳輸，并根據預定的采樣率獲取電流信號。燈泡貫流器的工作原理是通過燈泡的亮暗程度反映電流的變化，因此需要將這種光強度轉化為電流信號，如公式（1）所示。

I（t）=k·P（t） （1）

式中：I（t）為電流信號；P（t）為燈泡的光強度；k為光電轉化系數。

具體的k值取決于所使用的傳感器和光電元件的特性，需要在系統設計和校準過程中確定。在系統集成之前，必須對傳感器進行校準，以確保光強度到電流的轉化是準確可靠的。在轉化過程中，電流信號的特性（幅值、頻率等）會發生變化，可根據具體需求設計系統，以確保電流信號滿足監測要求。

3.2 數據分析處理模塊

燈泡貫流式機組局放電流監測預防系統的數據分析處理模塊是為了更全面、深入地理解和處理監測到的局放電流數據，從而對系統運行狀態進行實時監測、異常識別以及預測性維護。在局放電流監測中，不同傳感器可能會產生不同幅度的信號，因此需要進行數據歸一化，以確保各個信號處于相同的尺度，方便后續分析。在歸一化方法中，最小-最大歸一化（Min-Max Normalization）較常用，如公式（2）所示。

（2）

式中：Xn為歸一化后的電流信號；X為原始電流信號；Xmin和Xmax分別為信號的最小和最大值。

歸一化的目的是將不同幅度的電流信號調整到相同的尺度范圍內，以增強后續處理的魯棒性。

局放電流信號常受高頻噪聲或其他干擾的影響。為了提高信號質量并消除不必要的噪聲，采用低通數字濾波算法來平滑信號。其中，指數加權移動平均濾波是一種常見的低通濾波器，如公式（3）所示。

Yn=（1-α）·Yn-1+Xa （3）

式中：Yn為濾波后的信號；Xa為原始信號；α為濾波器的衰減系數。

該濾波過程有助于平滑局放信號，減少噪聲影響，使后續的分析和處理更精確、可靠。通過歸一化和低通濾波的處理，局放電流信號得到了優化，為系統后續的特征提取、趨勢分析和異常檢測奠定了基礎。這些步驟有助于確保系統對局放現象的敏感性和準確性，提高監測系統的整體性能。

3.3 警報通知模塊

燈泡貫流式機組局放電流異常是系統存在故障或潛在問題的跡象，通過設計警報通知模塊可以對異常情況進行實時監測和響應，減少故障對系統的影響，具體的警報通知流程如圖3所示。

實時監測模塊通過數據分析處理可識別局放電流信號中的異常情況，并判定是否滿足設定的報警觸發條件。為了更全面地應對可能出現的異常情況，系統將監測到的異常情況分為不同級別，例如輕微、一般和緊急等。每個級別都對應特定的報警通知方式，以確保維護人員能夠及時了解并采取適當的行動。

一旦異常情況被識別并分級，系統將觸發相應級別的報警通知。通知方式包括郵件、短信和應用程序推送等多種方式，以確保維護人員能夠在任何時候、任何地點及時收到報警信息。同時，系統還可以根據需要設定自動化響應規則，例如關閉設備、切換系統狀態等，以減少人為干預的延遲并加快問題解決速度。維護人員收到報警通知后對異常情況進行確認，并驗證其是否真實存在。根據結果確認，維護人員將決定是否采取進一步行動。所有報警事件的詳細信息都將被系統記錄在日志中，包括報警時間、級別以及觸發條件等，以便后續分析和審查。該記錄不僅有助于了解系統的穩定性和可靠性，還有助于改進和優化系統的監測和預警功能。

4 測試試驗

4.1 試驗準備

為了評估燈泡貫流式機組局放電流監測預防系統的性能，本文進行了系統測試試驗。首先，選擇XYZ-5000模型監測平臺，包括Tektronix P6015A燈泡貫流器和LEM ITZ 500-S/SP5傳感器，以評估構建平臺的穩定性。確保XYZ-5000的電源供應和連接正常后，安裝并連接燈泡貫流器和傳感器，啟動監測平臺，檢查設備的正常運行狀態。其次，使用Arduino Due控制器對監測參數的動態調整和設備狀態進行實時監控。使用JKL-PRO實時監測軟件，設置監測參數并啟動實時監測模塊，保證系統能夠實時接收、存儲和顯示局放電流數據。

4.2 試驗結果

為測試該系統在燈泡貫流式機組局放電流的監測和預防中的效用，本文挑選了T1～T5這5個時間節點，記錄了該系統的傳輸速率、電流監測準確度、報警速度以及系統安全性，見表1。

在系統運行周期內，數據采集速率始終保持在每秒1010次以上，表明系統具備穩定、可靠的數據采集性能。這種高頻率的數據采集確保了系統對局放電流的監測能力不受限制，并為后續數據分析提供了充分的數據支持。雖然電流監測準確度在不同時間節點間略有波動，但是整體保持在高水平。表明系統對局放電流的準確監測性能良好，能夠穩定地提供準確的監測結果，有助于及時發現潛在問題或異常情況。報警速度在不同時間節點也有輕微波動，但總體上維持在3 s以內的較好水平。系統具備快速響應異常情況的能力，這是確保及時采取措施應對任何潛在風險或故障的關鍵因素。

快速響應表明系統能夠在最短的時間內通知相關人員并采取必要行動，從而最大程度地減少潛在損失或風險。此外，系統的安全性在不同時間節點也均保持高水平，表明系統在運行過程中能夠確保數據的安全性和系統的穩定性，有效防止未經授權的訪問或數據泄露，并確保系統的正常運行和數據的完整性。

5 結語

綜上所述，本文針對燈泡貫流式機組局放電流的監測和預防進行了研究，設計并實施了系統測試試驗，評估了監測平臺的穩定性、性能以及實時監測模塊的表現。通過比較不同時間節點的數據采集速率、電流監測準確度、報警速度和系統安全性，驗證了系統在全周期內的高性能和穩定性。該系統具備快速響應局放電流異常情況的能力，為提高機組運行的可靠性和安全性提供了有效手段。未來的工作將進一步優化系統性能、引入先進的監測技術，并探索更廣泛的應用領域，以滿足不斷發展的工業需求。

參考文獻

[1]楊明，侯春光，高有華.變壓器鐵心接地線局放脈沖電流與泄漏電流聯合診斷的研究[J].電器與能效管理技術，2023（12）：1-7.

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