彭紅霞， 李濤， 牛碩豐， 李永生， 劉相興， 顏曉婷， 趙濤

(1.國網(wǎng)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(xué)，河北 保定 071003)

0 引 言

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

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

在開關(guān)柜防凝露方面，相關(guān)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(huán)境下的凝露發(fā)生條件?，F(xiàn)場防凝露措施主要采用經(jīng)驗閾值控制加熱器調(diào)節(jié)開關(guān)柜內(nèi)部溫度來實現(xiàn)[5]103-105，功能單一且通常不具備通信和程控功能，導(dǎo)致在防凝露問題上的效果欠佳[8]。

針對上述問題，本文設(shè)計開發(fā)了一套開關(guān)柜絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測及防凝露調(diào)控系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合局部放電聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)、溫濕度監(jiān)測和調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)部絕緣狀態(tài)及溫濕度情況的在線監(jiān)測，并能夠協(xié)調(diào)控制加熱器、冷凝器和風(fēng)機等多種環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，實現(xiàn)對開關(guān)柜運行環(huán)境溫濕度的調(diào)控，預(yù)防凝露現(xiàn)象的發(fā)生。同時系統(tǒng)應(yīng)用有利于提高開關(guān)柜設(shè)備的絕緣狀態(tài)感知能力和自動化水平。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)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(xiàn)開關(guān)柜局部放電和內(nèi)部溫濕度的在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)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(fēng)機等裝置開關(guān)狀態(tài)的采集，并根據(jù)環(huán)境參量信息自動控制加熱器、冷凝器和風(fēng)機等裝置，調(diào)節(jié)開關(guān)柜內(nèi)部溫濕度條件。數(shù)據(jù)采集器通過RS485有線或433M無線方式將開關(guān)柜狀態(tài)特征參數(shù)傳輸至集中器。集中器完成與數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)交換，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、顯示、報警及數(shù)據(jù)上傳功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 系統(tǒng)開發(fā)

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(tǒng)采用超聲和TEV聯(lián)合檢測方式實現(xiàn)開關(guān)柜局部放電的診斷。超聲傳感器為空氣傳導(dǎo)式，中心頻率40 kHz，靈敏度-68 dB。TEV傳感器采用貼片式結(jié)構(gòu)，傳感器內(nèi)上極板與開關(guān)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(jiān)測采用高精度SHT20溫濕度傳感器實現(xiàn)，通過RS485硬件接口接入數(shù)據(jù)采集器。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器基于Vivado開發(fā)，采用Cortex-A9型處理器和16位高速AD9265模塊，設(shè)計實現(xiàn)1路TEV傳感器信號和3路超聲傳感器信號的數(shù)據(jù)采集。同時設(shè)計有4路RS485接口，2路開關(guān)量輸入和4路繼電器輸出接口，可實現(xiàn)溫濕度傳感器信號獲取以及對開關(guān)柜內(nèi)加熱器、冷凝器和風(fēng)機等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)的采集和控制。數(shù)據(jù)采集器硬件可編程框架如圖2所示。ZYNQ(PL)完成數(shù)據(jù)流匯聚以及對外設(shè)控制的功能，數(shù)據(jù)流主要包含局部放電采集數(shù)據(jù)和溫濕度傳感器數(shù)據(jù)。AXI_AD9265完成對硬件AD9265的初始化，將LVDS數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16 bit的數(shù)據(jù)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(yù)的情況下將大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)紺PU端的DDR中。SPI_AXI_FIFO的核心組件是一個完全可編程執(zhí)行模塊，實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)UART接口使用精簡Modbus協(xié)議從溫濕度傳感器獲取多路數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行校驗和矯正后傳輸給ZYNQ(PL)。時鐘與復(fù)位IP通過鎖相環(huán)、分頻器和時鐘緩沖器產(chǎn)生各個IP所需要的時鐘以及復(fù)位信號，保證各IP正常同步工作。

圖2 數(shù)據(jù)采集器硬件可編程框架

軟件部分采用VxWorks操作系統(tǒng)，其處理流程如圖3所示。主任務(wù)發(fā)起各個子任務(wù)，并對各個任務(wù)進行監(jiān)控，同時完成任務(wù)間的同步。系統(tǒng)看門狗任務(wù)定時輪訓(xùn)各任務(wù)、系統(tǒng)內(nèi)核和外部硬件，當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，硬件復(fù)位，恢復(fù)系統(tǒng)原始狀態(tài)。人機交換任務(wù)完成系統(tǒng)參數(shù)輸入與調(diào)試；溫濕度處理任務(wù)負(fù)責(zé)從底層獲取溫濕度數(shù)據(jù)并控制數(shù)字DO(digital out)，控制開關(guān)柜內(nèi)的加熱器、冷凝器等裝置，當(dāng)溫濕度超出范圍時進行處理并告警上報；數(shù)據(jù)處理任務(wù)為核心任務(wù)，獲取采集數(shù)據(jù)后根據(jù)相關(guān)算法提取超聲和TEV信號特征量，判斷絕緣狀態(tài)并上報處理。433M無線通信按照通信規(guī)約與集中器進行數(shù)據(jù)交互。

圖3 軟件處理流程

數(shù)據(jù)采集器對超聲和TEV信號提取的特征參數(shù)主要有放電脈沖幅值和單位時間脈沖次數(shù)。開關(guān)柜內(nèi)部局部放電產(chǎn)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(shè)計放大檢波處理電路來降低對數(shù)據(jù)采集硬件的要求。設(shè)計的TEV放大檢波處理電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過二極管反向的單極性包絡(luò)檢波對輸入信號進行處理，獲得TEV信號的雙極性檢波結(jié)果。

圖4 TEV放大檢波處理電路結(jié)構(gòu)

2.3 集中器

集中器運行后臺服務(wù)，主要完成與數(shù)據(jù)采集器的信息交換功能，包括接收來自數(shù)據(jù)采集器的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器的配置和控制信息，具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計、顯示、存儲和報警等功能，并可以遵循多種協(xié)議方式實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)平臺的信息傳遞。其系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 集中器系統(tǒng)框架

2.4 防凝露調(diào)控

通常開關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象的發(fā)生主要受柜內(nèi)空氣溫度、含濕量以及水蒸氣露點溫度等條件的影響[8]?？諝夂瑵窳縃為溫度T和相對濕度φ的函數(shù)：相對濕度一定時，空氣含濕量隨開關(guān)柜內(nèi)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(dāng)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(guān)柜內(nèi)發(fā)生凝露。

實際中空氣的溫濕度變化通常為動態(tài)復(fù)雜過程，為準(zhǔn)確表征空氣調(diào)節(jié)過程中的各種狀態(tài)參數(shù)，采用焓濕圖來描述此動態(tài)過程。如圖6(a)所示，焓濕圖既關(guān)聯(lián)空氣狀態(tài)參數(shù)又可呈現(xiàn)空氣狀態(tài)變化。當(dāng)獲得當(dāng)前空氣的溫濕度數(shù)據(jù)后，可由焓濕圖確定對應(yīng)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(yīng)焓濕圖中A點位置，根據(jù)含濕量刻度線可確定測點對應(yīng)的含濕量為16.15 g/kg干空氣，根據(jù)100%相對濕度曲線可確定測點對應(yīng)露點溫度為21.8 ℃。

圖6 焓濕圖及其應(yīng)用舉例

防止開關(guān)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(dāng)前空氣的溫度至遠(yuǎn)高于露點溫度，或者通過冷凝器減小當(dāng)前空氣的含濕量至遠(yuǎn)小于飽和含濕量，均可預(yù)防凝露現(xiàn)象的發(fā)生。而風(fēng)扇通風(fēng)可能導(dǎo)致柜外高濕度空氣進入到柜內(nèi)而導(dǎo)致柜內(nèi)環(huán)境惡化，因此一般要與其他防凝露措施聯(lián)合使用。本系統(tǒng)的防凝露調(diào)控原理如圖7所示。數(shù)據(jù)采集器獲取開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，查詢焓濕圖數(shù)據(jù)表獲得對應(yīng)空氣含濕量和露點溫度，基于溫濕度測量數(shù)據(jù)趨勢分析以及和目標(biāo)設(shè)定值的比較，自動跟蹤修正調(diào)控目標(biāo)設(shè)定值，并控制各開關(guān)和繼電器動作狀態(tài)，實現(xiàn)對加熱器或冷凝器等裝置的控制。

圖7 防凝露調(diào)控原理

3 測試和應(yīng)用

首先在實驗室對系統(tǒng)進行了局部放電檢測和溫濕度調(diào)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(biāo)準(zhǔn)進行結(jié)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(tǒng)的防凝露調(diào)控效果模擬測試在人工氣候室內(nèi)進行。開關(guān)柜內(nèi)底部兩側(cè)分別安裝有一片功率為100 W的加熱器?？紤]開關(guān)柜運行時由于內(nèi)部組件的發(fā)熱導(dǎo)致柜內(nèi)溫度稍高于環(huán)境溫度，模擬測試中初始溫度設(shè)置為柜內(nèi)部溫度較環(huán)境溫度分別高5 ℃和10 ℃。利用加濕器獲得所需開關(guān)柜內(nèi)濕度環(huán)境。當(dāng)加濕器工作使得開關(guān)柜內(nèi)相對濕度分別達到60%、70%和80%時，馬上開啟數(shù)據(jù)采集器對加熱器進行自動控制并觀測是否發(fā)生凝露。表1為模擬測試結(jié)果，測試的各種情況下均未觀測到凝露發(fā)生。

表1 凝露試驗?zāi)M測試結(jié)果

本系統(tǒng)在某變電站35 kV開關(guān)柜進行了現(xiàn)場安裝和運行，如圖9所示。運行情況表明本系統(tǒng)設(shè)計滿足現(xiàn)場要求。

圖9 現(xiàn)場安裝

4 結(jié)束語

本文基于Vivado開發(fā)了一套開關(guān)柜絕緣在線監(jiān)測及防凝露調(diào)控系統(tǒng)。綜合超聲、TEV和溫濕度傳感技術(shù)實現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部局部放電和溫濕度的在線監(jiān)測。采用溫度和相對濕度雙參數(shù)反饋控制，實現(xiàn)對加熱器、冷凝器和風(fēng)機等裝置的自動控制，預(yù)防開關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象的發(fā)生。

系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)柜設(shè)備絕緣狀態(tài)和溫濕度信息的在線監(jiān)測，提高了對開關(guān)柜設(shè)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。