基于泛在物联网的高压开关柜局放在线监测系统研究

陈卓 冀红伟 张昊

摘要：高压开关柜是一种电气设备，其主要作用是对正在运行的发电、输电、配电和电能转换设备进行开合、控制和保护。高压开关柜的正常运行是配电系统安全、可靠、经济运行的重要保证。现针对电网10 kV及以上高压开关柜存在的局部放电现象，介绍了高压开关柜局放的主要类型、特征及监测原理，结合LoRa无线通信原理，设计了一套高压开关柜局放监测系统，满足了对设备进行實时监测的需求，既实现了高压开关柜的远程运维目的，又降低了设备运维成本。

关键词：高压开关柜;在线监测;局部放电;超声波;地电波

0 引言

高压开关柜（switch cabinet）是电力系统中数量最多且使用范围极广的一种开关设备。高压开关柜在设计、制造、安装和运行维护等方面容易出现不同程度的问题，尤其是在长时间运行后，其出现故障的概率比较高。在不同原因导致的高压开关柜事故中，10 kV及以上电压等级的开关柜更容易出现绝缘事故，造成的事故后果也更为严重。因此，迫切需要对10 kV及以上的高压开关柜进行实时的状态监测，根据设备运行实时在线监测结果，判断设备的运行状态和绝缘的劣化程度，从而确定检修时间和检修措施，以减少停电检修时间，降低事故的发生概率，进而提高整个电力系统运行的自动化程度及安全可靠性。

高压开关柜采用传统的人工干预监测维护方法，需要安排人员检查未知的不确定存在与否的问题，这种方法不但不可靠，而且相关成本也比较高，人工带电巡检的方式存在漏检等问题。因此，对高压开关柜的局部放电现象进行在线监测有着极为重要的意义。利用高压开关柜局放在线监测系统，能够确认高压开关柜设备是否处于正常运行状态，及时发现其绝缘中存在的薄弱环节，找出故障原因，并及时处理故障，能有效预防事故的发生，减少不必要的人力物力浪费，保障电力系统的安全、可靠运行。

1 理论及原理探究

1.1    高压开关柜局放的产生

局部放电是绝缘介质中产生的一种电气类放电现象，这种放电通常限制于被测介质中，且往往发生在导体间的绝缘局部桥接处或导体邻近位置。在强电场作用下，电力设备绝缘中的某些薄弱部位处，普遍存在局部放电的问题。局部放电前期一般不会立即引起绝缘介质击穿，但容易导致有机电介质的局部损坏。若电气设备长期处于局部放电状态，在某些特定环境下就会导致绝缘劣化，甚至击穿。因此，对电力设备进行局部放电监测是电力设备运行中的一种重要预防性手段。

局部放电会伴随产生各种电、光、声、热等现象，基于这些现象的原理性研究，产生了不同原理的局放监测技术。其中，常用的非电量监测方法有：光测法、电检测法、红外热测法和声测法等。近些年来，随着对局部放电原理的研究不断深入，局部放电监测技术也在不断提高，目前采用较为广泛的局部放电监测方法是声电联合的监测方法。事实证明，该方法能够有效监测沿面爬电、表面放电、电晕放电、内部放电、尖端放电等多种类型放电现象。

1.2    高压开关柜局放的主要类型和特征

高压开关柜的局放类型，按照位置不同可分为表面放电和内部放电;按照不同特征可分为持续放电和间歇放电。高压开关柜局部放电的表现形式包括电磁波：HF、VHF、UHF、SHF;气体生成物：氮化物、碳化物和氟化物;声音、噪声：可闻噪声和超声波;电流行波：高频脉冲电流;光：红外光、紫外光。

从频域上看，高压开关柜局放涵盖从低频到极高频的各个频段。

1.3    高压开关柜局放的监测原理

1.3.1    超声波（AE）原理

在产生局部放电现象之前，放电点的周围介质应力、粒子力、电场应力处于相对平衡的状态。

局部放电是一种电荷快速释放或迁移的过程，导致放电点周围的机械应力、粒子力与电场应力失去了相对的平衡状态而产生振荡变化的过程;粒子力与机械应力的快速振荡，导致放电点周围介质振动，从而产生超声波的声波信号，通过压电转换传感器感应超声波信号，达到监测的目的。

1.3.2    地电波（TEV）原理

局部放电发生时，在集肤效应作用下，绝缘连接或金属断开处，电流波会向外表面转移;电磁波上升沿碰到金属外表面，产生暂态对地电压（Transient Earth Voltage）。地电波的幅值大小与放电量大小及传播途径中放电量的衰减程度有关，同时也取决于放电点位置、故障裂痕的开口大小以及设备的内部结构。采用电容型地电波传感器感应暂态地电波信号，达到检测的目的。

1.4    LoRa无线通信原理

随着物联网技术的普及，低功耗的局域网通信技术LoRa日渐成熟，具备了在本项目中应用的条件。

LoRa技术标准是Semtech公司创建的一种低功耗无线局域网标准。远距离无线电（Long Range Radio）简称LoRa，其最大优势在于，在同样的功耗条件下，比其他无线方式传播的距离更远，从而实现了低功耗和远距离传播的结合、统一，在同样的功耗下，其通信距离比传统的无线射频增加了3～5倍。

LoRa技术的传输特性有：

工作频率：ISM频段包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等;传输距离：城镇可达2～5 km，郊区可达15 km;容量：一个LoRa网关可以连接上千万个LoRa节点;标准：IEEE 802.15.4g;调制方式：基于扩频技术，是线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力。

2 高压开关柜局放在线监测系统设计与应用

本文基于以上背景及理论研究，开发设计了一套高压开关柜局放监测系统，系统根据超声波（AE）、地电波（TEV）两种原理，支持高压开关柜局放信号的在线监测，监测传感器采用无源、无线工作模式，支持高压开关柜不掉电安装。

2.1    系统框架

高压开关柜局放监测系统由安装在高压开关柜上的超声波及地电波两种原理的局放监测传感器、通过无线收集局放监测数据的数据集中器构成。

每个高压开关柜安装一个声电混合的高压开关柜局放传感器，实现局放信息的采集和计算。

每個配电房安装一台数据集中器。

局放传感器与数据集中器之间采用LoRa无线组网通信。

数据集中器通过RS485或以太网等有线网络，将监测数据上传给站端监测平台，或通过加密无线通信方式，将数据上传给PMS系统。

2.2    现场施工方案简介

高压开关柜局放监测系统的现场施工安装方案包括以下几个步骤：

（1）声电混合的高压开关柜局放传感器采用无源无线方式，直接吸附在高压开关柜上，高压开关柜无需掉电安装;

（2）数据集中器采用AC220 V交流电供电，采用挂壁式安装方式安装在配电室内;

（3）数据集中器与声电混合的高压开关柜局放传感器之间采用LoRa无线通信方式，空旷地带的通信距离达1 km，适合小区域内分布的多个配电室的安装布局。

2.3    实施效果

高压开关柜局放监测传感器同时支持超声波及地电波两种监测原理，监测全面可靠，能实现高压开关柜的可靠局放在线监测功能，弥补了传统带电检测手段的不足;声电混合的高压开关柜局放传感器采用无源无线工作方式，可实现高压开关柜的不掉电安装，不影响一次设备的正常运行。

基于泛在物联网的高压开关柜局放在线监测系统，目前已经在现场得到了实际安装应用。监测装置现场安装图如图1所示。

高压开关柜局放在线监测系统的稳定部署，实现了对高压开关柜局放的7×24 h不间断在线监测，通过局放在线监测系统平台，能够对高压开关柜局放的历史曲线进行查询，预测局放故障趋势，能够及时识别出现故障的设备，以免故障处理不及时造成财产损失。正常高压开关柜局放波形、故障高压开关柜局放波形分别如图2、图3所示。

高压开关柜局放在线监测系统的部署，能够将常规的高压开关柜计划带电检测转换为状态检修，通过不间断在线监测及时发现有问题的高压开关柜，从而有针对性地对疑似运行异常的高压开关柜进行故障处理，节省了计划带电检修的人员和费用成本。

3 结语

高压开关柜采用传统的人工干预的监测维护办法，已经无法满足对设备进行实时监测的需求，对高压开关柜的局部放电现象进行在线监测有着极为重要的意义。利用高压开关柜局放在线监测系统，能够确认高压开关柜设备是否处于正常运行状态，及时发现其绝缘中存在的薄弱环节，找出故障原因，并及时处理故障，能有效预防事故的发生，减少不必要的人力物力浪费，保障电力系统的安全、可靠运行。

本文所提出的高压开关柜局放在线监测系统支持超声波（AE）、地电波（TEV）两种原理的高压开关柜局放监测技术，使得局放监测结果更加准确、全面。

高压开关柜局放在线监测系统安装更加便捷。高压开关柜局放在线监测系统配置的传感器具有小型化、易安装的特点，方便现场布设或施工改造。超声波及地电波高压开关柜局部放电传感器可以支持高压开关柜不掉电安装，不影响高压开关柜的正常运行。高压开关柜局放在线监测系统的实施，有效实现了高压开关柜的远程运维目的，降低了设备运维成本。

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收稿日期：2020-07-03

作者简介：陈卓（1980—），男，河南邓州人，工程师，研究方向：生产运行、输配电及用电工程。

冀红伟（1978—），男，河南邓州人，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护。

张昊（1979—），男，河南邓州人，工程师，研究方向：配电网运维检修。