第２９卷第５期 ２０１３年１Ｏ月 上海电 力 学 院 学报 ＶＯ１．２９．ＮＯ．５ Ｏｃｔ． ２Ｏｌ３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—４７２９．２０１３．０５．００５ 高压开关柜故障监测系统的研制 李永腾 ，张晓波 ，张理智 （１．宁波北仑供电局，浙江宁波３１５８００；２．上海电力学院电气工程学院，上海２０００９０） 摘要：介绍了一种基于气体分析原理的高压开关柜故障监测系统，对高压开关柜在故障状态下所形成的故 障气体进行了分析，设计了传感器电路、测试电路，以及诊断软件，并根据上述设计进行了样机的制作和试验． 关键词：开关柜；特征气体；诊断 中图分类号：ＴＭ ５９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—４７２９（２０１３）０５—０４３３—０４ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｙｏｎｇｔｅｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｂｏ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉｚｈｉ （１．Ｂｅｉｌｕｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５８００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇａｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｇａｓｅｓ ｕｎｄｅｒ ｆａｕｌｔ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｉｓ ｎａｌａｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｇａｓ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 空气绝缘开关柜是封闭型组合电器的一种， 与ＧＩＳ型开关设备相比，空气绝缘开关柜具有成 本低、结构简单的优点，与敞开式开关设备相比， 它具有体积小、故障率低、维护量小的优点，因此 在配电网的开关设备中应用十分广泛．但空气绝 ＳＦ 泄漏，只有等到内部的ＳＦ 气体泄漏到一定 程度时，才发出报警信息，无法在泄漏过程中给出 报警信息 ；对于局部放电，可以采用高频超声 波检测手段检测，但准确度和灵敏度不能令人满 意；对于接头发热，在开关柜断路器小车触头等部 缘开关柜也有一定缺点，主要是内部异常早期难 发现．空气绝缘开关柜一般采用箱体型结构，它将 配电设备的所有元件均放置在柜体内部，这样就 造成了无法及时了解柜体内部的设备运行状况． 位加装温度探测器，将温度信号无线向外发射，但 该装置的缺点也很明显，安装时设备必须逐仓停 电，安装工作成本高，且装置本身的可靠性和寿命 也存在问题． 对于一次设备最常见的接头发热、ＳＦ 气体泄漏、 局部放电异常等问题，无法通过直观、有效的方式 进行观察，当发现时往往已经酿成严重后果．对于 收稿日期：２０１３—０９—１８ 目前高压开关柜在运行过程中，上述的３种 故障都有可能出现，然而当前的测试系统只能完 成对其中一种故障的测量，故无法完整地实现对 通讯作者简介：张理智（１９８９一），男，在读硕士，江苏宿迁人．主要研究方向为高压电缆护套绝缘在线监测系统研 制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｏｎｇｗａｎｔ＠１２６．ｃｏｍ． 上海电力学院学报 高压开关柜的测量．针对上述情况，对高压开关柜 在运行过程中各故障的检测电路进行了设计，本 文采用声表面波法实现对运行温度的测量，采用 红外传感器对ｓＦ 浓度进行测量，利用超声波方 式对局部放电的测量气体成分进行分析，发现在 各种故障状态下，高压开关内部会产生不同的特 征气体．通过对３种故障信号的测量，给出了故障 状态的原因，从而对开关柜的运行状态作出可靠 判断，以确保高压开关柜的安全运行． １系统整体设计 本文对开关柜故障监测系统进行了设计，其 原理如图１所示． 图１ 开关柜故障监测系统的结构 由图１可以看出，整个系统由采集器、按键、 液晶显示屏、通信总线、局部放电探测单元、Ｓ 泄漏探测单元和触头过热探测单元７个部分组 成．整个系统的工作过程为：利用局部放电探测单 元、ｓＦ６泄漏探测单元和声表面波测量单元对触 头温度、触头局部放电和ＳＦ 泄露进行测量，然后 将各测试信号传送到采集器，利用采集器将模拟 量转换成数字量，再利用处理器对采集的数据进 行归类、统计分析，并将测量分析结果显示在液晶 屏中．此外，整个系统还拥有相应的通信串口，可 将测量结果通过通信总线传送至监控中心． １．１ ＳＦ 泄漏测量 光辐射在气体中传播时，气体分子会对其进 行吸收、散射而使光辐射衰减．不同气体吸收光谱 的波段不同．对于ｓＦ 气体，其对波数为９４８ ｃｍ～，即波长为ｌ０．５５ ｍ的红外光具有最强的 吸收作用，该吸收特性符合比尔一朗伯定律（Ｂｅｅｒ． Ｌａｍｂｅｒｔ Ｌａｗ）： Ｆ＝Ｉ・ｅ Ｌ （１、 式中：卜出射光强； 卜＿＿入射光强； Ｌ——传播路径长度； ．卜气体浓度； 气体吸收系数． 利用式（１），通过计算入射光强和出射光强 便可计算出气体浓度 ｊ． 本设计采用了由德国ｓｍａｒｔＧＡＳ公司生产的 ｓ 红外气体传感器，这是一种基于红外光谱原 理的高精度气体传感器，测量原理如图２所示．采 用单光束、双波长测量技术，与传统的电化学气体 传感器相比，具有可靠性高、寿命长、性价比高，以 及带有温度补偿等优点． 双检测器放大器 红 源● 干涉滤光片 盏 一 ＞ 图２ ＮＤＩＲ红外气体测量原理示意 １．２声表面波温度测量 基于声表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｅｏｕｓｔｓ Ｗａｖｅ，ＳＡＷ） 温度传感器的无源无线温度监测系统采用无线方 式与传感器通信，传感器无需外界供电，依靠消耗 自身储蓄的能量输出传感信号，适用于高压带电、 旋转和往复摆动等各种复杂环境．该系统用于检 测信号的读写器，一方面通过天线与ＳＡＷ温度 传感器通信，获取传感信号，然后将电磁波信号转 换为电信号并进行数据处理，另一方面与后台系 统连接，完成后期数据的交互． 本文采用谐振型声表面波传感器，其原理如 图３所示． 图３谐振器型声表面波温度传感器结构 首先利用信号发生器对压电晶体发送相应频 率的无线电信号，压电晶体基片上的换能器将输 入的无线信号通过逆压电效应转变成声信号后， 被左右两个周期性栅条反射形成谐振．在谐振过 程中，系统的谐振频率与基片的温度有关，而且谐 振频率随温度的变化在一定温度范围内呈线性关 系，如图４所示 Ｊ．因此，通过对同一个换能器输 出的无线应答信号频率的测量就可以得到相应的 温度值． 李永腾，等：高压开关柜故障监测系统的研制 ４３５ １．３多路数据采集系统的设计 针对上述的传感器单元，由于对数据的采集 速度要求不是很快，本系统采用多路分时采样的 方式对３种参数进行测量，整个电路的原理如图 ５所示． 系统由复位电路、振荡电路、ＡＤ７８９４串口电 路、ＣＤ４０５１多路模拟电路组成．整个系统由模拟 图４ ＳＡＷ谐振频率随温度的变化曲线 开关ＣＤ４０５１作为多路信号的输入，利用ＡＤ芯 图５多路数据采集系统原理示意 片实现对模拟信号的采集．振荡电路为整个系统 提供相应的内部时钟．ＡＤ７８９４串口电路的作用 是具有一个串行时钟输入和一个外部串行时钟串 行数据输出访问该器件中的串行数据，实现采样 输入模拟信号的采样．然后通过对采样数据的分 析和处理，作出高压开关柜的运行状态判断，并通 过液晶屏对分析结果进行显示． 和保持功能．ＣＤ４０５１的作用是将单路通道变成 多路通道．系统工作过程为：首先将各传感器的输 出信号接人ＣＤ４０５１模拟开关中，利用ＭＣＵ对模 ２系统软件设计 为了使所设计的电路能够实现对高压开关柜 故障的诊断，对执行程序进行了设计和编写，其程 序的流程框图如图６所示． 拟开关ＣＤ４０５１进行控制，使不同信号在不同时 刻进入ＡＤ的输入端，通过控制ＡＤ芯片，实现对 从图６可以看出，整个程序的流程为：首先对 ４３６ 上海电力学院学报 系统进行初始化，如对接口的电平、寄存器初值的 表１各模拟试验的结果 ｓＦ６泄漏／ｐｐｍ 温度／￣Ｃ 局部放电 设定，以及对中断的关闭等；然后进行数据的采 样——控制模拟开关，使不同的模拟信号分时进 入ＡＤ的输入端，接着对其进行模数转换，实现对 模拟量的采样；最后对所测量的数据进行分析 处理． 实际值 测量值 实际值 测量值实际值／ｐｃ测量值／Ｖ 传统的诊断方法是采用阈值的判断来诊断， 但该方法在应用的过程中检测灵敏度低，并受被 由表１可知，本文所设计的一种开关柜综合 测信号位置的影响，容易引起误判． 本系统采用趋势判断的方法来实现对高压开 关柜的运行状态作出判断，即采用故障参数增量 的快慢来实现状态的判断． 开始 系统寄存器、接口初始化 控制模拟开关 模拟信号采集 苎 Ｉ是 萄 ］ 判断开关柜的运行状态 否 显示是否故障状态 — 结束 图６测量程序流程 ３模拟试验结果 为了验证上述设计的系统能否对故障实现监 测，进行了相应的模拟试验，试验结果如表１ 所示． 监测系统对于接头发热、表面放电和ＳＦ 泄漏异 常具有较高的检出率，能够实现对高压开关柜的 监测．因此，本文所设计的监测系统可应用于高压 开关柜的检测． ４ 结语 本文采用ＳＦ 红外气体传感器、声表面波法 设计了一种开关柜综合监测系统，可以对开关柜 的运行状态作出可靠判断，能够实现对高压开关 柜的监测． 参考文献： ［１］吴家琨，孙良彦． 一Ｆｅ２Ｏ３的ＣＯ气敏特性的研究［Ｊ］．传感 技术学报，１９９７（１）：１８－２１． ［２］陆凡，王小平，陈诵英，等．低功耗常温ＣＯ气敏元件［Ｊ］．传 感器技术，１９９７，１６（３）：５－８． ［３］彭军．传感器与检测技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出 版社，２００３：２３－２７． ［４］ 孟忠．ｓＦ６开关室环境中ｓＦ６及氧气含量在线监测的应用 研究［Ｊ］．华北电力技术：增刊，２００５：１＿５． ［５］袁子茹，汪献忠，吕运朋，等．基于非分光红外技术的低浓度 ｓ 气体检测方法［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１２（１）： ８Ｏ．８４． ［６］ＧＯＮＤＡＬ Ｍ Ａ，ＢＡＩＧ Ｍ Ａ，ＳＨＷＥＨＤＩ Ｍ Ｈ．Ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｖ６ ｌｅａｋｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，２００２，３（９）：４２１－４２７． ［７］熊友辉，蒋泰毅．电调制非分光红外（ＮＤＩＲ）气体传感器 ［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００３（１１）：４－５． ［８］ 李平，文玉梅，黄尚廉．声表面波谐振器型无源无线温度传 感器［Ｊ］．仪器仪表学报，２００３，２４（４）：４０３－４０５． （编辑桂金星）
