一种开关柜在柜式母线局放实时检测系统

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一种开关柜在柜式母线局放实时检测系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于中高压电气设备故障检测与诊端技术领域，特别涉及一种在柜式的对中压开关柜母线的局部放电现象进行实时检测的系统。\n背景技术\n[0002] 开关柜在工作时，如果母线绝缘内部存在弱点和缺陷，则会产生绝缘的局部击穿现象；而母线本体若有尖角或尖的边缘时，就会导致电场集中，上述两种情况的发生都会出现局部放电的现象。当开关柜母线局部放电现象时，轻者引起设备工作不正常、绝缘的进一步恶化，重者则会击毁开关柜的设备，产生严重的安全事故。\n[0003] 目前检测局部放电现象的技术主要有：红外检测技术、超声波检测技术和脉冲电流检测技术等。然而，现在这些技术的运用都存在各种结构或功能缺陷。比如：红外检测、超声波检测易受环境温度、环境噪声影响，灵敏度不高，而脉冲电流法需要专门的高压装置等。除此之外，还存在一个很大的问题是采用这些技术都无法实现在柜式的实时检测功能。\n采用超声波、红外检测技术手段检测局放，仅是通过专门的仪器做定期巡检，而无法实时检测，并且有些仪器仅适合于变压器、电机等电力设备。至于脉冲电流法，其在检测时，还需要中断开关柜的运行，施加实验电压来提取局部放电电弧、电晕引起的脉冲信号，其检测手段既费时，又要造成局部电网中断运行的损失。另外，检测过程中对检测人员的技术水准要求也比较高，不利于快速处理故障现场。\n[0004] 目前，直接针对在柜式的开关柜母线局放实时检测的技术方案还未见公开，可以说在国内外还是空白。\n发明内容\n[0005] 本发明公开了一种开关柜在柜式母线局放实时检测系统，其是一种安装在开关柜上、基于电容耦合式的检测系统，实时地对母线的局部放电状态进行监测。其信号处理、分析部分是和常规配置于开关柜的操控装置设计为一体，构成一套完整的开关柜安全工作综合保护装置。本发明的检测系统由于能实时检测对开关柜安全运行危害较大的母线局部放电状态，并及时给出保护信号，从而极大地提高了电网运行的安全性。\n[0006] 本发明所采取的技术方案如下：一种开关柜在柜式母线局放实时检测系统，其包括温度、湿度、粉尘检测模块、母线局放检测部件、信号隔离及调理模块、DSP信号处理模块、按键显示模块、通讯模块、输出控制模块，所述温度、湿度、粉尘检测模块检测母线环境的温度、湿度及粉尘浓度，并将检测信号传输至DSP信号处理模块；所述母线局放检测部件检测母线局放脉冲信号，并将检测信号传输至信号隔离及调理模块，所述的母线局放检测部件包括高压母线(V)、母线电阻(Z1)、完好介质第一电容(Ca)、与气隙串联第二电容(Cb)、气隙第三电容(Cc)、母线绝缘层外缘与检测电极板之间的第四电容(Cq)、检测电极板与开关柜柜体之间的第五电容(Co)、霍尔电压传感器(U1)、第二电阻(R2)、局部放电等效第一电阻(r1)、连接座(J1)，高压母线(V)的一端接地，另一端接母线电阻(Z1)，母线电阻(Z1)分两路分别接第二电容(Cb)、第一电容(Ca)，第二电容(Cb)的另一端分两路分别接第三电容(Cc)、第一电阻(r1)，第一电容(Ca)、第三电容(Cc)、第一电阻(r1)的另一端汇成一路联接第四电容(Cq)，第四电容(Cq)的另一端接入霍尔电压传感器(U1)的Vin+端，霍尔电压传感器(U1)的Vin+端与Vin-端之间接第五电容(Co)，霍尔电压传感器(U1)的Iout端与GND端之间接电阻(R2)，霍尔电压传感器(U1)联接连接座(J1)，霍尔电压传感器(U1)的型号是HV400AD；所述信号隔离及调理模块针对母线局放信号进行预处理，并传输至DSP信号处理模块；DSP信号处理模块接收信号，对信号进行处理、分析，产生控制信号，并传输至输出控制模块；输出控制模块接收DSP信号处理模块发出的控制指令，以控制外部的控制装置动作；DSP信号处理模块通过通讯模块与外部计算机进行通讯；DSP信号处理模块与按键显示模块进行人机交互通讯。\n[0007] 优选的，温度、湿度、粉尘检测模块包括温度传感器(U2)、湿度传感器(U3)、粉尘传感器(U4)，所述的温度传感器(U2)检测母线周围环境温度，靠近母线；所述的湿度传感器(U3)检测母线周围环境湿度；所述的粉尘传感器(U4)检测母线室的环境粉尘浓度；温度传感器(U2)、湿度传感器(U3)、粉尘传感器(U4)的数据输出分信号引脚分别接入所述的DSP信号处理模块。\n[0008] 优选的，信号隔离及调理模块包括运算放大器(U5)，运算放大器(U5)调理母线局部放电信号；运算放大器(U5)的输出接入DSP信号处理模块。\n[0009] 优选的，按键显示模块包括第一按键(S1)、第二按键(S2)、第三按键(S3)、第四按键(S4)、液晶显示模块(M1)，DSP信号处理模块(U6)接液晶显示模块(M1)的引脚；电源模块(U1)的V+、V-端并联联接电解电容(C1)、第三电阻(R3)和第一按键(S1)、第四电阻(R4)和第二按键(S2、)第五电阻(R5和第三按键(S3)、第六电阻(R6)和第四按键(S4)，第三电阻(R3)和第一按键(S1)、第四电阻(R4)和第二按键(S2)、第五电阻(R5)和第三按键(S3)、第六电阻(R6)和第四按键(S4)分别串接，第三电阻(R3)和第一按键(S1)、第四电阻(R4)和第二按键(S2)、第五电阻(R5)和第三按键(S3)、第六电阻(R6)和第四按键(S4)的连接线分别接入DSP信号处理模块(U6)。\n[0010] 优选的，通讯模块包括RS-232收发器(U7)、485收发器(U8)，RS-232收发器(U7)、\n485收发器(U8)构成与上位机通信的硬件接口，以实现现场与远程计算机的通信；RS-232收发器(U7)、485收发器(U8)联接DSP信号处理模块(U6)。\n[0011] 优选的，输出控制模块包括光电耦合器(U10)，光电耦合器(U10)对控制输出信号进行电气隔离，光电耦合器(U10)的输入端接入DSP信号处理模块(U6)，光电耦合器(U10)的输出端接入一插头座(J5)，插头座(J5)接外部电源。\n[0012] 优选的，DSP信号处理模块接日历时钟模块(U9)，日历时钟模块(U9)记录故障发生时间，并予以保存。\n[0013] 优选的，DSP信号处理模块并联联接电容(Y1)、第七电容(C7)和第八电容(C8)，第七电容(C7)与第八电容(C8)串联。\n[0014] 本发明建立柜上母线与感应电板问的电容模型及对应的电路模型，设计母线局部放电放检测部件，这包含了感应检测电板几何形状、材料、绝缘等理论和技术问题的解决，确保在高压条件下设计的检测部件要满足开关柜本体安全可靠运行的要求。\n[0015] 其次，本发明对母线产生局部放电时的脉冲捕捉。一般在母线绝缘状况良好时，连接也可靠时，不会产生局部放电现象，但一旦出现局部放电时，需要检测装置和信号处理单元能迅速识别检测出局放脉冲信号。\n[0016] 此外，本发明抗环境变化因数影响检测准确度。在环境湿度、温度、尘埃发生变化时必然会影响检测部件的检测精度，因此，要解决环境变化因数影响检测准确度的技术问题。因为不采用超声波的检测原理，所以不需考虑环境噪声对检测精度的影响。\n[0017] 本发明：1)针对高压母线的尺寸及结构、绝缘材料及尺寸、母线室等空间因数，设计条状检测电极板(参见图4)。该条状检测电极板的一般采用铜质材料，以减小对电场的影响。检测电极板与母线间距和检测电极板与开关柜间距，根据空气介质环境和击穿场强的条件，以及要求的检测(耦合)电容大小等因数设计。\n[0018] 2)基于小波变换的局部放电脉冲信号扑捉及谱分析。小波变换的优势在于扑捉瞬变信号和频谱分析，在实时检测局部放电脉冲信号的过程中显得由为重要。对扑捉的脉冲信号做谱分析后可以推测出局放的强度、位置时间、周期等要素。\n[0019] 3)针对局部放电现象的基于神经网络的信息融合技术的研究。母线局部放电现象会随着环境温度、湿度甚至空气清晰度有着比较密切的关系。信息融合技术将环境的各种影响因数作为系统的多输入参量进行信息融合，并找出各种影响因数与局部放电强度等参数之间的关系。\n[0020] 本发明开关柜在柜式母线局放实时检测系统采用的技术方案首先能实现实时的、在柜的母线局部放电检测功能。在局部放电现象出现时能快速检测、分析、报警提示或保护，符合智能电网对终端电力设备智能化的高要求。而且，局部放电检测部件结构简单、不需要复杂的传感器件。对于影响检测准确度的环境因数，借助价格低性能好的温、湿度、粉尘传感器很容易检测。而原本需要复杂硬件来消除环境因数影响的问题，是靠高速微处理器通过一些信号处理、信息融合等软件程序来解决。实际上开关柜都需配有操控装置，本检测系统与操控装置结合在一体，因此，不需增加多少成本。\n附图说明\n[0021] 图1是本发明开关柜在柜式母线局放实时检测系统的原理框图。\n[0022] 图2是本发明母线局放检测部件的等效电路图。\n[0023] 图3是本发明信号处理、分析及控制输出部分的电路图。\n[0024] 图4是检测电极板的结构示意图。\n[0025] 图2中：V：高压母线；Z1：母线电阻；Ca：完好介质电容；Cb：与气隙串联电容；Cc：\n气隙电容；Cq：母线绝缘层外缘与检测电极板之间的电容；Co：检测电极板与开关柜柜体之间的电容(耦合电容)；U1：霍尔电压传感器；R2：电阻；r1：局部放电等效电阻；J1：连接座。\n[0026] 图3中：U1：电源模块；U2：温度传感器；U3：湿度传感器；U4：粉尘传感器；U5：运算放大器；U6：数字信号控制器；U7：RS-232收发器；U8：485收发器；U9：日历时钟模块；\nU10：光电耦合器；U11：5V-24VDC/DC变换器；M1：液晶显示模块；J1-J5：电路连接插头座；\nS1-S4：按键；R1-R15：电阻；C1-C18：电容；W1：精密电位器。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合附图对本发明作详细说明。\n[0028] 如图1所示，本发明开关柜在柜式母线局放实时检测系统包括温度、湿度、粉尘检测模块、母线局放检测部件、信号隔离及调理模块、DSP信号处理模块、按键显示模块、通讯模块、输出控制模块。温度、湿度、粉尘检测模块检测母线环境的温度、湿度及粉尘浓度，温度、湿度、粉尘检测模块与DSP联接，并将检测信号传输至DSP信号处理模块；母线局放检测部件与信号隔离及调理模块联接，检测母线局放脉冲信号，并将检测信号传输至信号隔离及调理模块；信号隔离及调理模块与DSP信号处理模块联接，其针对母线局放信号进行预处理，并传输至DSP信号处理模块；DSP信号处理模块接收信号，对信号进行处理、分析，产生控制信号，并传输至输出控制模块；DSP信号处理模块联接输出控制模块，输出控制模块接收DSP信号处理模块发出的控制指令，以控制外部的控制装置动作；DSP信号处理模块与通讯模块联接，DSP信号处理模块通过通讯模块与外部计算机进行通讯；DSP信号处理模块与按键显示模块联接，DSP信号处理模块与按键显示模块进行人机交互通讯。\n[0029] 对于母线局部放电检测部分的等效电路如图2所示，这部分电路包括：高压母线V、母线电阻Z1、完好介质电容Ca、与气隙串联电容Cb、气隙电容Cc、母线绝缘层外缘与检测电极板(图4)之间的电容Cq、检测电极板与开关柜柜体之间的电容Co、霍尔电压传感器U1、电阻R2、局部放电等效电阻r1、连接座J1(AWG-4)。这部分电路的元器件参数与母线结构、材料及检测电极板的结构和材料、环境等有关，在不同级别的开关柜中也都有差别。本实施例中，R2是10欧电阻，U1是霍尔电压传感器(型号HV400AD)。\n[0030] 高压母线V、母线电阻Z1、完好介质电容Ca、与气隙串联电容Cb、气隙电容Cc、局部放电等效电阻r1的连接关系是由出现母线绝缘材料有气隙引起局部放电时的等效电路连接关系。高压母线V的一端接地，另一端接母线电阻Z1，母线电阻Z1分两路分别接电容Cb、电容Ca，电容Cb的另一端分两路分别接电容Cc、电阻r1，电容Ca、电容Cc、电阻r1的另一端汇成一路联接电容Cq，电容Cq的另一端接入霍尔电压传感器U1的Vin+端，霍尔电压传感器U1的Vin+端与Vin-端之间接电容Co，霍尔电压传感器U1的Vin-端接地。霍尔电压传感器U1的Iout端与GND端之间接电阻R2，霍尔电压传感器U1的GND端接连接座J1的1脚，Iout端接连接座J1的2脚，+24V端接连接座J1的3脚。\n[0031] 当在母线附近引入检测电极板时产生了Cq(母线绝缘层外缘与检测电极板之间的电容)及Co(检测电极板与开关柜柜体之间的电容)。当出现局放时，气隙电容Cc会有放电脉冲电流，该脉冲电流会引起母线泄漏电流，这部分电流自然流经电容Co，电容Co产生电压信号；霍尔电压传感器U1的输入接电容Co两端以检测局放的电压信号；电阻R2的作用是将霍尔电压传感器U1的4-20mA电流输出转换成40mV-200mV的电压信号。\n[0032] 连接座J1的1、2、3脚对应接到图3中插头座J2的1、2、3脚上，作为图2中U1的电源引入和信号输出。\n[0033] 对于信号处理、分析和控制输出的电路部分如图3所示。\n[0034] 这部分电路包括：电源模块U1(型号DFA10-05W)、温度传感器U2(型号DS18B20)、湿度传感器U3(型号SH1100)、粉尘传感器U4(型号M216553)、运算放大器U5(型号TLC2272)、数字信号控制器U6(即DSP信号处理模块，型号dsPIC30F6012A)、RS-232收发器U7(型号MAX232)、485收发器U8(型号MAX483)、日历时钟模块U9(型号DS12C887)、光电耦合器U10(型号TLP521-4)、5V-24VDC/DC变换器U11(型号：MAX773)、液晶显示模块M1(型号CM12684)、电路连接插头座J1(AWG-2)、J2(AWG-4)、J3(AWG-3)、J4(AWG-2)、J5(AWG-6)、按键S1-S4(AN-2)、电阻R2-R6(4.7K1/4W)、电阻R11-R15(4.7K1/4W)、电阻R1(10K1/4W金属膜)、R9(510K1/4W电阻)、电阻R7(51K1/4W金属膜)、电阻R8(1M1/4W金属膜)、电阻R10(120Ω1/4W)、电解电容C1(1000uF/16V)、电解电容C3-C6(0.1uF/16V)、独石电容C2、C9-C18(104/25V)、独石电容C7、C8(20/25V)、精密电位器W1(51K)。\n[0035] 电路连接插头座J1的1脚、2脚分别接入电源模块U1的AC(3)、AC(1)输入端，电源模块U1的V-(4)端接地，V+(2)端接入数字信号控制器U6的VDD(10)、AVDD(19)、VDD(26)，V+端还通过电阻R2接入数字信号控制器U6的MCLR(7)端，数字信号控制器U6的MCLR(7)端通过电容C2接地。数字信号控制器U6的Vss(9)、AVSS(20)、Vss(25)接地。\n[0036] 电源模块U1的V+(2)、V-(4)端并联联接电解电容C1、电阻R3和按键S1、电阻R4和按键S2、电阻R5和按键S3、电阻R6和按键S4，电阻R3和按键S1、电阻R4和按键S2、电阻R5和按键S3、电阻R6和按键S4分别串接，电阻R3和按键S1、电阻R4和按键S2、电阻R5和按键S3、电阻R6和按键S4的连接线分别接入数字信号控制器U6的RG9(8)、RG8(6)、RG7(5)、RG6(4)。\n[0037] 电源模块U1的V+(2)电源输出还连接到温度传感器U2、湿度传感器U3、粉尘传感器U4、运算放大器U5、RS-232收发器U7、485收发器U8、日历时钟模块U9、液晶显示模块M1的电源端，V-(4)输出端连接到U2-U9的VSS或GND接地端。\n[0038] 温度传感器U2、湿度传感器U3、粉尘传感器U4的数据输出分信号引脚分别接数字信号控制器U6的T2CK(2)、T3CK(3)、AN8(21)。\n[0039] 运算放大器U5的OUT B(7)输出接数字信号控制器U6的AN9(22)，OUT B(7)与IN B-(6)之间接电阻R8，OUT A(1)与IN B-(6)之间接电阻R9，OUT A(1)串接精密定位器W1、电阻R7、电阻R1后接入插头座J2的3脚。电阻R1与电阻R7的连接线还接入运算放大器U5的IN A-(2)。\n[0040] 数字信号控制器U6的U2RX(31)、U2TX(32)接RS-232收发器U7的R1out(12)、Tlin(11)。RS-232收发器U7的C1+(1)与C1-(3)之间接电容R4，C2+(4)与C2-(5)之间接电容C5，V+(2)与Vcc(16)之间接电容C3，V-(6)与地之间接电容C6。Tlout(14)、Rlin(13)分别接入插头座J3的1、2脚。\n[0041] 数字信号控制器U6的U1RX(34)、U1TX(33)接485收发器U8的RO(1)、DI(4)，数字信号控制器U6的RC13(47)接入485收发器U8的RE(2)、DE(3)。485收发器U8的A(6)端、B(7)端分别接入插头座J4的2脚、1脚，A(6)端与B(7)端之间接入电阻R10。\n[0042] 数字信号控制器U6的RC5(40)、CLKI(39)间并联联接电容Y1、电容C7和电容C8，电容C7与电容C8串联。\n[0043] 数字信号控制器U6的RD0-RD7(46、49、50、51、52、53、54、55)作为数据总线分别接日历时钟模块U9的数据线AD0-AD7(4、5、6、7、8、9、10、11)、液晶显示模块M1的数据线DB0-DB7(10、11、12、13、14、15、16、17)。\n[0044] 日历时钟模块U9的中断信号线IRQ(19)接数字信号控制器U6的外部中断输入INT1(42)脚。日历时钟模块U9的RESET(18)与VCC(24)间接电阻R13，RESET(18)通过电容C9接地。液晶显示模块M1的RESET(9)也通过电容C9接地。\n[0045] 数字信号控制器U6的RC14(48)、RG2(37)、RG3(36)、RF6(35)作为液晶显示模块M1的片选、读写信号，分别接液晶显示模块M1的CD(8)、CE(7)、RD(6)、WR(5)引脚。\n[0046] 数字信号控制器U6的RB11-RB14(24、27、28、29)作为日历时钟模块U9的片选、读写等信号，分别接日历时钟模块U9的DC(17)、W/R(15)、AS(14)、CS(13)引脚。\n[0047] 数字信号控制器U6的RG0(61)、RG12(63)、RG13(64)、RG14(62)作为控制输出(温度、湿度、断路器等)信号分别通过R11、R12、R14、R15接光电耦合器U10的输入端，光电耦合器U10的输出端接入插头座J5的6、5、4、3脚及接地。插头座J5的1、2脚接外部电源。\n[0048] 电容C10-C18分别接在每个芯片(U1～U9)的电源与地之间。\n[0049] 电源模块U1将220V的交流电直接整流经稳压而产生5V直流电，供给整个电路工作，它是一个开关电源模块。温度传感器U2检测母线周围环境温度，靠近母线。湿度传感器U3检测母线周围环境湿度。粉尘传感器U4检测母线室的环境粉尘浓度。运算放大器U5调理母线局部放电信号，其放大倍数约20倍。数字信号控制器U6是电路的核心部件，采集来自各传感器的信号及母线局部放电信号，同时对信号进行处理和分析的运算，并输出相应的控制信号。RS-232收发器U7、485收发器U8构成与上位机通信的硬件接口，以实现现场与远程计算机的通信。日历时钟模块U9记录故障发生时间，并予以保存。光电耦合器U10对控制输出信号进行电气隔离，防止外部控制装置的反干扰及电气损伤。按键S1-S4及液晶显示模块M1是人机界面，对系统进行参数设定及监视状态。电阻R2-R6是按键的上拉电阻，保持按键未按下时，输给数字信号控制器U6的电平为高电平。电阻R11-R15是光电耦合器限流电阻。电阻R1、R9、R7、R8、精密电位器W1是运放的放大倍数的构置电阻。电阻R10是485收发器U8的配置电阻。电解电容C1对电源滤波。电解电容C3-C6是RS-232收发器U7的配置电容。独石电容C10-C18是各芯片的去耦合电容。独石电容C7、C8和Y1构成数字信号控制器U6的晶振电路。电阻R2、电容C2、电阻R13、电容C9分别是数字信号控制器U6、精密电位器M1、日历时钟模块U9的上电复位电路。电路连接插头座J1-J5分别接交流电源、母线局放检测电路、RS-232收发器、485收发器的引出、控制信号的引出。\n[0050] 以上对本发明的优选实施方式进行了详细说明，对应本领域的普通技术人员，依据本发明提供的思想，在本发明具体的实施方式和应用范围上均会有改变之处，这些改变也应视为本发明的保护范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明保护范围的限制。