基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统

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基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于高压开关柜技术领域，尤其是一种基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统。\n背景技术\n[0002] 开关柜是电力系统的重要组成设备，开关柜能否安全运行直接影响着电网的供电可靠性。开关柜会有局部放电现象产生，局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿，开关柜内局部放电会导致其内部组织绝缘恶化，最终导致绝缘系统崩坏以致开关柜无法正常运行。局部放电通常通过以下形式来释放能量：（1）电磁形式、（2）声波形式、（3）气体形式。目前，开关柜局放检测装置主要采用了地电波（TEV）、超高频电磁波（UHF）以及超声波（AE）等几种检测方法，其原理都是采用体外接收装置检测电磁波或超声波的存在来判断开关柜内部是否有局部放电。上述技术方法不仅需要耗费大量人力物力，另外还存在许多局限性，譬如超高频电磁波抗干扰能力较差，超声波检测频带范围有限等。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、抗干扰能力强且使用方便的基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统。\n[0004] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：\n[0005] 一种基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统，包括氧传感器、电流运放单元、A/D转换单元、D/A转换单元、DSP处理器、通信单元以及终端监控机；所述的氧传感器安装在开关柜内并将输出的放电电流If连接到电流运放单元，所述的电流运放单元将放电电流If放大并转为放电电压Uf，该放电电压Uf通过A/D转换单元转换后连接到DSP处理器；\n所述的DSP处理器进行处理并将输出的放电电压Uf和放电电压斜率Kf经过通信单元与终端监控机相连接，同时，DSP处理器将输出的控制电流IC经过D/A转换单元连接到氧传感器上实现对氧传感器的控制。\n[0006] 而且，所述的氧传感器包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，电流运放单元串联在氧传感器回路上用于采集氧传感器的输出的放电电流If，可调恒压源的控制端与DSP处理器输出的控制电流IC相连接。\n[0007] 而且，所述的可充电锌空气电池采用活性炭作为正极活性物质，采用锌材料作为负极物质，以氯化铵或苛性碱溶液作为电解质。\n[0008] 而且，所述的通信单元采用以太网通信模块并采用变电站系统网络通信标准IEC61850进行数据通信。\n[0009] 本发明的优点和积极效果是：\n[0010] 本发明设计合理，其通过氧传感器检测开关柜局放电过程中氧气浓度的变化并将变化信息转化为放电电流，然后由DSP处理器及终端监控机进行分析得出有无放电、放电是否严重以及放电点离传感器的距离等结果，避免了电磁波或超声波存在的抗干扰能力差等问题，具有抗干扰能力强、快速准确、性能稳定、使用方便等特点。\n附图说明\n[0011] 图1为本发明的系统连接示意图；\n[0012] 图2为氧传感器的电路方框图；\n[0013] 图3（a）为恒压源的自动调节方式的处理示意图；\n[0014] 图3（b）为恒压源的人工调节方式的处理示意图；\n[0015] 图4为DSP处理器的处理流程图；\n[0016] 图5为终端监控机的功能架构图。\n具体实施方式\n[0017] 以下结合附图对本发明做进一步详述。\n[0018] 一种基于氧传感器的开关柜局部放电实时监测系统，如图1所示，包括氧传感器、电流运放单元、A/D转换单元、D/A转换单元、DSP处理器、通信单元以及终端监控机。所述的氧传感器安装在开关柜内且氧传感器的输出端与电流运放单元相连，该氧传感器用于感应开关柜内氧气浓度的变化并将浓度变化信号转化为放电电流If输出给电流运放单元；所述的电流运放单元能够将小放电电流If放大为放电电压Uf，由于Uf为模拟量，因此，该电流运放单元的输出端需要通过A/D转换单元与DSP处理器相连，A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号后传输给DSP处理器；所述的DSP处理器通过自身的I/O单元将该数字信号采集进来，并进行数学运算，求得一段时间内的Uf及Kf曲线（Uf为放电电压，Kf为放电电压斜率），同时，该DSP处理器可以输出控制电流IC，因此，DSP处理器包括两个输出端：一输出端输出放电电压Uf和放电电压斜率Kf经过通信单元与终端监控机相连接，另一输出端输出控制电流IC经过D/A转换单元与氧传感器中的可调恒压源相连用于调节氧传感器模块中的恒压源输出电压大小。终端监控机通过Uf及Kf曲线判断是否存在放电以及故障点的距离，然后将分析后得到的结果显示在监控平台供运行人员查看。下面对各个部分分别进行说明：\n[0019] 如图2所示，氧传感器采用电化学氧传感器，包括可充电锌空气电池、可调恒压源及警报灯，可调恒压源、可充电锌空气电池及警报灯串联在一起组成氧传感器回路，该氧传感器回路的输出电流由电流运放单元采集，可调恒压源的控制端与DSP处理器输出的控制电流IC并通过D/A转换单元相连接。可充电锌空气电池以氧气为原料，其输出端电压Ub大小与空气氧气浓度成正比，在通常氧气浓度下，Ub近似等于1.5V。可调恒压源输出端电压为Un，在开关柜正常运行情况下，调节恒压源输出使得Un=Ub，则此时电路无电流流过，If=0。\n假如运行一段时间内开关柜内部发生局部放电现象，柜内将生成臭氧与二氧化氮气体，由于开关柜是近似密封的，且化学反应消耗了一定的氧气，则柜内氧气的浓度必然下降，氧传感器将感应到这一变化。空气电池输出端电压Ub将随着氧气浓度下降而下降，而恒压源电压为Un不变，假设警报灯的电阻为Rf，则回路电流If=(Un-Ub)/Rf，不再为零。If作为反应氧浓度变化的电信号，可称之为放电电流。当If达到一定阀值后，警报灯会发亮提醒现场运行人员开关柜内异常。\n[0020] 氧传感器共有三种工作模式：运行模式、调试模式及充电模式：（1）运行模式下，空气电池电压Un等于恒压源两端电压Ub，互感器可随时感应到氧气浓度变化。设备大部分时间处于这种正常工作状态下。（2）调试模式是指氧传感器刚投入运行，或投入时间较长需重新校准时，通过DSP处理器自动调节恒压源电压Ub大小使得传感器自身满足正常运行的条件，即Un=Ub。调节方法如图3(a)所示，Un不等于Ub时，产生放电电压Uf，DSP处理器采集到Uf作为负反馈输入，输出控制电流IC来调节恒压源电压Un大小，直至Un=Ub，反馈源Uf消失。（3）充电模式是指氧传感器工作时间较长，锌空气电池负极锌消耗过度，电池两端电压较大幅度地降低时，为了延长电池寿命保证传感器正常工作，采用恒压源对电池进行恒压充电的一种模式。\n[0021] 氧传感器中的可充电锌空气电池为一种新兴的空气电池，其工作原理与普通电池近似，所不同的是锌空气电池采用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质。其化学反应方程如下：\n[0022] 负极：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ\n[0023] 正极：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ\n[0024] 总反应：2Zn+O2=2ZnO\n[0025] 锌空气电池阳极端为活性炭，并在可导电金属外表留有毛细微孔，方便氧气流入正电极。而空气中氧气的浓度决定了电池两端电压的大小，在正常情况下电池的输出电压约为1.5V。\n[0026] 氧传感器中的可调恒压源的作用有以下两个：（1）与锌空气电池两端产生电势差，产生放电电流。正常工作状态下，恒压源输出设为Un≈1.5V，此时与锌空气电池两端电势相等，传感器中无电流流过，若此时氧气浓度突然降低，则锌空气电池输出电压降低，而恒压源两端电压不变，则回路中存在电势差，产生信号电流。（2）在该系统退运状态下，可作为电源给锌空气电池充电，延长该传感装置使用寿命。可调恒压源通过D/A转换器与DSP处理器相连，终端监控机下达指令给DSP处理器，通过DSP处理器给出控制信号来调节恒压源输出电压Un，使其输出电压略高于1.5V，这样恒压源便可对锌空气电池进行充电。\n[0027] 可调恒压源可以采用图3（a）、图3（b）所示的两种调节方式，图3（a）所示调节方式为自适应调节，无需与运行人员交互，主要作用于氧传感器的调试模式，其具体调节方式可以参照文中关于调试模式的详细说明；图3（b）所示调节方式为交互式调节，首先用户通过终端机输入理想值，DPS处理器接收到该值并输出相应的控制电流至恒压源，最终恒压源两端输出用户需要的理想值。该调节方式主要作用于氧传感器的充电模式，目的在于给恒压源设置一个合适的充电电压。\n[0028] 氧传感器中的中的警示灯一方面在回路流过电流时产生报警信号，一方面作为电阻抑制回路过电流。\n[0029] 电化学氧传感器的工作原理为：在放电过程中，作为能量的一种转换形式，空气中将生成臭氧O3与二氧化氮NO2，化学反应方程式如下：\n[0030] \n[0031] \n[0032] 2NO+O2=2NO2\n[0033] 由以上各式子可以看出放电过程中，开关柜中的氧气浓度会减少，本专利申请正是基于此原理而设计。氧传感器将检测到开关柜内装置周围氧气浓度的变化信息转化为放电电流输出至电流运放单元。\n[0034] 由于传感器中流过的电流细微，所以必须通过电流运放单元对放电电流If进行增幅，在运放单元的输出端设置电阻将放电电流转为模拟放电电压Uf输出，电流运放单元的输入电流即为放电电流If，输出端为放电电压Uf，Uf即为放电电压，是进行计算分析的原始数据。\n[0035] 由于氧传感器输出的放电电压Uf为模拟信号，需要通过A/D转换单元将模拟放电电压Uf转换为转化为数字信号并行输出至DSP处理器中进行运算。\n[0036] 作为本系统的核心，DSP处理器具有强大的数据计算处理功能，通过其外设的并行通道将数字信号化的放电电压Uf读入到自身存储器RAM中，并进行运算，得到的计算结果都保存在RAM中。计算得到的数据包括放电电压Uf及放电电压斜率Kf。DSP处理器具体作用为：\n[0037] 1）DSP处理器计算得到一段时间内的电压幅值大小、变化率，并将原始数据与计算得到的数据上传至终端监控机，终端监控机根据这些数据来判断是否存在局部放电、放电严重情况以及放电点距传感器距离，并将分析结果直观的显示在监控平台以供运行人员分析查看。\n[0038] 2）发出调节信号，通过D/A转换器对恒压源进行调节，决定氧传感器单元是处于正常运行模式、调试模式还是充电模式。调试模式下，DSP处理器将采集到的放电电压作为负反馈来调节Un大小，直至Un等于锌空气电池两端电压。\n[0039] 如图4所示，DSP处理器内部的处理流程为：首先整套检测系统启动，氧传感器自动进入调试模式，调试正常后转入运行模式。运行人员对监测系统进行参数设置，比如放电电压阀值等；运行中系统会以固定频率采集放电数据，然后判断是否有放电现象存在。如果此时有放电电压存在，则系统会判断放电电压是否超过阀值，未超过阀值，系统会认为氧传感器其充电电池两端电压降低，需重新校准，随后转入调试模式；若超过阀值，则记录放电数据并发出警报信号。运行人员检测到警报后对设备进行处理，若带电处理，则系统复归报警信号，整套流程结束；若开关柜转检修状态，则将氧传感器切入充电模式，以延长空气电池寿命，充电结束或开关柜检修转运行时，需将氧传感器投入调试模式，然后流程循环下去。\n[0040] DSP处理器与终端监控机之间通过通信单元进行数据传输。由于DSP处理器处理能力有限，不能对放电信号进行全面分析。所以需要将原始放电数据和计算得到的放电数据上传至终端监控机中进行全面分析。考虑到需要传输的数据量较大，因此，本监测系统采用以太网的通信方式。通信协议采用国际统一的变电站系统网络通信标准IEC61850，方便变电站各种IED设备互联通信。\n[0041] 终端监控机能够对DSP处理器上传的数据进行全面分析。例如对电压的幅值进行比较分析，判断是否存在放电，放电是否严重。一般来讲，放电越严重，氧气消耗越大，充电电池两端电压越小，则DSP处理器采集到的电压幅值越大，反之电压幅值较小说明无放电，或轻微放电；还有电压斜率与放电点位置离氧传感器的距离也有密切关系，通常两者距离越近，气体扩散急剧，则电压斜率较大，反之若两者距离较远，则电压变化缓慢。终端监控机对数据进行分析时，首先检查放电电压Uf幅值大小，若Uf绝对值超过某个设定好的上限，例如|Uf|>U阀，则终端监控机将认为开关柜内发生放电现象，然后继续分析放电电压斜率Kf。\n氧气具有流体的特性，其扩散速度决定于其相对距离。例如离放电点越近的氧气扩散越快，反之则越慢。若故障点离传感器越近，则放电电压Uf上升的速度越快，即Kf越大。反之，Kf越平滑，则说明放电部位离传感器较远。所以为了提高氧传感器的灵敏度，通常将氧传感器设置在容易发生放电的部位，比如电缆与隔离开关的交接口。也可设置多组传感器，以便更为精确地定位放电部位。\n[0042] 如图5所示，终端监控机的功能实时监控、数据分析、历史查看、参数设置及系统操作五大部分，其界面友好，操作简单，能够直观的看到各种当前放电信息，并能够查阅历史数据，控制氧传感器工作模式等。下面对终端监控机的功能分别进行说明：\n[0043] 实时监测功能：该功能是本终端监控机的最基本功能，包含原始数据查看及报警信号显示两部分内容，原始数据即当前放电电压Uf，报警信号采用光信号及声响的方式，在发生放电时提醒运行人员。\n[0044] 数据分析功能：运行人员可以通过数据分析功能来查看一段时间内放电电压Uf及其斜率Kf的曲线，这样可以比较直观地了解到该时间段内的氧气浓度变化情况。终端监控机通过数据分析给出结果，包括有无放电，放电是否严重，以及放电点离传感器的距离。例如Uf及Kf较大时，终端监控机会給出结果：XX时XX分检测到开关柜内存在放电，放电情况严重，放电部分离监测点约XX米。\n[0045] 历史查看功能：可以查看到以往时刻的放电信息，包括报警信息以及各种放电数据，方便运行人员参考与对比。\n[0046] 参数设置功能：运行人员通过终端监控机来对放电电压阀值及充电电压幅值进行设置，充电电压幅值通常设置为比电池两端电压略大一点，不能太大，否则容易烧毁电池；\n放电电压的阀值选取非常关键，要根据各开关柜的实际情况来定，高于这个阀值则可认为开关柜存在放电。\n[0047] 系统操作功能：包括报警信号复归功能、氧传感器模式切换、历史数据导出等功能。当工作人员发现报警信号并通知检修人员之后可将报警信号复归。为方便查阅放电数据，可将数据导出到其它软件中进行分析。氧传感器模式切换功能可对传感器模式进行切换。\n[0048] 需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。