陳昱　章銘　陳永煒　吳陽　董建強　閆忠凱

【摘 要】空氣開關柜是智能配網必不可少的設備，其安全穩(wěn)定運行是配網穩(wěn)定的重要保證。為了進一步提高對空氣開關柜絕緣故障檢測分析能力，本文基于開關柜設備絕緣故障的研究方法，提出一種空氣開關柜內部絕緣故障特征氣體組分檢測的方式。通過監(jiān)測開關柜局部放電下產生的氣體組分及含量，分析開關柜內部放電情況，以及時發(fā)現開關柜絕緣狀態(tài)，為空氣開關柜絕緣故障的檢測提供了一種新思路。

【關鍵詞】空氣開關柜；絕緣故障；氣體分解；局部放電

中圖分類號： TM216 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0274-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.117

Discussion on Insulation Deterioration Gas Detection Method of Switchgear

CHEN Yu1 ZHANG Ming1 CHEN Yong-wei1 WU Yang1 DONG Jian-qiang1 YAN Zhong-kai2

（1.State Grid Zhejiang Electric Power co.， LTD Huzhou Power Supply Company， Anhui Bozhou 313000， China；

2.Wuhan KEDIO Electric Power Technology co.， LTD， Hubei Wuhan 430000， China）

【Abstract】Air switchgear is an indispensable equipment for intelligent distribution network， and its safe and stable operation is important for the stability of distribution network. In order to further improve the ability of detecting and analyzing the insulation faults of air switchgear， a method of detecting the characteristic gas components of the insulation faults in air switchgear is proposed based on the research method of insulation faults of switchgear equipment. By monitoring the gas composition and content produced by partial discharge of switchgear， analyzing the internal discharge of switchgear， and discovering the insulation status of switchgear in time， a new method is provided for the detection of insulation failure of air switchgear.

【Key words】Air switchgear； Insulation failure； Gas decomposition； Partial discharge

0 引言

輸配電設備的安全可靠性是保證整個電力系統(tǒng)能正常運行的關鍵?？諝忾_關柜由隔離開關、斷路器、保護裝置等構成，當系統(tǒng)出現故障時可通過隔離開關斷開相互連接的設備，對電力設備和電力操作人員的安全起到保護作用。因此，開關柜在電力系統(tǒng)中具有起著非常重要的作用[1-2]。由于在制造、運送、安裝和使用過程中不可避免的各種因素，開關柜內可能出現各種絕緣缺陷。例如，制造過程中導體本身可能形成金屬毛刺、運送中易導致零件松動或接觸性能變差、檢修過程可能造成腔體內金屬微粒殘留等。此類絕緣缺陷易引發(fā)開關柜在運行中的電場畸變，誘發(fā)發(fā)生局部放電（PD）[3]。如果不能及時發(fā)現開關柜內部的絕緣缺陷，可能導致絕緣破壞而引發(fā)安全事故，造成巨大的經濟損失和負面社會影響。

1 開關柜絕緣檢測方法

設備發(fā)生局部放電時一般會產生電磁、聲、熱及光信號，放量能量引起絕緣氣體或者固體材料分解時，還會發(fā)生一些列化學反應，產生一些氣體或固體產物。常用于局放信號檢測方法主要包括：

1.1 脈沖電流法

脈沖電流法操作簡單，可實現PD信號低頻段定量檢測，是國際上廣泛認可的方法，但不適用于在線監(jiān)測。

1.2 特高頻法

特高頻法通過在柜內外安裝高頻傳感器，檢測由PD電流脈沖激發(fā)的電磁波信號，靈敏度高，抗干擾能力強，但電量標定問題還有待解決。

1.3 暫態(tài)地電壓法

暫態(tài)地電壓法通過檢測暫態(tài)電壓實現對PD信號的監(jiān)測，但抗干擾能力較差，由于僅以暫態(tài)對地電壓為單一判據，檢測結構可靠性不是很高。

1.4 超聲波檢測法

超聲波檢測法通過提取傳播時間差來計算PD源的位置，應用靈活，但超聲波信號折反射會導致波形信號嚴重失真，對實際操作人員具有較高的要求。

1.5 氣體組分分析法

當高壓設備有局放發(fā)生時，電子碰撞作用會使絕緣介質發(fā)化學反應，產生一些特定的氣體成分。絕緣介質分解產生的氣體成分、濃度、速率等特性與局部狀況相關，氣體分解特性可反應出柜體絕緣狀態(tài)。

空氣開關柜內的空氣是由21%的O2、78%的N2以及少量CO2等構成的混合氣體。放電或者過熱引起混合氣體發(fā)生化學反應，生成一些含氮化合物及CO、CO2等氣體[4]。不同類型的絕緣缺陷引起PD的特性及其作用下的氣體分解特性均具有明顯的差異，因此根據氣體分解組分特征、放電量的變化，可以掌握開關柜內部絕緣缺陷類型的性質和特征。本文通過監(jiān)測開關柜局部放電下產生的氣體組分，根據放電組分特性分析開關柜內部放電情況，反演開關柜絕緣狀態(tài)[5-6]。

2 氣體成分檢測技術

目前，氣體檢測技術主要分為以下方式[7]：

2.1 真空電離技術

由于混合氣體中不同成分在高頻電磁場作用下具有不同電離程度，因此測電離度可反映氣體含量，目前一般采用壓強作為電離程度的表征量。但該技術受測試環(huán)境溫度影響較大，對硬件制造水平很高，還不適用于現場的在線監(jiān)測。

2.2 紅外光譜檢測技術

由于不同氣體對紅外線具有不同的能量吸收特性，因此可利用紅外光譜分析氣體組分。但需根據特定氣體研制相應的紅外傳感器，配置標準氣室，硬件成本較高，現場應用可行性較低。

2.3 電化學傳感器技術

電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號可實現對氣體檢測，對二氧化硫、硫化氫、臭氧等具有較好的檢測效果，測量精度早已達到1ppm，應用比較廣泛，本文選用電化學傳感技術進行測量。

3 應用方案

3.1 基本原理

電化學氣體傳感器利用電解池原理，將空氣中某種化學氣體通過氧化或還原反應將濃度轉化為相應的電信號，通過檢測電信號的大小可得到相應氣體的濃度。根據實際工作原理可以分為以下類型：

（1）當電極和電解質溶液的界面保持一個恒電位時，通過直接將氣體氧化或還原，將通過外電路的電流作為傳感器的輸出信號。

（2）將溶解于電解質溶液的氣態(tài)物質離子作用于離子電極，把產生的電動勢作為傳感器的輸出信號。

（3）將氣體與電解質溶液反應產生的電解電流作為傳感器的輸出信號。

（4）采用有機電解質、有機凝膠電解質、固體電解質、固體聚合物電解質等其他材料代替電解質溶液作為傳感器材料。

本文采用定電位電解氣體傳感器，特定氣體固有的氧化還原電位決定設定電位，與電極材質、電解質種類相關。電解電流與氣體濃度的關系為：

上式表明電解電流與被測氣體濃度成正比，根據氣體電解時所產生的電流可計算得到被測氣體的體積分數和質量濃度。

3.2 系統(tǒng)構成

開關柜絕緣劣化氣體檢測系統(tǒng)主要由探頭模組、接線模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、外圍電路及上位機組成[8]，如圖1所示。探頭模組用于測量氣體組分濃度，并以電位變化反應氣體組分濃度的信息，實現非電量到電量的測量。接線模塊用于將探頭模組測量電信號輸送到后續(xù)電路中進行處理，接線是否緊密對電位影響較大（瞬間變化的電信號將覆蓋有用信號），也會對數據采集端造成影響，因此接線系統(tǒng)應具有較高的可靠性。數據采集模塊采用基于CPLD的現場可編程邏輯門陣列，可實現對多個開關柜氣體濃度的實時分析，相對其他單片機采集處理模塊具有更快的響應速度。數據處理模塊采用數據采集卡完成信號采集處理，處理速度快、內存大、存儲容量大，功耗較低，接收上位機控制指令并做出反應。上位機用于分析顯示開關柜內部氣體組分狀況，實現人機交互。

檢測系統(tǒng)的具體工作流程：開機自檢，確認各部件正常工作之后開始運行。由上位機進行控制選擇需要進行測量的區(qū)域，探頭模組開始工作，通過氧化還原反應，將氣體濃度轉換為微弱的電信號，經過放大濾波后有單片機分析處理，計算出各個氣體濃度等相關信息，并傳輸給上位機。上位機根據所建立的氣體擴散模型以及不同絕緣模型下氣體濃度等信息進行分析出來，并對是否出現局部放電、具體的局部放電等分析結果進行顯示。

3.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要實現以下幾方面的功能：

（1）對單片機進行適當配置初始化，并對電路板工作狀態(tài)進行檢測；

（2）控制ADC模數轉換器對測得的電壓信號按路進行模數轉換；

（3）從模數轉換單元和串口中獲得的數值進行計算分析，得出待測處的氣體濃度值；

（4）對測得的氣體濃度輸出實時顯示；

（5）根據分析結果命令進行相應報警；

主程序流程圖如圖2所示，主要包括：系統(tǒng)初始化、數據采集、數據處理、數據顯示、數據接收發(fā)送、以及報警等模塊。

主程序的執(zhí)行過程為：當系統(tǒng)上電或者復位后，首先對CPU內部運行和各個外設進行初始化設置，主要完成對系統(tǒng)時鐘的配置，對I/O口和A/D轉換接口進行配置，相關事件管理器的初始化配置，定時器中斷配置，串口通信的配置以及對各個變量賦初始值。系統(tǒng)初始化后，啟動AD轉換，然后單片機片內的ADC模數轉換單元開始對信號處理單元（對測量探頭采集到的信號處理）測得的電壓信號進行分析處理，得到CO、CO2、NO2等氣體濃度值后顯示并發(fā)送給上位機，另一方面單片機還從串口中得到CO2氣體濃度值，經過處理后進行顯示且發(fā)送給上位機。一旦接受到上位機發(fā)送過來的報警命令，則單片機會發(fā)出相應的報警。此時需對單片機復位或重新啟動才能繼續(xù)工作。

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