CN111008462A

CN111008462A - 基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法及装置

Info

Publication number: CN111008462A
Application number: CN201911140160.5A
Authority: CN
Inventors: 龚立; 王先培; 田猛; 赵乐; 简子倪; 姚鸿泰; 李博文
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明涉及局部放电检测技术，具体涉及基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法及装置，该方法首先设计物理仿真模型模拟开关柜常见的局部放电的故障类型；然后确认空气在电力条件下主要参与反应的特征气体组分；接着搭建局部放电平台，采用脉冲电流法获得各缺陷模型下稳定的局部放电放电幅值、放电量、放电次数及相位，并采集、记录各特征气体浓度变化规律；最后设计适用于现场安装的开关柜局部放电检测装置，选用利于量产且便于更换的电化学探头模组作为主要的感应探头，数据统一由工业采集器接收后再通过串口线上传至上位机的UI界面中显示。根据实时采集的气体浓度判断柜内的局部放电情况，可大大提高局部放电检测的可靠性和灵敏度。

Description

基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法及装置

技术领域

本发明属于局部放电检测技术领域，尤其涉及基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法及装置。

背景技术

随着社会经济的快速发展，电力系统日渐趋于完善，电力系统对各类输配电设备要求越来越高。在电力系统中起着电能分配和保护控制的开关柜显得尤为重要，其设备的运行状态直接影响电力系统的稳定性。开关柜由于长时间工作形成的各类绝缘劣化缺陷，会直接导致柜内电器绝缘性能下降，甚至发生故障，给社会带来不可估量的损失，有必要检测柜体内故障信息。

开关柜发生故障时，柜体内物理特性、化学特性发生改变，如电场强度、声波频率、温湿度、组分气体发生变化，通过检测此类信号可有效反应开关柜柜内的局部放电阶段，表征柜体绝缘性能及运行状态，如脉冲电流法、特高频法、暂态地电压法、超声波检测法等，但目前还存在着许多问题，如信号失真、电量无法标定、易受环境中传输介质影响等，无法满足开关柜测量现场的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用非接触式的电化学探头模组检测方法，另一个目的是还提供一种适用于开关柜远程预警的现场检测装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，包括以下步骤：

步骤1、建立劣化缺陷模型；根据开关柜故障情况，建立相应的故障缺陷模型并设计物理仿真模型；

步骤2、确定检测气体；根据空气中各组分分解条件，确定空气劣化时检测气体；

步骤3、搭建局部放电平台，为劣化缺陷模型中空气分解提供高等级电压，同时定性判断劣化缺陷模型中组分分解阶段；

步骤4、设计基于气体组分分析法的局部放电检测装置，采用电化学检测法采集气体组分，并在UI界面直观显示。

在上述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法中，步骤1所述建立相应的故障缺陷模型包括：

步骤1.1、建立劣化缺陷电极模型，各故障缺陷模型中导电杆均采用铝合金材质，各故障缺陷模型高压电极及地电极分别采用铝合金或者环氧树脂，各故障缺陷模型放电极包括圆锥状、圆柱状；

步骤1.2、建立劣化缺陷放电气室，各故障缺陷模型气室均采用壁厚20mm的有机玻璃，高压电极及地电极末端均采用红电木制成隔离环，高压电极顶端开螺纹孔，配合螺纹杆接入高等级电压并根据放电情况调整极板间距。

在上述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法中，步骤1所述设计物理仿真模型包括绝缘劣化气室、针板缺陷模型电极、外气息缺陷模型电极、污秽物缺陷模型电极、内气息缺陷模型电极、颗粒物缺陷模型电极。

在上述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法中，步骤2所述空气劣化时检测气体包括CO、NO₂和O₃。

一种基于气体组分分析法的开关柜局部放电的检测装置，包括互相连接的局部放电平台和检测系统；局部放电平台包括依次连接的调压操作台、无电晕变压器、劣化气室和劣化电极，以及与无电晕变压器依次连接的限流电阻、耦合电容和局放监测仪；检测系统包括工业计算机、微处理器、工业采集器、滤波放大电路、气体采集电路、检测单元和外围单元模块。

在上述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电的检测装置，检测单元包括电化学探头模组，电化学探头模组内置AD转换电路，外接协议转换模块，且与微处理器连接；电化学探头模组通过开关柜柜体上、中、下端气口接入气管；外围单元模块包括温湿度传感器、LCD显示屏、按键阵列、电源模块、复用端口和通信模块。

本发明的有益效果：1.设计物理模型模拟开关柜常见的缺陷类型，降低实验成本，且具有良好的复现性；2.搭建空气分解实验平台，并采用局部放电监测仪监测稳定局部放电时放电量、放电次数及相位，提供良好的空气劣化分解环境，提高气体局部放电的可靠性；3.采用电化学检测技术，通过串口线将数据上传至上位机，结合配电站内开关柜运行现场空气的流动性，可直接在柜体附近安装、无须任何额外接线即可判断，大大提高检测设备的利用率。4.克服微量气体浓度检测难度大、检测类型单一等缺点，可根据主要劣化气体浓度配置相应模组，具有良好的推广性及泛用性。

附图说明

图1是本发明一个实施例基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法流程图；

图2是本发明一个实施例采用劣化缺陷模型结构简图；

1-绝缘劣化气室，2-针板缺陷模型电极，3-外气息缺陷模型电极，4-污秽物缺陷模型电极，5-内气息缺陷模型电极，6-颗粒物缺陷模型电极；

图3是本发明一个实施例空气劣化平台结构简图；

7-调压操作台，8-无电晕变压器，9-劣化气室，10-劣化电极，11-限流电阻，12-耦合电容，13-局放监测仪；

图4是本发明一个实施例针尖缺陷模型下PRPD图谱；

图5是本发明一个实施例检测装置硬件结构图；

图6是本发明一个实施例检测装置软件流程图；

图7是本发明一个实施例针尖缺陷模型下气体浓度变化规律。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例提出了一种基于气体组分分析法测量空气在局部放电条件下产生的微量劣化气体(不同种类的劣化气体含量存在区别)，受开关柜内电磁干扰小，且安置于配变站内的开关柜现场空气不易流动，有效保证开关柜局部放电时气体浓度采集的可靠性。

同时还提供了一种采用非接触式的电化学探头模组检测方法，克服微量气体浓度检测难度大、检测类型单一等缺点，可根据主要劣化气体浓度配置相应模组，具有良好的推广性及泛用性。

还提供了一种适用于开关柜远程预警的现场检测装置，现场安装时无需对柜体进行批量改造，在柜体上端、中端、下端排气口接入气管即可采集柜内气体组分信息，实现开关柜局部放电的快速检测，大大的降低开关柜事故的发生。

本实施例首先设计物理仿真模型模拟开关柜常见的局部放电的故障类型；然后确认空气在电力条件下主要参与反应的特征气体组分；接着搭建局部放电平台，采用脉冲电流法获得各缺陷模型下稳定的局部放电放电幅值、放电量、放电次数及相位，并采集、记录各特征气体浓度变化规律；最后设计适用于现场安装的开关柜局部放电检测装置，选用利于量产且便于更换的电化学探头模组作为主要的感应探头，数据统一由工业采集器接收后再通过串口线上传至上位机的UI界面中显示，以采集的各气体变化趋势作为主要的判断依据，根据实时采集的各特征气体分析当前柜体的局部情况，同时为避免开关柜内发生由凝露带来的危害内置温湿度检测模块，当超过设定阈值时提示报警信息。有如下优点：采用电化学检测技术检测空气在局部放电条件下劣化产生的微量气体(CO：0-45ppm，NO₂：0-36ppm，O₃：0-28ppm)，不同故障类型由于局部放电电压不同导致特征气体浓度变化规律不一致，根据实时采集的气体浓度判断柜内的局部放电情况，可大大提高局部放电检测的可靠性和灵敏度。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，包括以下步骤：

S1.建立劣化缺陷模型。根据开关柜常见的故障，建立相应的故障缺陷模型并设计物理仿真模型。

S2.确定主要检测气体。根据空气中各组分分解条件，确定空气劣化时主要检测气体。

S3.搭建局部放电平台。为劣化模型中空气分解提供高等级电压，同时定性判断劣化模型中组分分解阶段。

S4.设计基于气体组分分析法的局部放电检测装置。采用电化学检测技术采集气体组分，并在UI界面直观显示。

具体实施时，一种基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，包括以下步骤：

一、建立劣化缺陷模型。如图2所示，根据开关柜的实际故障情况，建立物理仿真模型，其中，绝缘劣化气室1，针板缺陷模型电极2，外气息缺陷模型电极3，污秽物缺陷模型电极4，内气息缺陷模型电极5，颗粒物缺陷模型电极6。其中各缺陷模型均按如下步骤设计、加工：

1.1、设计劣化缺陷电极模型，各缺陷模型中导电杆均采用铝合金材质制成，各缺陷模型高压电极及地电极分别由铝合金或者环氧树脂制成，各缺陷模型放电极主要分为圆锥状、圆柱状。

1.2、设计劣化缺陷放电气室，各缺陷模型气室均壁厚20mm的有机玻璃制成，高压电极及地电极末端均采用红电木制成隔离环，高压电极顶端开螺纹孔，配合螺纹杆接入高等级电压并根据放电情况调整极板间距。

二、确定主要劣化气体。柜体内空气发生局部放电时主要产生O₃、NO、NO₂、N₂O₅等分解产物，固体绝缘材料受损后产生CO、CO₂等气体，但NO、N₂O₅等分解组分为反应中间产物，CO₂体积份数偏大，不能作为局部放电检测的特征组分。CO、NO₂在空气中能够稳定存在，并与局部放电特征紧密相关，可作为检测局部放电的主要特征组分，O₃化学性质活跃，可用于判断气室内局部放电程度。

三、搭建局部放电平台，如图3所示，其中，调压操作台7，无电晕变压器8，劣化气室9，劣化电极10，限流电阻11，耦合电容12，局放监测仪13，将调压操作台7、无电晕变压器8、劣化气室9、劣化电极10依次连接，无电晕变压器8、限流电阻11、耦合电容12、局放监测仪13依次连接，并按照以下步骤操作。

3.1、确认调压操作台可以正常工作，劣化气室中缺陷电极符合设计要求。

3.2、确认调压操作台电源关闭，劣化气室已经可靠接地；

3.3、启动局部监测仪并根据IEC60270标准标定，根据当输入脉冲信号放电量与幅值与标定界面一直时即标定完成，视在局放量为2pC或4pC。

3.4、通过调压操作台调节电压等级，缓慢升高电压，观察劣化缺陷模型中是否有稳定闪弧现象，同时观察局部监测仪上放电次数、放电幅值及相位的变化。其中，不同劣化缺陷稳定局部放电时电压等级不一致，针板缺陷模型为7.1kV，内气息缺陷模型为5kV，污秽物缺陷模型为5.1kV，外气息缺陷模型为15kV，颗粒物缺陷模型为11.2kV，其中外气息缺陷模型放电电流最大，接近17A，其余缺陷模型劣化时电流可忽略不计。

3.5、当劣化缺陷模型发生稳定局部放电时，以针板缺陷模型为例，针板间距离为5mm时，其稳定局部放电时放电量集中在450pC，放电次数最大为40次，放电相位角主峰100°及300°，当劣化气体扩散至电化学模组进行采集(现场实验时劣化气室在恒温室内，采用0.5m的PVC软管与电化学模组连接，实验前需对电化学探头预热及标定，劣化气体扩散时间一般为5min)，将气体浓度变换转换为探头输出电压电位变化，并通过TTL转USB串口线在上位机显示劣化气体浓度的变化，如CO、NO₂、O₃等。随着劣化气室内局部放电的进行，气室内的劣化气体不断分解重组改变其绝缘性能，导致局部放电现象的加剧或削弱，实验时如果观察不到稳定的局部放电时，可适当的调整电压，直到再次出现稳定的局部放电现象。当气室内出现明显拉弧现象或者调压台电流急剧增大时，则认为当前气室内空气已经完全劣化，可更换其它缺陷模型进行重复。针尖缺陷模型下PRPD图谱如图4所示。

3.6、在稳定局部放电条件下采集数据并记录，并根据气体浓度与探头模组电位间的对应关系确定气体浓度变化规律。在调压操作台调节电压调节至初始稳定局部放电电压时，气室内出现明显拉弧现象，又或者是某阶段不在稳定局部放电时略微升高电压导致调压台电流急剧增大时，则认为气室内空气中主要的特征气体已经完全劣化，更换缺陷模型重复步骤3.1-3.3；

3.7、当所有缺陷模型实验完成、气体组分数据录取完毕后，在调压操作台缓慢降压直至电源关闭，依次拆除导线、信号线、劣化气室、耦合电容、局部监测仪、变压器、操作台，最后拆除地线。

3.8、整理、清扫实验场地，实验完毕，汇总分析数据。

四、设计基于气体组分分析法的局部放电检测装置，如图5所示，主控单元接收、分析数据，监测柜体运行状态；辅控单元接收采集信息、操作指令信息并反馈执行指令信息；接收单元采集信息并完成数据交互；检测单元作为采集现场信息如温度、湿度、气体浓度等；外围单元模块主要接收控制指令并执行相应操作。

如图5所示，工业计算机用于人机交互，提高检测装置的操作性；微处理器接收、执行、反馈操作指令；工业数据采集器多通道接收数据并传输；基于电化学法的探头模组采集待测柜体气体组分信息。气体采集电路采集待测柜体内组分信息，模拟电压表示气体组分浓度，电压浮动表示气体组分变化趋势；经滤波放大电路滤除噪声并增益其电压幅值量，区分有效信息及干扰信号。工业采集器接收数据信息，多通道、多量纲接收组分种类、浓度，并转换数据格式、实时传输数据；微处理器统一接收各种数据，并反馈现场操作指令信息。外围单元包括温湿度传感器、LCD显示屏、按键阵列、电源模块、复用端口、通信模块，主要完成温湿度检测、数据显示、开关量输入输出等功能。

其中，微量气体检测技术分为红外光谱检测技术、真空电离检测技术、电化学检测技术，可有效检测微量气体组分：真空电离技术检测时存在相互干扰，定量精度低，无法连续使用，检测组分单一，元件寿命较短。红外光谱检测技术对于测量环境的要求高，对弱吸收气体灵敏度低，而且设备结构复杂、价格较贵。电化学检测技术长期使用中数据稳定性差，维护成本高(定期校准)，但对目标气体具有较高的选择性，测量精度高，价格低廉，易于量产，可有效检测气体组分。现场测试时电化学传感器利用电解池原理将待测气体组分浓度转化为电信号，结合温湿度校准系数修改原始电压信号，并放大滤波，由工业采集器接收；同时探头模组内置AD转换电路可输出数字信号，外接协议转换模块由微处理器统一接收。单探头模组工作时引脚1、2作为供电输入与采集端引脚1、2连接，模拟输出端口3与采集器引脚3连接，串口输出电压分别连接协议转换端引脚4、5，实现采集组分多端显示。

如图6所示，本实施例检测装置的软件主要完成信号采集、预警提示、按键输入、输出显示等功能，首先按键输入初始化硬件执行功能及软件操作功能，初始化硬件参数及软件任务流程，待各项模块运行顺利后采集柜体内数据信息如温度、湿度、组分浓度，并将信息以数值形式在交互界面上显示便于观察，当示数超过设定阈值时预警提示相关人员检修，避免开关柜因凝露及局部放电导致故障发生。

本实施例检测装置的上位机(工业计算机)软件主要包括登录界面、参数设置界面、数据显示界面、预警界面。单次检测时，首先由登录界面转至主要操作界面，初始化阈值参数后界面下位机传输数据，在可视化界面处显示检测信息，与设定阈值对比，如果超过设定阈值转至预警界面，提示柜体需人工维护，如果示数在阈值区间内装置正常运行。单次检测结束后可通过按键输入进入连续检测模式，待柜体更换完成后正常运行，检测待测柜体内数据信息。

本实施例检测装置下位机(微处理器)软件主要完成数据采集、分析、上传等功能。装置各模块功能正常后开始采集数据，下位机驱动温湿度传感器、探头模组采集待测柜体内温度、湿度、浓度，分别显示在LCD屏幕和UI界面上，如示数超过初始设定阈值时驱动蜂鸣器预警提示相关人员检修，同时将数据上传至上位机，与上位机信息交互，接收操作信息如参数设定、预警信息，并将其反馈至模块处执行，完成相应操作。

本实施例检测装置外壳采用POM工程塑料制成，内部采用四层板分离结构安置硬件设备，微处理器主要用于采集温湿度信息、操作指令输入，工业采集器主要用于统一接收数据信息并上传，电化学探头模组阵列内置多个电化学传感器，输出原始模拟电压信号，供电电源主要用于提高接线、供电端口。待硬件启动完成后，确认用户身份后转至主操作界面，点击实时浓度查看，可转至气体组分采集浓度界面，产生原始数据后可在故障判断界面分析当前浓度是否合理，当浓度超过设定阈值弹出预警提示窗口；单次测量完成后可在气体采集界面、故障诊断界面调整初始参数，便于后续测量。

本实施例检测装置外部供电220V，内部供电5V、3.3V，温湿度监测转换为数字信号传输，由微处理接收并显示，气体组分转换为模拟信号传输，由工业采集器接收(单组分检测时通过协议转换端口由微处理器接收并显示)并在上位机界面显示，温度低于3°或高于60°、湿度低于5％或高于95％时蜂鸣器预警提示，CO气体浓度高于10ppm、NO₂气体浓度高于8ppm或O₃气体浓度高于6ppm时提示报警信息。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，其特征是，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，其特征是，步骤1所述建立相应的故障缺陷模型包括：

3.如权利要求1所述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，其特征是，步骤1所述设计物理仿真模型包括绝缘劣化气室、针板缺陷模型电极、外气息缺陷模型电极、污秽物缺陷模型电极、内气息缺陷模型电极、颗粒物缺陷模型电极。

4.如权利要求1所述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法，其特征是，步骤2所述空气劣化时检测气体包括CO、NO₂和O₃。

5.用于权利要求1所述的基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法的装置，其特征是，包括互相连接的局部放电平台和检测系统；局部放电平台包括依次连接的调压操作台、无电晕变压器、劣化气室和劣化电极，以及与无电晕变压器依次连接的限流电阻、耦合电容和局放监测仪；检测系统包括工业计算机、微处理器、工业采集器、滤波放大电路、气体采集电路、检测单元和外围单元模块。

6.如权利要求5所述的用于基于气体组分分析法的开关柜局部放电检测方法的装置，其特征是，检测单元包括电化学探头模组，电化学探头模组内置AD转换电路，外接协议转换模块，且与微处理器连接；电化学探头模组通过开关柜柜体上、中、下端气口接入气管；外围单元模块包括温湿度传感器、LCD显示屏、按键阵列、电源模块、复用端口和通信模块。