CN212649195U - 基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置 - Google Patents

基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置 Download PDF

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Abstract

一种基于Wi‑Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，包括数据信息处理模块、以及分别与数据信息处理模块输入端连接的高压进线开关柜温湿度检测模块、三相高压进线接头状态检测模块、变压器内部绝缘状态检测模块、高压母线对地绝缘检测模块和低压开关柜安全运行状态信息检测模块；所述数据信息处理模块的输出端和Wi‑Fi通信模块连接；通过Wi‑Fi通信模块与远端检测中心通信连接。实现10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，同时采用Wi‑Fi无线网络技术将采集到的10kV箱式变电站一次设备安全运行状态信息送至互联网，并通过互联网实现对箱式变电站的远程管理，可广泛应用于10kV箱式变电站运行状态安全监测与健康评价。

Description

基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置
技术领域
本实用新型属于电力设备领域，尤其涉及一种基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置。
背景技术
10kV箱式变电站是一种将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式配电设备，广泛应用于住宅小区、医院、学校、工矿企业、城市公用变、新能源电站。10kV箱式变电站一般安装于室外，所处环境条件较恶劣，运行中经受电、热、机械的作用以及在自然环境（气压、气温、湿度、污秽和自然灾害等）的影响下，会造成高压母线及其绝缘子对地绝缘降低、高压进线接头接触不良而引起的温度过高，变压器进线绝缘套管绝缘降低产生局部对地放电、变压器内部绝缘油和绕组绝缘降低产生放电，低压母线进线接头和低压断路器出线接头接触不良，电容器过热等电气设备运行异常现象。如果这些异常现象不及时处理而发展为故障，将影响配电系统的安全运行和电力用户的安全经济用电。因此，对10kV箱式变电站中的高压开关设备、配电变压器和低压配电装置的安全运行状态，以及箱内工作环境进行实时在线检测，及时发现其运行过程中出现的异常现象与故障源，分析其产生原因并快速排除，将能够防止故障扩大，避免安全事故发生，提高配电系统的安全可靠运行以及电力用户的安全经济用电。
现有技术中尚未发现关于利用Wi-Fi技术完整地对10kV箱式变电站中的高压开关柜、配电变压器柜和低压配电柜等三个配电柜的环境状态、一次电气设备的安全运行状态信息进行实时检测，并通过互联网实现对箱式变电站的远程管理。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例提供了基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，采用Wi-Fi的技术实现以下信号的检测：高压进线开关柜内的温度、湿度，反映高压母线及其绝缘子对地绝缘故障的局部放电超声波信号，反映高压进线接头接触不良的温度红外线等信号实时检测；配电变压器柜内的温度、湿度，反映变压器内部绝缘故障的绝缘油气中的H2、CH4含量以及C2H4、C2H6和C2H2复合气体含量等信号的实时检测；低压开关柜内的温度、湿度，反映低压母线进出线接头和低压断路器出线接头状态、以及电容器发热的温度红外线等信号的实时检测，同时采用Wi-Fi无线网络技术将采集到的10kV箱式变电站一次设备安全运行状态信息送至互联网，并通过互联网实现对箱式变电站的远程管理。
本实用新型的目的是以下述方式实现的：
一种基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，包括数据信息处理模块6、以及分别与数据信息处理模块6输入端连接的高压进线开关柜温湿度检测模块1、三相高压进线接头状态检测模块2、变压器内部绝缘状态检测模块3、高压母线对地绝缘检测模块4和低压开关柜安全运行状态信息检测模块5；所述数据信息处理模块6的输出端和Wi-Fi通信模块7连接；通过Wi-Fi通信模块7与远端检测中心通信连接。
所述数据信息处理模块6采用STM32F407ZGT6ARM。
所述高压进线开关柜温湿度检测模块1包括数字温度传感器和湿度传感器；所述数字温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，其输出端口接上拉电阻后将信号送至数据信息处理模块6；所述湿度传感器采用DHT11湿度传感器，其输出端口接上拉电阻后将信号送至数据信息处理模块6。
三相高压进线接头状态检测模块2包括三个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测A、B、C三相高压进线接头的状态，三个智能红外传感器的输出信号分别将经过运算放大电路后送至数据信息处理模块6。
所述变压器内部绝缘状态检测模块3包括检测检测氢气H2含量的MQ-8 型半导体传感器、检测甲烷CH4含量的MQ-4 型半导体传感器和检测乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2复合气体的含量MQ-N5型半导体传感器，所述MQ-8 型半导体传感器、MQ-4 型半导体传感器和MQ-N5型半导体传感器的输出信号经集电极放大电路放大后输出至数据信息处理模块6。
所述高压母线对地绝缘检测模块4采用两个GZ-SEN-SOUND1型超声波传感器，分别来识别进线柜的高压母线和变压器高压侧母线是否发生局部放电，超声波传感器的输出信号经带通滤波电路后送至数据信息处理模块6的输入端口。
所述低压开关柜安全运行状态信息检测模块5包括低压开关柜内的温度检测模块和湿度监测模块、低压母线进出线接线端子检测模块、低压断路器的出现接线端子状态检测模块和电容器发热检测模块。
所述低压开关柜内的温度检测模块采用DS18B20温度传感器，湿度检测模块采用DHT11湿度传感器；低压母线进出线接线端子检测模块包括5个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测1个母线进线端子和4个母线出线接线端子的接头。
所述低压断路器的出线接线端子状态检测模块包括4个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测4个断路器出线接线端子的接头；所述电容器发热检测模块采用2个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测2个电容器是否发热的信号。
本实用新型的有益效果：相对于现有技术，本实用新型能够实时检测包括：高压进线开关柜内的温度湿度，反映高压母线及其绝缘子对地绝缘故障的局部放电超声波信号，反映高压进线接头接触不良的温度红外线信号，配电变压器柜内的温度湿度，反映变压器内部绝缘故障的绝缘油气中H2、CH4含量以及C2H4、C2H6和C2H2复合气体含量，低压开关柜内的温度湿度，反映低压母线进出线接头和低压断路器出线接头状态、以及电容器发热的温度红外线等信号的实时检测，并将检测信息通过Wi-Fi传送到管理终端。检测的信号相对多，接线简单，可靠性高，能够及时发现10kV箱式变电站运行过程中出现的异常现象与故障源并快速排除，将避免电气安全事故发生，提高配电系统的安全可靠运行以及电力用户的安全经济用电。
附图说明
图1为本实用新型所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置的组成结构图。
图2为本实用新型所述的高压进线开关柜温、湿度检测模块电路示意图。
图3为本实用新型所述的高压进线接头状态检测模块电路示意图。
图4为本实用新型所述的变压器内部绝缘状态检测模块电路示意图。
图5为本实用新型所述的高压母线对地绝缘检测模块电路示意图。
图6为本实用新型所述的低压开关柜安全运行状态信息检测模块电路示意图。
图7为本实用新型所述的数据信息处理模块电路示意图。
图8为本实用新型所述的Wi-Fi通讯模块电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
一种基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，包括数据信息处理模块6、以及分别与数据信息处理模块6输入端连接的高压进线开关柜温湿度检测模块1、三相高压进线接头状态检测模块2、变压器内部绝缘状态检测模块3、高压母线对地绝缘检测模块4和低压开关柜安全运行状态信息检测模块5；所述数据信息处理模块6的输出端和Wi-Fi通信模块7连接；通过Wi-Fi通信模块7与远端检测中心通信连接。
基本原理为：数据信息处理模块6选用 STM32F407ZGT6ARM。数据信息处理模块6通过高压进线柜温湿度检测模块1得到高压进线开关柜温、湿度信号；通过高压进线接头状态检测模块2得到反映接头状况的三相进线接头的温度信号；通过变压器内部绝缘状态检测模块3分别得到反映变压器内部是否发生绝缘故障和局部放电的气体H2、CH4含量以及C2H4、C2H6和C2H2复合气体含量；通过高压母线对地绝缘状态检测模块4分别得到反映进线柜和变压器柜中高压母线是否发生对地放电的超声波值；通过低压开关柜安全运行状态信息检测模块5分别得到低压开关柜内部温湿度值，以及反映低压进出线接线端子是否良好和电容是否发热的13个红外信号。并将这些信号通过无线Wi-Fi通信模块6送至互联网，实现远端监测。
图1为本实用新型所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置的组成结构图。如图1所示，本实用新型包括高压进线开关柜温湿度检测模块1，三相高压进线接头状态检测模块2，变压器内部绝缘状态检测模块3，高压进线柜和变器柜中的高压母线对地绝缘检测模块4，低压开关柜安全运行状态信息检测模块5。其中，高压进线柜温湿度检测模块1的第一输出端口101连接数据信息处理模块6的第一输入端口601，第二输出端口102连接数据信息处理模块6的第二输入端口602；高压进线接头状态检测模块2的第一输出端口201连接数据信息处理模块6的第三输入端口603，第二输出端口202连接数据信息处理模块6的第四输入端口604，第三输出端口203连接数据信息处理模块6的第五输入端口605；变压器内部绝缘状态检测模块3的第一输出端口301连接数据信息处理模块6的第六输入端口606，第二输出端口302连接数据信息处理模块6的第七输入端口607，第三输出端口（303）连接数据信息处理模块6的第八输入端口608；高压母线对地绝缘检测模块4的第一输出端口401连接数据信息处理模块6的第九输入端口609，第二输出端口402连接数据信息处理模块6的第十输入端口610；低压开关柜安全运行状态信息检测模块5的第一输入/输出端口501连接数据信息处理模块6的第十一输入/输出端口611；信息处理模块6的第一输出端612连接Wi-Fi通信模块7的第一输入端701。
图2为本实用新型所述的高压进线开关柜温湿度检测模块电路示意图。如图2所示，温度检测选用DS18B20数字温度传感器，该温度传感器采用一线通信接口，其输出端口DQ接上拉电阻后，经端口101将信号送至数据信息处理模块6的第一输入/输出端口601，然后再送至STM32F407ZGT6ARM的PA00口。湿度检测选用DHT11湿度传感器，该湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，输出端口DATA接上拉电阻后，经端口102将信号送至数据信息处理模块6的第二输入/输出端口602，然后再送值至STM32F407ZGT6ARM的PA01口。
图3为本实用新型所述的高压进线接头状态检测模块电路示意图。如图3所示，当高压进线电缆接头发生松动或接触不良，其接触电阻增加将引起接线端子温度升高，从安全方面考虑，选用三个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测A、B、C三相高压进线接头的状态。三个红外传感器的输出信号分别经运算放大电路、端口201、202、203送至数据信息处理模块6的输入端口603、604、605，然后再送STM32F407ZGT6ARM的PA02、PA03和PA04口。
图4为本实用新型所述的变压器内部绝缘状态检测模块电路示意图。如图4所示，当变压器内部发生局部放电、油和纸过热等异常现象时，变压器中的油气将产生氢气H2、甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2等5种特征气体，为此，选用MQ-8 型半导体传感器检测氢气H2含量，MQ-4 型半导体传感器检测甲烷CH4含量，MQ-N5型半导体传感器检测乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2复合气体的含量。这三个气敏传感器均来自同一厂家，工作原理与基本的技术参数也大体一致，接线一样。传感器的输出信号经共集电极放大电路、端口301、302、303送至数据信息处理模块6的输入端口606、607、608），然后再送STM32F407ZGT6ARM的PA05、PA06和PA07口。
图5为本实用新型所述的高压母线对地绝缘检测模块电路示意图。如图5所示，当高压母线绝缘外皮和绝缘子老化、表面的灰尘杂物等因素将引起母线发生对地局部放电，如果不及时处理，将造成短路故障。由于局部放电将产生超声波，为此选用GZ-SEN-SOUND1型超声波传感器，来识别进线柜的高压母线和变压器高压侧母线是否发生局部放电。超声波传感器的输出信号分别经带通滤波电路、端口401和402送至数据信息处理模块6的输入端口609和610，然后再送STM32F407ZGT6ARM的PC00、PC01口。
图6为本实用新型所述的低压开关柜安全运行状态信息检测模块电路示意图。所述低压开关柜安全运行状态信息检测模块5包括低压开关柜内的温度检测模块和湿度监测模块、低压母线进出线接线端子检测模块、低压断路器的出现接线端子状态检测模块和电容器发热检测模块。
所述低压开关柜内的温度检测模块采用DS18B20温度传感器，湿度检测模块采用DHT11湿度传感器；低压母线进出线接线端子检测模块包括5个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测1个母线进线端子和4个母线出线接线端子的接头。
所述低压断路器的出线接线端子状态检测模块包括4个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测4个断路器出线接线端子的接头；所述电容器发热检测模块采用2个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测2个电容器是否发热的信号。
如图6所示，低压开关柜安全运行状态信息检测模块5分别实现低压开关柜的温、湿度，反映低压母线进出线接线端子和低压断路器的出线接线端子状态、电容是否发热等13个信号的实时测量。为了节约硬件资源，13个测量信号共用一路A/D转换通道，选用2片型号为CD4051BC的单8通道数字控制模拟电子开关，对13个测量信号实现循环采样。CD4051BC的三个控制输入端A、B、C通过端口501的A0、A1、A2分别接信息处理模块6的端口611的端子PB04、PB05、PB06实现8通道模拟信号的选择；1#CD4051BC的片选EA的信号由端口501的端子A3提供，2#CD4051BC的片选EA的信号由端口501的端子A3经反向器提供，端口501的端子A3接信息处理模块6的端口611的端子PB07。CD4051BC的输出端X将选中的模拟量信号，经端口501的端子X送至信息处理模块6的输入端子PB00。
图7为本实用新型所述的数据信息处理模块电路示意图。如图7所示，数据信息处理模块选用STM32F407ZGT6ARM。电源为3.3V；模拟电源VDDA，通过将3.3 V电源经滤波电路提供，保证电源的稳定性。处理模块的复位电路由R1、R2、C5、C6和复位按钮组成，接数据信息处理模块的NRST。系统时钟电路由C1、C2和晶体振荡器Y1构成，Y1为HSE25 MHz 的晶体振荡器；次级时钟源电路由C3、C4和晶体振荡器Y2构成使用32.768 KHz低速外部晶振(LSE晶振)，用于驱动RTC时钟(RTCCLK)。数据信息处理模块的PA00~PA07接口，通过端口601、602、603、604、605、606、607、608分别接高压进线柜温湿度检测模块1的输出端口101、102、高压进线接头状态检测模块2的输出端口201、202和203、变压器内部绝缘状态检测模块3的输出端口301、302和303。数据信息处理模块6的通信接口RET、TXT通过端子612接Wi-Fi通信模块7的端口701。数据信息处理模块的PB00、PB04~PB07接口通端口611接低压开关柜安全运行状态信息检测模块5的端口501。数据信息处理模块的PC1和PC2接口通端口609和610接高压母线对地绝缘检测模块4的端口401和402。
图8为本实用新型所述的Wi-Fi通讯模块电路示意图。如图8所示，为了满足10kV箱式变电站运行状态安全监测装置开发和使用时，采用功率消耗和硬件成本低的设备，并缩短开发周期的要求，我们选用 ALIENTEK 公司生产的 ATK-ESP8266无线 Wi-Fi 模块，它的核心控制芯片是 ai-thinker 公司的 ESP8266 芯片。Wi-Fi通讯模块7通过端口701与数据信息处理模块6的端口612进行数据交换。
本实用新型专利是一种基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，能够实时检测包括：高压进线开关柜内的温度湿度，反映高压母线及其绝缘子对地绝缘故障的局部放电超声波信号，反映高压进线接头接触不良的温度红外线信号，配电变压器柜内的温度湿度，反映变压器内部绝缘故障的绝缘油气中H2、CH4含量以及C2H4、C2H6和C2H2复合气体含量，低压开关柜内的温度湿度，反映低压母线进出线接头和低压断路器出线接头状态、以及电容器发热的温度红外线等信号的实时检测，并将检测信息通过Wi-Fi传送到管理终端。检测的信号相对多，接线简单，可靠性高，能够及时发现10kV箱式变电站运行过程中出现的异常现象与故障源并快速排除，将避免电气安全事故发生，提高配电系统的安全可靠运行以及电力用户的安全经济用电。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：包括数据信息处理模块（6）、以及分别与数据信息处理模块（6）输入端连接的高压进线开关柜温湿度检测模块（1）、三相高压进线接头状态检测模块(2)、变压器内部绝缘状态检测模块(3)、高压母线对地绝缘检测模块(4)和低压开关柜安全运行状态信息检测模块(5)；所述数据信息处理模块（6）的输出端和Wi-Fi通信模块（7）连接；通过Wi-Fi通信模块（7）与远端检测中心通信连接。
2.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述数据信息处理模块（6）采用STM32F407ZGT6ARM。
3.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述高压进线开关柜温湿度检测模块（1）包括数字温度传感器和湿度传感器；所述数字温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，其输出端口接上拉电阻后将信号送至数据信息处理模块（6）；所述湿度传感器采用DHT11湿度传感器，其输出端口接上拉电阻后将信号送至数据信息处理模块（6）。
4.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：三相高压进线接头状态检测模块(2)包括三个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测A、B、C三相高压进线接头的状态，三个智能红外传感器的输出信号分别将经过运算放大电路后送至数据信息处理模块（6）。
5.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述变压器内部绝缘状态检测模块(3)包括检测检测氢气（H2）含量的MQ-8 型半导体传感器、检测甲烷（CH4）含量的MQ-4 型半导体传感器和检测乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）复合气体的含量MQ-N5型半导体传感器，所述MQ-8 型半导体传感器、MQ-4 型半导体传感器和MQ-N5型半导体传感器的输出信号经集电极放大电路放大后输出至数据信息处理模块（6）。
6.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述高压母线对地绝缘检测模块（4）采用两个GZ-SEN-SOUND1型超声波传感器，分别来识别进线柜的高压母线和变压器高压侧母线是否发生局部放电，超声波传感器的输出信号经带通滤波电路后送至数据信息处理模块（6）的输入端口。
7.如权利要求1所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述低压开关柜安全运行状态信息检测模块(5)包括低压开关柜内的温度检测模块和湿度监测模块、低压母线进出线接线端子检测模块、低压断路器的出现接线端子状态检测模块和电容器发热检测模块。
8.如权利要求7所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述低压开关柜内的温度检测模块采用DS18B20温度传感器，湿度检测模块采用DHT11湿度传感器；低压母线进出线接线端子检测模块包括5个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测1个母线进线端子和4个母线出线接线端子的接头。
9.如权利要求7所述的基于Wi-Fi的10kV箱式变电站安全运行状态监测装置，其特征在于：所述低压断路器的出线接线端子状态检测模块包括4个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测4个断路器出线接线端子的接头；所述电容器发热检测模块采用2个非接触式IRTP20型智能红外传感器，分别检测2个电容器的接头。
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