配电环网柜综合在线监测系统研究

配电环网柜综合在线监测系统研究

李彦国高玉华潘琪杰袁力刘鹏

（国网冀北电力有限公司廊坊供电公司河北省065000）

摘要：本文针对配电环网柜故障率高得问题，提出一种新型配电网综合在线监测系统，监测运行环网柜超声波、电子波和紫外线信号。及时发现局放、过热缺陷，防止电气设备绝缘老化击穿引发短路、烧毁的事故发生。系统具有本地显示功能及数据本地无线下载功能，方便巡检人员就地查看局放情况，也可扩展为远传功能可以将数据上传至中心服务器，用于记录及分析数据。

关键词：环网柜；局部放电；电子波；弧光放电；在线监测

引言

环网柜是一种用于环网供电的单元电气设备，由一组包括高压母线、断路器、负荷开关在内的高压开关设备组成，并做成拼装间隔式或者装配在钢板金属柜体体内，其主要功能是分合正常运行时的负荷电流、变压器空载电流和开断短路电流、一定距离架空线和电缆线路的充电电流，起保护和控制的作用，是环网和终端供电的非常重要开关设备，具有价格低廉、体积小巧、结构简单、供电安全和性能优良等优点，被广泛应用于城市的住宅小区、大型公共建筑、高层建筑和工厂企业等负荷中必的箱式变电站及配电站中

在城市配电网中，采用在地下敷设电缆的供电方式己经成为它今后的发展方向。配电网的供电方式有多种，其中环网供电因其可靠性和经济性成为电缆配电网络的主要形式，因此环网供电中重要的电气设备——环网柜也越来越受到用户和国网公司的重视，而且农村电网环网供电中环网供电设备所占的比例也越来越大，环网供电在城市供电中快速的发展也催生了我国国内的环网柜产量的剧增。

环网柜的大量使用也造成了设备故障频发，绝缘问题、凝露问题、局放问题、过热问题等都是环网柜常见缺陷，如未及时发现设备缺陷，任其发展，则会导致环网柜损坏，甚至造成整个开关室起火。因此，亟需研发一种环网柜综合监测系统，及时发现环网柜缺陷，避免事故发生。

本文提出一种新型配电网综合在线监测系统，监测运行环网柜超声波、电子波和紫外线信号。及时发现局放、过热缺陷，防止电气设备绝缘老化击穿引发短路、烧毁的事故发生。系统具有本地显示功能及数据本地无线下载功能，方便巡检人员就地查看局放情况，也可扩展为远传功能可以将数据上传至中心服务器，用于记录及分析数据。

1环网柜缺陷产生机理

1.1环网柜故障形式

（1）二次控制回路断线和绝缘损坏故障。据了解，10kV环网柜二次控制回路断线和线路绝缘损坏故障是目前环网柜的主要故障。环网柜二次控制回路断线是由人为或者接触不良造成的。线路绝缘损坏是环网柜的电缆在长期运行过程当中绝缘老化和过电流和过电压引起的。（2）真空断路器软连接处、电缆接头故障。环网柜真空断路器软连接处、电缆接头故障也是容易发生的故障。环网柜真空断路器软连接处、电缆接头因接头氧化、接头压接不紧导致接触电阻过大，温度逐渐升高最终导致母线软连接、电缆接头烧坏、甚至因此火灾。有统计表明，50％到65％的电缆事故都是因为电缆接头过热、老化所致。（3）真空断路器故障。真空断路器是环网柜的主要开断短路电流的电气设备，它的正常运行和性能关系到整个环网柜的性能真空断路器主要故障有几类：真空室漏气故障、拒动、误动故障，绝缘故障，开断与关合故障及其他故障。（4）环网柜SF6气箱漏气故障。环网柜SF6气箱漏气会导致SF6气体压力减小和SF6气箱的水分増加，其危害表现在：1）水分会使SF6气体分解成毒性分解物；2）水分与酸性杂质在一起，会生成氨氣酸，腐蚀环网柜的气箱；3）在低温下，水分会凝露在固体绝缘的表面，使沿面的闪络电压急剧下降，容易发生绝缘故障；4）SF6气箱漏气导致绝缘性能下降。SF6气体的绝缘性能与SF6的压力密切相关，只有SF6的压力在不低于某个值时，绝缘才能满足要求。

1.2环网柜常见故障原因分析

1.2.1绝缘设计不合理

环网柜内部结构设计、内部元器件的布置不合理和安装工艺不符合规范是引发环网柜事故的一个重要因素。主要包括：触头盒屏蔽设计存在缺陷设计，触头盒内部的屏蔽网尖端与环氧产生放电，且触头盒存在严重的相间放电现象，导致空气与绝缘材料之间的电场分布发了改变，使得空气间隙承受场强变高，进一步加剧绝缘材料的老化，促使局部放电量加大；搭接母排未倒角，形成极不均匀电场，从而引起尖端放电；绝缘热缩套、热缩罩盒的包封及安装不规范，存在尖端等易引起电晕放电；母线桥架包上热缩套盒后，热缩套盒插人套管内部，形成悬浮电位，造成电场集中，同时减少了套管的爬电距离。

1.2.2制造工艺低

目前几乎所有金属封闭式环网柜的绝缘件都是由环氧树脂制作，由于工艺原因，其产品表面或内部容易生产气泡、气孔裂纹、杂质等，影响绝缘性能环氧树脂材料运行在交流电场的作用下以及接触部分的温升效应，将产生介质损耗，导致介质温度升高，温度升高又使介质损耗进一步增加。

1.2.3运行环境差

变电站配电室通风排气不畅，导致环境温度高、湿度大。空气湿度大容易产生凝露，凝露容易导致柜内金属尖端放电，特别是环网柜在额定电压下湿度大的时候存在放电，同时局放放电引起柜内绝缘件发生电老化，从而缩短绝缘件的使用寿命。

2环网柜缺陷检测机理研究

2.1局部放电检测

电力设备的绝缘系统中，只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称之为局部放电。它是由于局部电场畸变、局部场强集中，从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。它可能发生在导体上，也可能发生在绝缘体的表面或内部。在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，并最后导致绝缘击穿。

局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化。这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以为检测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。目前环网柜局部放电检测方法包括：超声波法、暂态地电波法（TEV）、特高频法等。

2.2弧光放电检测

环网柜内设备大都处在空气中，在设备沿面空气发生电离放电时，根据电场强度（或电压差）的不同，会产生电晕、火花放电或弧光放电等。放电过程中，空气中的电子将通过不同形式释放出能量，其中包括光辐射。以棒-板电极为例，在电压还较低时，棒极处的场强可能已超过临界值，棒端附近即发生自持放电，离棒端稍远处，由于场强大为减小，故电离放电只能局限在棒极附近的空间，而不能扩展开去。该区内所形成的离子在复合时或被激发的气体分子在回到常态时将辐射出光子，其中除了可见光外大部分为紫外光，此时表现为电晕放电。外加电压升高时，若电极间距较小，则间隙可能被直接击穿而形成火花放电，若间距比较大，则在击穿前还存在一个过渡阶段，即刷形放电。刷形放电时，表现为从棒极散发出毛刷样式的密集细光束，若电压再升高时，则毛刷中的个别光束突发地前伸到达板极，间隙被击穿形成明亮火花，刷形放电转变成火花放电。当电源功率足够时，火花击穿迅即转变成电弧。可见火花放电和电弧放电是电晕放电恶化后更严重的放电，光辐射的性质相同，紫外辐射同样是增强的，两者的发展方向是一致的。

由于能级跃迁过程中的不连续性，电晕放电产生的光谱分布曲线是不连续的，它包含很多谱线，谱线高密度区域形成谱带。其中谱线非常狭窄，陡峭得像一条线，是原子能量跃迁辐射出来的，取决于原子的结构。谱带是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的，取决于分子的结构。因此，光谱随波长的分布特性表征了一定类型的原子和分子的特性。

2.3温度检测

2.3.1红外检测法

红外测温法：基于辐射定律，任何温度高于绝对零度的物体都会不停地向空间发出红外辐射能量，而且温度越高发出的红外辐射能量越强，因此只要运用适当的红外检测仪器，检测设备发出的红外辐射能量，再经过专门的信号处理系统进行处理，就可以获得设备表面的温度分布状况，并进一步获取设备运行状态信息，这是红外检测的基本原理。由于红外测温能方便地实现电力设备带电状态下对设备的温度状况进行直观形象的检测，测试过程简单方便，劳动强度低、监测面积广、监测效率高，因此电力系统目前已将红外测温作为了带电检测主要技术手段。

2.3.2无线测温法

无线测温法是目前在封闭式开关柜上应用较多的接触式测温法之一。一般无线测温系统通常由分布式测温传感器、温度采集器、后台监控分析系统等3部分组成。其中分布式测温传感器直接安装在被测部位，与高压电气设备直接接触，温度采集器放置在高压室外，分布式测温传感器与温度采集器之间的信号传输采用无线通讯方式进行数据的传输，这样一来既实现了直接接触测温，确保了采集数据的可靠性，又解决了传统直接接触测温的高压、低压隔离的问题，因而该测温法目前已在封闭式开关柜测温技术中得到广泛应用。

3监测系统原理结构

3.1描述监测系统结构

3.1.1系统的组成

（1）系统层。系统层由工业级服务器搭建，采用主流组态软件实现现场数据实时采集、存储、分析、远程浏览等操作。系统层支持本地报警、短信报警等多种报警方式，便于客户及时了解系统运行情况。（2）通讯终端。手持式通讯终端，采用无线通讯模式，可以在一定距离范围内采集监控终端上的数据，并进行数据保存和导出。可扩展为有线通讯。（3）监控终端。监控主机采用GDR型多通道在线监测终端，该产品可以同时监测8个通道，每个通道可采集超声波、地电波、高频电磁波、紫外弧光、红外测温、视频等数据。每种接入监测的数据可根据情况选择。为广泛适应温度环境，我们采用宽温设计，其扩展温度范围可以达到-40℃～85℃，可以适应所有区域工作环境。（4）传感器。超声波传感器：采用开放型超声波传感器，频率范围40±1kHz，灵敏度范围-80dBm（在1000mm处），信号转换为外差式波形调节方式，分辨率为1dB，误差为±1dB。

地电波传感器：采用容性的传感器，频率范围3－60MHz，测量量程：0~60dBmV，分辨率为1dB，误差为±1dB，信号类型为局部放电电压脉冲信号。超高频电磁波传感器：采用脉冲电流型高频传感器，频率范围500~1，500MHz，测量精度-40dBm@5pC，采样时间为260㎲。

紫外传感器：紫外谱段：200nm–285nm，视角为5°×3.75°，测量范围0~49999uW/，测量精度为±（0.2％FS±1个字）。红外测温传感器：测温范围-20℃~200℃，测量精度±1℃，发射率为0.95，响应时间为500ms。采用固化密封方式封装，多种传感器集成于一体，小型化设计，安装方便，既保证各种传感器本身强度，又便于根据现场实际情况设计外形结构，稳定性好、抗干扰强。

3.2功能及原理

3.2.1超声波检测功能及原理

当高压电气设备内部存在局部放电，在放电过程中，随着放电的发生，伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播。伴随有声波能量的放出，超声波信号以某一速度通过不同介质（隔板、油、SF6气体等）以球面波的形式向四周传播。但由于超声波频率高其波长较短，因此它的方向性较强，从而它的能量较为集中，容易进行定位。

3.2.2地电波检测功能及原理

根据麦克斯韦电磁场理论，局部放电现象的发生产生出变化的电场，变化的电场激起磁场，而变化的磁场又会感应出电场，这样，交变的电场与磁场相互激发并向外传播，形成了电磁波。

通过放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态电压，通过设备的金属箱体外表面而传到地下去。这些电压脉冲是于1974年由DrJohnReeves首先发现，并把它命名为暂态对地电压（TEV）。

3.2.3超声高频检测功能及原理

当环网柜电缆仓内发生局部放电时，局部视在放电量是常规脉冲电流法判断缺陷严重程度的基本参数，局部放电特高频检测中，测得的局部放电信号的强度和局部放电的真实放电量、局部放电类型以及放电信号的传播路径有关。由于局部放电类型和局部放电信号传播路径的复杂变化，以及视在放电量和真实放电量之间的不确定关系，不能简单地仅由信号强度判断局部放电量或判断绝缘缺陷严重程度。

3.2.4紫外线检测功能及原理

当环网柜电缆仓内发生严重放电，出现电弧现象时，伴随弧光会产生紫外线光谱，通过采集紫外线的光子数判断内部发生严重放电。

3.2.5红外测温功能及原理

当环网柜电缆附件或其它导电部位，发生的电流致热效应缺陷（如表面污秽及金属箱体封装的涡流过热、接触不良），热像持正是缺陷部位为中心的热像分布，原因是接触电阻异常增加而产主。通过实时监测这些部位的温度，进行安全隐患预警。

结束语

以上内容介绍了环网柜等封闭设备局部放电带电检测系统的基本原理和主要功能。总结了国内部分开关柜绝缘放电缺陷的共同特征，从放电现象本身及运行环境两个方面对的检测手段进行了客观、有效的分析，指出空气中局部放电电磁辐射特性的不明显是影响地电波检测结果的主要原因。同时，本文作者根据绝缘放电缺陷表达形式的多样性和主次性的特点，结合地区运行的经验，建议对每一类高压设备应进行多种检测手段。开展局部放电多个方法的联合检测是提高诊断准确性的有效途径，也是今后状态检测的重要发展方向。

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