變電站母線接頭放電發熱故障監測裝置研究

王成學，胡晉華，李然，劉瑜，孔飛飛，高杰玲，譚萍萍

（國網重慶市電力公司合川供電分公司，重慶,401520）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，企業和居民對用電要求越來越高，變電站母線作為電網匯集和分配電能的路徑，是電力輸送的中堅力量。由于變電站母線接頭節點在長期運行環境下，會出現熱脹冷縮、表面結垢、氧化或腐蝕，接點松動接觸不良，出現局部放電或發熱故障，嚴重時可能導致火災等重大安全事故[1]。傳統的定期人工巡視方式存在著手段單一，無法直接觀察等諸多問題，達不到及時防護和現場制止的作用，對由于母線接頭放電過熱故障而引起的火災或運行過程中的不安全隱患較難及時發現。母線接頭放電過熱故障除了造成電能傳輸受阻之外，嚴重時還可能造成設備跳閘、減供負荷、甚至變電站停止供電等后果。因此為了保證變電站供電的正常運行，促進工業和國民經濟的發展，研究一種高效、可靠、低功耗的變電站母線接頭放電、發熱等故障在線監測裝置已迫在眉睫。

1 系統的構成及介紹

變電站母線接頭放電發熱故障在線監測裝置是集太陽能取電、母線故障檢測，無線通信及信息網絡等一體化的自動高效監測系統。系統的總體結構如圖1所示。探測器通過高靈敏度的紫外線探頭和紅外溫濕度傳感器，能實時準確地在線監測母線接頭節點的工作狀態，在通信鏈路的基礎上，并將所捕捉到的電信號、溫濕度信號、紫外信號等信息傳輸到中心系統，信號接收終端對信息進行數據統計、算法分析、拓撲計算，明確故障點。

圖1 系統總體結構圖

2 軟硬件設計

2.1 紫外線探頭

通過探測母線接頭節點放電所產生的紫外線來探測發熱故障，傳感部件選用技術先進的紫外光敏管。特制的UV可以檢測到放電過熱產生的火花，中央處理器根據通過接受管轉化的高低變化的電平信號做出相應的程序處理。

2.2 紅外溫濕度傳感器

利用輻射熱效應，傳感器輸出經過標定的數字信號，當母線接頭與環境之間存在溫度差時，從而檢測出母線接頭的溫度。

2.3 供電模塊

根據國家電網的標準，采用太陽能、鋰電池與超級電容的雙重供電模式。在正常工作情況下采用太陽能供電，并且同時可以給鋰電池等后備電源進行儲能；此外，在太陽光照不足或者在陰雨天的狀況下才開啟后備電源供電。

2.4 智能控制模塊

為了進了一步處理模擬和數字信號，本裝置采用了STM32單片機來進行邏輯運算。它具有高級的中斷系統響應和強大的計算性能，能夠為MCU數據處理提供低成本的平臺。通過傳感器采集的模擬信號，經過處理器本身的高精度ADC轉換芯片對傳感器監測參量進行快速采樣得到實時的數據，再經處理器進行相關處理后進行實時顯示。

2.5 GSM/GPRS遠程與LORA無線射頻通信

通過GSM/GPRS/LORA等通信方式，可以實現預警模塊與專職人員的信息交互，專職人員可通過主動發送指令，獲取變電站母線接頭的運行情況，包括溫度峰值、溫升率、弧光信號強度；當監測出現放電及發熱故障時，預警模塊主動發送報警定位信息，提示專職人員現場核實排查。

3 基本工作原理

3.1 裝置電氣接線

傳感器采集到的模擬信號通過ADC端口傳輸至STM32核心主板進行邏輯運算并輸出，GSM/GPRS模塊和Lora模塊通過RX/TX串口讀取輸出信號，用于實現單片機信號與中心系統之間的通信；通過電源轉換模塊為紅外溫濕度傳感器、高靈敏度紫外線探頭以及單片機等傳感器件供電，本裝置的電氣連接圖如圖2所示。

圖2 電氣連接圖

3.2 工作方式

如圖3所示，本裝置的工作方式1為監控數據查詢模式，即：傳感器實時監測母線接頭附近的溫濕度信號、紫外信號以及電流信號，單片機讀取傳感器信號，單片機將上述讀取的監測數據及故障分析結果發送至無線通信單元；專職人員可以通過配對好的手機及PC端實時查詢中央處理器存儲的傳感器數據及故障分析結果。

圖3 工作方式1

如圖4所示，本裝置的工作方式2為故障報警模式，即：傳感器實時監測變電站母線接頭附近的溫濕度信號、紫外信號以及電流信號，單片機讀取傳感器信號，開展故障分析識別，包括放電故障預警分析、發熱故障分析；通過故障分析識別運算，判斷是否發生了過熱故障，如果存在發熱故障，則通過GSM/GPRS模塊和LORA模塊向中心系統發送故障報警信號；如果不存在發生過熱故障，則判斷是否存在放電故障，如果存在則通過無線通信模塊向中心站發出故障預警信號；如果不存在發熱故障，傳感器則繼續實時監測并傳送信號至單片機進行數據處理，如此循環往復。

4 結語

本文所設計和研制變電站母線接頭節點放電發熱故障實時監測和預警系統能夠對母線接頭節點狀態進行實時監測并對監測數據進行綜合分析，對有告警的母線接頭節點提前進行檢修，避免母線接頭損壞，減少因事故引起的停電范圍，防止越級跳閘等較為嚴重的后果。這不僅使檢修人員及時了解變電站母線接頭節點的運行狀態，特別是早期故障的判斷與分析，而且為設備運行及維修提供更直觀、更有效的依據，全面實現母線的狀態維護，避免因過度維護或維護缺乏而造成人力、物力、財力浪費。

圖4 工作方式2