摘要：随着社会的发展，电力行业不断进步。电力开关柜是电力系统的重要部件，其柜内空气温度直接决定了电力开关柜的可靠性，间接影响着电力系统的稳定性。为保证电力开关柜正常工作，便于工程师对电力开关柜内部温度进行数据分析，需对电力开关柜内部温度进行实时监测和记录。为此，研制了一款用于监测电力开关柜内部温度的装置，可实时监测电力开关柜内部温度数据。

关键词：电力开关柜；内部温度；远程监测；装置设计

引言

电力系统的安全稳定运行是电力运维工作的重中之重，然而电力系统开关事故时有发生。影响电力系统开关稳定运行的主要故障有机械故障、二次回路故障、储能故障、温升故障。另外，传统的电力系统维保方式也存在一定的缺陷，具体如下：首先，电力系统维保工作以定期检修为主，这种维保方式只能检测到特定时间点的开关设备状态，无法实现对电力开关设备实时的全生命周期监测。其次，电力系统维保工作以停电检修为主，这种维保方式只能检测到设备离线工作时的状态，无法对开关设备在线运行的故障和隐患进行有效的监测。综上，如何对电力系统主要故障进行有效的监测，并且克服传统维保方式的缺陷，成为提高电力系统安全性和稳定性的重要突破点。

1智能监测系统综合设计

1.1软件设计

在当前的电力开关柜设备智能监测系统中，监测控制软件是系统管理的核心，负责数据处理、过程协调控制和网络组态等功能。监测控制软件中包含多个核心模块，如状态评估、任务组态、数据处理、试验过程、网络登录和辅助功能等。从模块内部的实际构成来看，网络登录模块在设备监测系统中扮演着重要的角色。它存储了试验人员和管理人员的信息，并为登录人员设置权限，以确保设备监测系统内部数据信息的安全性。试验过程模块用于数据分析、参数记录和操作控制等功能，并带有扩展预留、操作控制、通信与界面等功能。数据处理模块具有数据上传、数据检索和数据查询等功能，执行该类功能的操作包括数据保存、手动输入、数据下载和自动采集等。任务组态模块主要进行单元与信号的检测，并将信号分类储存。状态评估模块会对设备试验监测状态和设备内部功能性能进行持续性评估。辅助功能模块用于规程查询和报告打印，使电力开关柜设备的智能监测工作更加完整。

1.2硬件设计

在进行电力开关柜设备智能监测系统的硬件研究时，发现操作人员将该项监测系统划分成了3个层级，即数据采集层、数据处理层与应用层，需要对各个层级的硬件进行针对性控制。具体来看，当前智能监测系统的前端监测单元多带有供电单元、储存单元、通信单元、信号模拟单元、中央处理器、A/D转换单元和数据处理单元等。在设计广域无线网与局域无线网时，要利用服务器来搭建协调客户终端、服务器与监测前端。要合理处理和放大传感器内部的模拟信号，对A/D转换中的信号开展数字化规范，选择的电路应具备低功耗和超低噪音特性。当前的通信单元需要无线连接前端监测设备和现场PC终端，以合理支持存在无线标准的信道，科学控制最远通信距离和最高通信速率，其数值应分别达到约400m和150Mb/s。在进行实际设计时，供电单元需要将交流电源作为备用电源、电池作为主电源，并保持机内电池的连续使用时间约为8小时，并根据电池性能选择锂电池。同时，应用A/D转换单元时，需要通过对硬件规格的持续性控制来适应不同速度，以满足信号处理的精度要求。为了提高智能监测系统的运行速度，需要合理配置高速储存器，并利用SD卡储存器来提供外部支持。

1.3系统核心功能模块设计

按监测系统总体结构，逐一对各核心功能模块进行选型设计，其中包括传感器采集模块、数据采集模块及CAN总线通信模块3大部分。传感器采集模块由温度传感器、真空度传感器、位移传感器、加速度传感器及霍尔电压电流传感器组成，分别用于测量母排及隔离开关触头温度、断路器真空度、断路器分合闸速度、断路器振动量及电缆绝缘度参数；数据采集模块由支持CANopen协议的iCAN3800数据采集器及PCI数据采集卡组成；CAN通信模块选用通用型CAN接口卡完成数据传输。

（1）CAN通信模块选型设计

CAN总线具有结构简单、兼容性高、带载及容错能力强等优点，适用于选煤厂复杂现场环境的数据通信传输。本文采用PIC5020U型CAN接口卡实现上位机与各监测节点的数据传输。PIC5020U具备1～4路CAN接口，自带隔离模块，具有较强抗静电及浪涌能力，通信速度快，同时集成了板载协处理器，可在上位机CPU繁忙时确保CAN数据不丢失，适合在多任务、高负载及恶劣环境下使用。

（2）数据采集模块选型设计

数据采集模块由iCAN3800型数据采集器及PCI8192型数据采集卡组成。其中，iCAN3800具备8路模拟量输入通道及CANbus通信接口，每个通道具备4个独立可调量程，模拟信号分辨率为12位；内置信号调理电路，测量精度可达±0.1%F.S，集模拟信号采集、信号滤波调理、A/D转换、CAN通信功能为一体，可实现对开关柜工况参数的高效实时采集、处理与传输。由于断路器振动信号的频率在10kHz左右，采样频率需不低于20kHz方可实现振动信号采集，iCAN3800转换频率仅为500Hz，无法满足需求，因此，选用PCI8192型数据采集卡采集断路器振动信号。PCI8192最高采样频率为250kHz，具备32路单端/16路双端模拟量输入通道，信号转换精度为16位，测量精度高达0.01%，满足系统振动信号采集需求。

2系统结构解析

2.1数据采集

在系统设计阶段，必须挑选合适的传感器，以采集电力开关柜的多项关键参数，为后续的监测和控制提供必要的数据支持。电力开关柜需要监测的数据包括电力触头温度、母线温度、电缆温度、额定频率、柜内湿度、小车电流、输入输出/电流以及输入/输出电压等。传感器的布置是关键因素，相同的传感器布置在不同位置可能直接影响数据的准确性。例如，电流传感器应安置在电流通路上，而温度传感器则需分布在关键热点位置。布置传感器时，需综合考虑传感器数量、位置和布线方式，以最大程度地减小数据采集误差。

本系统计划采用无线测温传感器监测易发热点，如触头和电缆接头的温度。无线测温传感器是理想的选择，因为其具有多项优点，如与外部无电气连接、不影响绝缘、抗干扰性强、耐高温等。此外，系统还将使用红外激光位移传感器监测断路器的机械特性，包括分闸、合闸速度、开合状态以及分闸、合闸的时间等。振动传感器将用于监测各种振动情况，从微弱的局部放电引起的振动到严重故障引起的强烈振动，需根据振动频率选择合适的传感器。例如，压电晶体加速度传感器可用于监测局部放电，其带宽可达200kHz，且能紧贴被测设备表面。其他频率范围内的振动监测（如10Hz～1kHz）可考虑低频振动加速度传感器。所有传感器的采样频率被设定为100Hz，每秒采样10次。此外，系统还引入了自动补光视频监视装置，以实时监测底盘车和接地刀的运动轨迹。

2.2数据传输

汇集节点通过ZigBee无线通信，对下采集所有数据采集模块的信息，然后通过边缘计算对数据进行处理，最后通过有线通信对边缘计算处理后的数据进行上送。该传输方案主要有如下特点。（1）通过ZigBee无线通信向下进行数据模块的信息采集，无需增加有线通信线路，可以有效简化智能化开关柜的二次走线，更便捷。（2）边缘计算，实现了包括对历史数据的保存（例如，分闸合闸储能操作的历史动作波形数据、测温数据的历史曲线数据等）、数据特征值计算（例如，最大行程、最大电流，最高温度、通电时间等）。可以有效地简化传输的数据量，并且减少PC端软件对数据的处理工作量。（3）通过有线组网的方式实现各个汇聚节点的数据汇集，将数据上传至软件平台上。

2.3故障诊断

该系统设计了一套功能强大的故障诊断平台，按功能类型可分为针对断路器操作的故障诊断和开关柜的温升故障诊断两种。

2.3.1断路器操作的故障诊断

针对断路器操作的机械及电气故障的诊断与分析，该系统设计了一套方案，可以实现对断路器机械故障、二次回路故障、储能故障的诊断，并且所有的诊断都是实时在线进行的。

（1）断路器操作。包括分闸操作，合闸操作，储能操作。（2）实时故障诊断。结合实时监测数据和出厂数据、通过诊断分析模块对开关的实时故障进行诊断。（3）故障趋势预判。通过大数据挖掘模块，对历史数据进行故障趋势分析，可以在故障发生前预判故障。（4）寿命预测。结合实时监测数据和历史数据，通过内置的寿命预测模块，对开关的机械寿命、电气寿命做出预测。（5）诊断结果呈现。可在诊断软件上实时呈现，也可通过打印获得诊断报告，亦可通过IEC61850输出到第三方平台。

2.3.2开关柜温升的故障诊断

针对开关柜温升故障的诊断分析，该系统设计了一套动态温升诊断的方案，相对于传统的温升越限报警，动态温升诊断可以更早地发现开关柜的温升故障。。（1）监测数据。对开关柜的负载电流和温升进行实时监测。其中，负载电流从三相主回路电流采集模块获取，温升值从温度采集模块获取。（2）判断发热点是否达到温升稳定，需要满足如下两个条件：1）发热点温升达到稳定：1h内温升变化不超过1k，即达到温升稳定；2）负载电流达到稳定：诊断系统1h内连续记录30次电流（每2min取一次），并取平均值，即达到电流稳定。（3）计算温升稳定条件下的正常温升。进行多档负载电流的温升实验，得出在不同负载电流下开关柜的正常温升表。根据稳定负载电流I平正常温升表，得出该负载电流下的正常温升值。

2.4局部放电在线监测与预警

为了在线监测电力开关柜局部放电，将上述运算以程序的方式输入计算机中，并在实际应用前对上、下位机的通信功能进行测试。首先，在开关柜内部，将局部放电缺陷模型分别安装好，并将TEV+AE信号调理单元的增益设定为60dB。设置电力测试后，打开上位机，输入用户名和密码，登录到局部放电在线监测中。其次，调节器启动，以0V为起点，对工作频率电压进行负载，并对电力开关柜中的局部放电进行超高频信号采集。分析局部放电在线监控的数据，并将局部放电监测数据与局部放电实际数据进行对比。根据得到的结果验证数据通信可靠、稳定后，将其正式应用到电力开关柜局部放电的在线监测中。针对局部放电的在线监测包括2种模式，一种为快速巡检监测，另一种为重症监护监测。

无论是快速巡检还是重症监护，都需要连接相应的传感器，并完成背景噪声检测等操作。二者的不同之处为快速巡检需要对多台电力开关柜进行监测且需要反复操作，而重症监护监测主要是对出现故障的电力开关柜进行有针对性的长期的持续监测。对背景噪声进行探测后，要根据所探测的噪声决定局部放电的阈值，该数值会随环境噪声的变化而变化，探测时间通常不会少于1min。针对电力开关柜不同局部放电类型及其程度，设置不同的预警等级，以便能更及时地发现

结语

提出的在线监测方法主要用于电力开关柜局部放电监测，根据监测结果及时发现开关柜发生绝缘故障等异常问题的原因。并通过试验将新的监测方法与现有的基于特高频法的监测方法、基于测量传感器的监测方法进行对比，可以看出该文监测方法具有更高的准确度，能够为电力开关柜局放提供更佳监测效果，可有效避免误检、漏检等问题，且该监测方法的适应性更强，可适用于多种类型的电力开关柜的局放监测与预警。

参考文献：

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