一、概述
高压开关柜是电网中的重要设备，它具有体积小、占地少、易于安装的优点，目前广泛大量应用于变电站中，但由于其设备封闭、结构紧凑，对设备故障，尤其是早期局部放电很难及时发现，往往造成重大设备事故甚至是开关柜“火烧连营”，引起中断供电甚至大面积停电。目前针对开关柜局部放电的检测主要在离线状态下进行，主要通过人工定期开展带电监测，这样就导致开关柜内有的局部放电缺陷不能及时发现。
为适应设备状态检修的需求，实现对高压开关柜的放电状态这一重要参数实施连续的在线监测，本文设计新型局放监测传感装置，在对三相母线带电情况进行指示的同时，实现对高压开关柜的放电状态进行实时在线监测，及时、准确掌握设备绝缘材料状态及故障发展趋势，识别存在的故障，预测累积性故障，为设备状态维修提供科学依据，从而最大限度地提高电力系统运行的可靠性。
二、技术路线
本文设计开发基于远方在线感知的开关柜局部放电监测系统，采用先进的微机电电容超声波换能器、信号无线传输技术和放电信号特征智能提取算法等技术手段，及时发现和定位绝缘故障。技术路线如下：
（1）基于带电显示装置绝缘子式电容传感器对局部放电信号的耦合在线检测技术
首先，基于带电显示装置绝缘子式电容传感器研制超声信号采集与处理电路；然后，基于微电容超声换能器阵列，研制多通道采集电路、硬件滤波电路、硬件存储电路、无线发射接收电路模块、不间断供电模块，实现局部放电故障信号的实时采集、快速处理、无线传输和数据入网。
（2）高压开关柜局放在线监测装置的局部放电在线检测软件系统
面向电网监测主机终端和手机终端，研发用户实时在线监测软件，实现多用户在线监控开关柜实时状态，并实现智能预警。通过将电网终端的数据接入网络，同时在工程师的手机终端安装相应的软件，使得数据能够利用手机终端实时的监控到电网的实际情况，从而实现泛在物联感知，方便快捷。
三、局部放电检测系统的硬件系统研制
本文设计的局放监测装置基于带电显示装置绝缘子式电容传感器同时集成微电容超声换能器阵列，通过多通道采集电路、硬件滤波电路、硬件存储电路、无线发射接收电路模块、不间断供电模块，实现局部放电故障信号的实时采集、快速处理、无线传输和数据入网。局部放电检测系统硬件系统结构如图1所示。
图1 局部放电检测系统硬件系统结构
局放电产生时，超声波信号的能量主要集中在 20k～40kHz这个频段，这是区分有无局放的重要标志。本系统对经过前置放大后的超声波信号进行20k～40kHz 提取这个频段的信号，经过精密全波整流，把交流信号变为单极性脉动信号，最后用积分电路对信号进行积分，得到超声信号这个频段的功率值，将功率谱积分值转换积分电压值，最后通过嵌入式芯片采集，使用相关智能算法对其进行模式识别。主核芯片在积分完成后进行采集，采样间隔只要能小于积分周期即可，这样对采样频率的要求大大降低，普通的嵌入式芯片就能满足要求。由于模式识别算法比较复杂，对芯片的运算能力要求很高，所以选择特别适合于数字信号处理运算的DSP作为主核芯片。
为了实现对微弱初始局部放电信号的捕获，本项目拟采用微机电（MEMS）微电容超声波换能器阵列作为超声传感器，替代传统的压电超声波换能器。MEMS微电容超声波换能器是利用一层2微米厚度的硅薄膜实现超声信号的拾取，其灵敏度远远高于采用体结构拾取方式的压电换能器。MEMS微电容超声波换能器如图2所示。
图2 MEMS微电容超声波换能器结构图
本文采用下图3所示的微电容结构作为MEMS微电容超声换能器的基本传感单元，该结构在静电力作用下，驱动电容结构的薄膜振动，产生声压，实现电-声转换；该电容在声压作用下，电容的薄膜也能够振动，从而电容量发生变化，检测电容内电荷或电流的变化量实现相应声压的检测，实现声-电转换。本文设计的MEMS微电容超声换能器可以耦合集成到现有带电显示装置绝缘子式电容传感器，从而实现在对三相母线带电情况进行指示的同时，实现对高压开关柜的放电状态进行实时在线监测，减少布线和安装成本。
图3. 微电容超声换能器的基本单元结构
四、局部放电在线检测系统软件设计
面向电网监测主机终端和手机终端开发用户实时在线监测平台软件，在线监控平台（见图4）。主要是在线监控高压开关柜的放电状态，实现多用户在线监控开关柜实时状态，并实现智能预警。通过将电网终端的数据接入网络，同时在工程师的手机终端安装相应的软件，使得数据能够利用手机终端实时的监控到电网的实际情况，从而实现泛在物联感知，方便快捷。
图4. 在线监控软硬件平台
本文设计的局部放电的超声波检测方案图5所示，实现对开关柜柜内微弱超声波信号的检测、处理、传输和预警。
图5. 局部放电超声波检测方案
放电的超声波换能器检测是高压开关柜绝缘监测的第一步，超声波换能器输出的电信号经过处理转换为数字信号后，进行传输和进一步计算处理。局放监测系统将能够实现检测、识别和定位功能，通过信号处理过程，识别出缺陷的类型并给出缺陷的位置，将此信息作为报警信息发送至检测系统监视器终端和管理人员手机终端。
六、总结
本文设计开发出开关柜局放智能在线监测诊断系统及装置，在对三相母线带电情况进行指示的同时，实现对高压开关柜的放电状态进行实时在线监测，减少布线和安装成本。开关柜局放智能在线监测诊断系统及装置能够快速有效隔离处理绝缘故障设备，适应电网设备状态检修的需求，提升电网运维精益化水平。
参考文献：
[1]陈卓，冀红伟，张昊.基于泛在物联网的高压开关柜局放在线监测系统研究. 机电信息.2020(20):37-39.
[2]陈庆荣. 高压开关柜局部放电在线监测技术研究与应用策略.科技与创新，2019（23）：158-159.
[3]韩捷，孙奇珍，党卫军. 一种新型的开关柜局放在线监测系统研究.机电信息.2018(36):39-42.
[4]纪尚昆，李汉锋. 固定式开关柜局放声电联合监测系统.云南电力技术.2016,44(S1):91-93
