1引言
高压开关柜在电力系统中担负着关合及断开电力线路、保护系统的双重功能，主要由母线、高压断路器开关、互感器、电抗器线圈、电力电容器、避雷器、高压熔断器、二次设备及必要的其他辅助设备组成。近年来随着电网的迅速发展，开关柜的投运数量在不断增加，由开关柜故障造成的经济损失也在不断增加。因此针对高压开关柜展开状态检修已成为一个研究热点[2]。
通过调研和统计近10年来全国高压开关设备的运行情况，可知高压开关柜常见故障主要有[3]：（1）开关柜发热故障，一般有导电部分发热、断路器触头发热以及涡流发热；（2）开关柜绝缘故障，主要由于开关设备内部的绝缘支撑件，带电显示装置的传感器受到环境作用降低了绝缘性能，出现内部、对地或相间的闪络、击穿。
2监测系统硬件设计
2.1系统总体结构设计
基于虚拟仪器的高压开关柜在线监测系统采用多层分布式体系结构[4]，集成开关柜温度在线监测、局放在线监测、断路器振动信号在线监测三大功能，实现了开关柜运行状态全方位监测、多状态量的综合分析，克服了传统监测系统监测参量单一的局限性。监测系统的总体构架如图1所示，主要包括过程层、间隔层、站控层3部分。
图1监测系统总体结构图
图2 TEV传感器安装位置参考图
由图1可知，过程层即各类传感器的数据采集，主要是用来监测反映开关柜机械、绝缘、温升状态的各种物理参量，为后续的处理分析提供基础的状态数据。间隔层作为监测系统结构的中间层，由信号预处理单元和高速数据采集卡组成，要求既能够分析处理过程层传来的基础数据又能够接收来自站控层工控机发出的控制指令并将分析处理得到的结果通过数据总线传送给工控机，起到承上启下的作用[5]。
2.2检测传感器安装
结合高压开关柜的结构特点，采取合适的安装方法将TEV和超声波传感器、红外热成像测温仪、振动传感器分布配置在易发生故障的高压开关柜上，对重要部位进行重点监测。
（1）TEV和超声波监测
TEV传感器的检测部位主要是母排（连接处、穿墙套管、支撑绝缘件等）、断路器、CT、PT、电缆等设备所对应的开关柜柜壁的位置，这些设备大部分位于开关柜前面板中部及下部，后面板上部、中部及下部[6]。高压开关柜TEV传感器的安装位置可参考图2进行。
在超声波检测过程中，应将超声波传感器沿着高压开关柜上的缝隙扫描检测。高压开关柜超声波传感器的安装位置可参考图3进行。
图3超声波传感器安装位置参考图
（2）振动监测
为了准确获得断路器机械振动信号，振动传感器一般应安装在关键部件（指故障率高、重要性高）的振动源附近。大量的研究实验表明[7]，在下面位置安装振动传感器效果不错：①灭弧室垂直方向；②操动机构垂直方向；③两者之间的位置（如弹簧机构的缓冲器附近）。
（3）温度监测
开关柜的发热主要来自相关的导电回路，发热的形式是接头发热、涡流发热和导体发热等。通过监测开关柜内的温度可及时发现设备运行环境的恶劣程度及潜在故障。本文使用手持式红热成像仪进行温度监测，先对所有应测试部位（重点是开关柜内母线室、电缆室、开关室等重要部位）进行扫描，发现异常部位，然后对异常部位和重点被监测饿死在设备进行重点测温。红外热成像测试时不用接触用电设备，检测图像清晰稳定，能直观显示隐患部位的发热严重程度。
3监测系统软件设计
监测工控机主要负责对所有监测参数信息进行系统软件集成，并对上级监控中心的调度进行相应的处理。监测工控机的监测界面应能直观、实时的展现高压开关柜的运行状况，同时当发生异常状况时能及时地进行预警，发生故障时进行报警，并能根据保存的历史数据及开关柜当前运行状态对出现的故障进行诊断。根据对高压开关柜在线监测系统功能的要求，本文以windows7系统工控机为基础，采用美国NI公司的LabVIEW15.0作为软件开发平台。LabVIEW采用可视化的G语言，具有极强的图形表现力和丰富的数学运算函数，被广泛应用于控制监测系统的开发[8]。
高压开关柜在线监测系统软件结构如图4所示。用户通过登录界面输入用户名及密码，进入系统初始界面。系统初始界面包含用户管理模块、开关柜监测模块、历史查询模块、退出模块4个模块，点击相应图标按钮即可执行该模块对应的功能。在用户管理模块中可以为监测系统添加和删除用户，方便系统管理，避免非专业人员的误操作造成系统崩溃。开关柜监测模块可对开关柜的振动信号、局部放电超声波信号、TEV信号以及开关柜的红外热图像进行实时显示，对开关柜的放电程度与振动强度进行指示与预警，同时会自动保存相应信号的波形及相关数据信息，方便后续数据查询和处理；通过参数配置可对采集卡的采样频率、采样数、采集通道，传感器检测阈值等参数进行设置。历史数据查询模块可以实现对原有保存数据的即时查询以及趋势分析，方便操作人员对开关柜的运行状态作出判断。
4实验室验证
经过对监测系统软硬件的开发设计与组装，选取实验室某开关柜安装了高压开关柜在线监测系统。在该开关柜母排的一段绑上一根铁丝，使用传统的升压装置在母排上适当加压，使铁丝产生尖端放电，用于模拟开关柜内部发生尖端放电[9]。图6是开关柜现场测试图。
图4监测软件结构图
（a）系统初始界面（b）用户管理界面
（c）监测主界面（d）历史数据查询界面
图5 软件系统操作界面
图6 开关柜现场测试图
当铁丝对高压开关柜柜体进行放电时，高压开关柜在线监测系统中TEV传感器测得的局部放电数值为37dB，指示灯显示轻微放电；1号超声传感器测得的局部放电数值为21dB，2号超声传感器测得的局部放电数值为17dB，且距离放电点越远，测得的数值越小；使用手持式红外热成像仪对该开关柜进行温度监测，可知大约在母排处的温度略高于其他处的温度，印证了该监测系统的可行性与准确性。
5结语
基于虚拟仪器的高压开关柜在线监测系统将超声波、TEV、振动等传感技术安装应用到开关柜设备监测上，实时获取高压开关柜设备的多维信息，为设备状态检修提供数据支持；结合图形化编程语言LabVIEW对设备多维信息进行融合分析，完成监测系统的软件开发，在工业控制计算机上实现实时显示、保存、查询、数据分析和报警指示的功能，全面有效的掌握设备的运行状态，提高了电网系统运行的安全性与可靠性。通过高压实验室的测试与现场应用，系统显示出较高的准确度，验证了在线监测系统设计的合理性与可靠性，能满足高压开关柜在线监测的需求，具备较高的工程应用价值。
参考文献
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[4]从军超.基于IEC61850高压开关柜综合在线监测系统研究[D].沈阳工程学院,2017.
[5]胡海燕,黄新波,刘全桢,张云朋,朱永灿.石化企业高压开关柜状态监测系统设计[J].安全、健康和环境,2017,17(08):13-15.
[6]黄新波,王列华,唐书霞,周柯宏.智能变电站开关柜综合状态监测IED设计[J].中国电力,2014,47(02):84-89.
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[10]查坚卿,艾春,盛守贫,周彦.基于侵入式带电监测技术的中高压开关柜局部放电在线监测系统的研究[J].华东电力,2014,42(11):2397- 2400
作者简介
付蓉（1987.07—）：江西宜春人，主要从事配电网规划、运维与管理工作。
论文作者:付蓉,李科,梁建锋,谢鸿,梁建辉,叶继宁
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
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