技术领域
[0001] 本
发明属于局部放电检测技术领域，尤其涉及一种基于电化学法的开关柜局部放电检测装置及控制方法。
背景技术
[0002] 空气开关柜就是其中常见的输配电设备，在输配电过程中起着控制或保护的作用。开关柜内部包含了
隔离开关、
断路器和相关的保护装置，当电
力系统出现故障时可以通过其隔离开关断开相互连接的设备，一方面保护了连接的电力设备同时也保护了电力操作人员的安全。由此可见开关柜在电力系统中起着非常重要的作用。空气开关柜在制造、配送、安装、运行和检修等过程中，不可避免的会造成开关柜内出现各种绝缘
缺陷，例如在制造时容易使导体留下金属毛刺、在运送过程中容易导致零件的松动或
接触性能变差、导体与
支撑绝缘子剥离形成的气隙以及检修后残留在腔体内的金属微粒等。这些绝缘缺陷在开关柜的运行过程中容易引起
电场畸变，从而发生局部放电(PD)。若不及早发现开关柜内部的PD而任其发展至严重程度，最终将导致开关柜内绝缘破坏而引发安全事故，给发电企业带来巨大的经济损失和负面的社会影响。
[0003] 常见的局部放电检测手段包括：脉冲
电流法、
超声波法、特高频检测法和暂态地
电压检测法都存在一些不足之处，脉冲电流法适合于实验室环境，工程上较难应用。
超声波法局部放电超声
信号容易发生折射导致
波形失真，检测准确度较差。特高频装置投入成本较大，维护较为困难。暂态地电压检测法需要人工检测，自动化程度差。而电化学检测法的原理是在正常情况下，气体成分较为稳定由21％的O2、78％的N2以及一些少量的其他气体如CO2组成。当开关柜内放电或者
过热现象时，空气中的混合气体会产生复杂的化学反应，生成一些含氮化合物及O3。当存在固体绝缘介质(如聚烯
烃、
硅橡胶、环
氧树脂等)时，由于放电的存在有可能引起固体绝缘介质的受损，从而产生O3、CO等气体。另外，由于不同类型的绝缘缺陷引起PD的特性有明显的差异，进而使空气在不同类型绝缘缺陷PD作用下的分解特性也存在着明显的差异，通过研究空气气体分解组分含量、产气速率、放电量的变化关系，可以更加准确地了解和掌握开关柜内部绝缘缺陷类型的性质和特征。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种通过电化学
传感器检测开关柜高压
母线室内潜在的劣化伴生气体，进而判断开关柜局部放电量的装置。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电化学法的开关柜局部放电检测装置，其开关柜包括二次设备室，与二次设备室相邻的高压母线室，位于高压母线室下方的断路器室，位于二次设备室下方与断路器室相邻的手车室；还包括第一、第二、第三电化学传感器和
数据采集处理模
块；三个电化学传感器安装于高压母线室，数据采集处理模块安装于二次设备室；数据采集处理模块包括信号调理
电路，还包括EMC防护壳，EMC防护壳内安装有依次连接的FPGA及其外围电路、FIFO与高速数据缓存、WLAN模块和WIFI天线，FPGA及其外围电路和FIFO与高速数据缓存之间连接的控制和时钟，以及供电模块；FPGA及其外围电路通过航空
导线组与信号调理电路连接，信号调理电路再分别与第一、第二、第三电化学传感器相连，信号调理电路对三个电化学传感器的数据进行实时处理，使其适合FIFO和高速数据缓存。
[0006] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，第一、第二、第三电化学传感器均采用三
电极电化学
气体传感器和高性能
微处理器，并内置
温度传感器进行温度补偿；用于测量对应的气体，对于其他气体交叉干扰小于1ppm；三电极电化学气体传感器包括接地线
外壳，接地线外壳内设置有化学反应电极和内部电极调理电路，接地线外壳上设有卡
锁结构，接地线外壳的尾部连接有航空
电缆接头；三电极电化学气体传感器的三电极分别为地极，供电极和电压信号输出极，三电极长度均为6mm，直径均为1.5mm；接地线外壳与航空电缆接头总长度为24.5mm，接地线外壳直径为21mm，三个电极
角度间距为120°，航空电缆接头的直径为16.4mm。
[0007] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，第一、第二、第三电化学传感器分别用于测量CO气体、NO2气体和O3气体；第一电化学传感器置于高压母线室上方，第二、第三电化学传感器置于高压母线室下方。
[0008] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，信号调理电路包括增益、衰减电路，调零与外加直流
偏置电路、滤波电路和ADC电路；用于对电化学传感器信号放大、滤波调零再进行加直流偏置最终进入ADC电路，将电化学传感器中的
模拟信号调整至适用于
硬件1.75Vpp电压信号。
[0009] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，，FPGA及其外围电路包括FPGA配置电路、外部存储设备、以太网传输
接口和FPGA的供电部分；FPGA采用Virtex-5系列，其中，BANK0为配置块，配置方式采用主串模式，每个时钟周期仅接收一位配置数据；配置芯片采用XCF32P-VO48。
[0010] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，高速数据缓存采用1GB的SDRAM，FIFO作为数据缓存的
存储器，循序先进先出的规律对数据进行储存。
[0011] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，控制和时钟分为AD
采样时钟和FPGA核心时钟，在AD采样时钟输入端加入一级比较器ADCMP582，输入端设计为过零比较，输出端为LVPECL；AD采样时钟为CDCLVD1202，输入可接受LVDS，LVPECL，LVCMOS，输出为LVDS；时钟单端线通过50欧姆
电阻端链接到CDCLVD1202的VAC_REF引脚，满足匹配要求，同时给LVPECL输入提供了直流偏置；LVPECL为射极开路输出，此处为AC耦合；CDCLVD1202将时钟输入扇出为2路输出，一路为参考时钟，一路为采样时钟。
[0012] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，供电模块包括模拟部分供电和数字部分供电，数字部分为FPGA及其外围电路和以太网芯片进行的供电，其他均采用模拟供电；模拟供电将+12V经过DC/DC得到+3.6V，+2.1V，+5.5V，-5.5V
输出电压；数字部分供电为+3.3V，+2.5V，+1.8V，+1.2V和+1.0V；以太网芯片供电为+3.3V。
[0013] 在上述的基于电化学法的开关柜局部放电检测装置中，WLAN模块选用网络芯片W3150A+和RTL8201BL搭建的电路模块，其中MAC层协议在FPGA中实现，物理层由RTL8201BL芯片完成以太网电平转换。
[0014] 一种基于电化学法的开关柜局部放电检测装置的控制方法，包括以下步骤：
[0015] 步骤1、首先将
算法控制程序和外围电路的驱动程序一并烧录，烧录选择AS下载方式，将执行代码直接烧写到FPGA；在上电初始化后，FPGA直接从配置芯片读写执行代码配置FPGA，实现误断电重启之后程序仍保存；
[0016] 步骤2、三种电化学气体传感器持续与待测环境中待测气体进行
氧化还原反应，通过捕获反应过程中的微弱
电信号，再由信号调理电路将其转化为0.4-2V电压范围的电压信号，送入AD采样时钟；并将转换的16位
精度的
数字信号送入FPGA中，进行程序判断；
[0017] 步骤3、程序判断采用状态树故障判别流程，将电压信号通过以下公式进行换算，换算为浓度PPM数据：
[0018]
[0019] 步骤3.1、当O3浓度在0-10PPM以内，进入故障状态1，将降低气体采集
频率至1h/次；
[0020] 步骤3.2、当O3浓度在10-50PPM内，进入故障状态2，恢复电化学传感器采气率；对状态做进一步评估，排除相关干扰；经过多次重复检查，浓度仍没有较大变化，排除错误数据情况；读取数据通过已经训练好的3层神经网络来拟合预测当前3种气体浓度数据下放电量的大小；并将放电量数据实时传输至WLAN模块，再通过WIFI天线发送至巡检人员；
[0021] 步骤3.3、当O3浓度高于50PPM，则直接发出警报，呼叫巡检人员做进一步紧急处理。
[0022] 本发明的有益效果：结构简单、操作方便、成本低，可以自动检测。通过测量局部放电时产生的劣化微量气体，采集的数据易于处理和分析，能够实时检测开关柜内部局部放电情况。
附图说明
[0023] 图1为本发明一个
实施例基于电化学法的开关柜局部放电检测装置结构示意图；其中，1-1-第一电化学传感器、1-2-第二电化学传感器、1-3-第三电化学传感器、2-信号调理电路、3-FPGA及其外围电路、4-FIFO与高速数据缓存、5-控制和时钟、6-供电模块、7-WLAN模块、8-EMC防护壳、9-WIFI天线；
[0024] 图2为本发明一个实施例基于电化学法的开关柜局部放电检测装置安装示意图；其中，10-二次设备室、11-高压母线室、12-断路器室、13-手车室、14-航空导线组、15-数据采集处理模块；
[0025] 图3为本发明一个实施例电化学传感器结构示意图；其中，17-化学反应电极、18-卡扣结构、19-接地外壳、20-航空电缆接头；
[0026] 图4为本发明一个实施例航空电缆接头截面示意图；
[0027] 图5为本发明一个实施例FIFO程序的状态转移图；
[0028] 图6为本发明一个实施例状态树故障判别算法图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0030] 本实施例是通过以下技术方案来实现的：如图1所示，一种基于电化学法的开关柜局部放电检测装置，更适合于铠装式开关柜的检测装置，包括第一、第二、第三电化学传感器1-1、1-2、1-3和数据采集处理模块；数据采集处理模块包括信号调理电路2，置于EMC防护壳8内的FPGA及其外围电路3、FIFO与高速数据缓存4、控制和时钟5，供电模块6，WLAN模块7和WIFI天线9。信号调理电路2分别连接第一、第二、第三电化学传感器，信号调理电路2依次连接FPGA及其外围电路3、FIFO与高速数据缓存4、WLAN模块7和WIFI天线9，控制和时钟5连接在FPGA及其外围电路3和FIFO与高速数据缓存4之间；供电模块6为三个电化学传感器和数据采集处理模块供电。
[0031] 而且，三个电化学传感器1-1、1-2、1-3均采用三电极电化学气体传感器和高性能微处理器，可以测量对应的气体对于其他气体交叉干扰小于1ppm。另外内置温度传感器进行温度补偿。如图3所示，三电极电化学气体传感器包括接地线外壳19，其内部包括化学反应电极17、内部电极调理电路。接地线外壳19上设置有
导轨卡锁，方便将其固定在开关柜内部。接地线外壳外部与卡锁结构18相连，接地线外壳尾部与航空电缆接头20相连接。由内部调理电路，将化学反应微弱电信号经过调理电路放大后，经过三电极金属引脚引出至航空导线组14处。三个电极为GND，VCC，VO。分别是地极，供电极和电压信号输出极。电极长度均为6mm，直径1.5mm。航空电缆接头20与接地线外壳19总长度为24.5mm，接地线外壳直径为21mm，三个电极角度间距为120°，如图4所示。航空电缆接头20的直径16.4mm。通过相应航空导线组与
铜针进行连接。接地线外壳设有一个卡锁结构，用卡锁将内部化学反应电极17和外部隔离，由于电化学里面的
电解池使用寿命在两年左右，所以更换时无需拆掉电路，只需将外壳卡锁拧开，更换
电解池即可。
[0032] 并且，第一、第二、第三电化学传感器1-1、1-2、1-3分别用于测量CO气体、NO2气体和O3气体。
[0033] 开关柜中二次设备室10、高压母线室11、断路器室12、手车室13、航空导线组14所处
位置如图2所示，数据采集处理模块15，第一电化学传感器1-1、第二电化学传感器1-2、第三电化学传感器1-3安装在开关柜中的位置如图2所示，数据采集处理模块15安装于二次设备室10。针对开关柜中的导轨，电化学传感器的接地外壳19上装有卡锁结构，通过捏住卡锁中部，内部设有伸缩
弹簧，可将两边
挡板长度缩短，嵌入导轨后再释放，恢复原长，进而固定导线部分，嵌入导轨中。线夹通过
垫圈、
螺栓夹紧航空导线组14，线路通过隔板间走线槽进行联络，每条线路中共有三股线，包括数据线，地线，电压线，相互防止干扰。常见开关柜局部放电原因，通常是高压母线室内母线支持绝缘子表面污秽、母线排存在尖端毛刺、柜体内金属碎屑等原因。3个电化学传感器安装于高压母线室11，用于探测气体
密度，第一电化学传感器1-1放置于高压母线室11上方，用于测量CO气体；第二电化学传感器1-2和第三电化学传感器1-3放置于高压母线室11下方，分别用于测量NO2气体和O3气体。由于气体扩散为无规则扩散运动，测定的气体浓度值可以反映当前空间内的气体浓度值，即高压母线室11内的气体浓度值。所有接线处都用垫圈螺栓结构固定，防止因断路器工作时产生的巨大机械振动将线振松。WIFI天线9可以支持一定范围内巡检员工随时接收相关数据，当特征故障气体满足一定浓度
阈值会发出警报，并将数据和故障状态反馈到巡检移动端。
[0034] 而且，信号调理电路2包括增益、衰减电路，调零与外加直流偏置电路、滤波电路和ADC电路。通过增益和衰减电路，将输入模拟信号不同的满量程调理成统一的满量程。衰减电路为两级衰减。信号调理电路2对电化学信号进行放大滤波调零再进行加直流偏置最终进入ADC部分，将电化学传感器中的模拟信号调整至适用于硬件1.75Vpp电压信号。
[0035] 而且，FPGA及其外围电路3，主要包括FPGA的配置电路、外部存储设备、以太网传输接口和FPGA的供电部分。FPGA采用的是Virtex-5系列，它的BANK0是其配置块。配置方式采用主串模式，每个时钟周期仅接收一位配置数据。这样方便控制且较为稳定。通过XCF32P-VO48作为配置芯片。本实施例由于要对气体数据进行暂存并发送至移动端，为了使数据传输速率的匹配，选择了1GB的SDRAM作为高速数据缓存。FIFO作为一种进行数据缓存的存储器，循序先进先出的规律对数据进行储存。如图5所示，为FIFO的状态转移图，在写数据开始是先发送写
请求信号，判断是否写满，若wrfull为1，说明已满；若wrfull为0，说明未满，可以在时域进行对FIFO写数据。
[0036] 而且，信发射电路采用基于ESP8266WIFI的信号发射电路，是基于串口的协议和TLL电平的集成电路，将串口协议和TCP/IP协议进行内置，在物理层通过串口进行数据交互，将数据通过WLAN与移动端进行数据交互，反馈当前开关柜状态。
[0037] 而且，控制和时钟5和控制部分为基于FPGA控制电路，用于对其他模块的相关芯片和寄存器进行写入和控制，包括通过SPI协议对AD芯片进行控制。设置SDRAM对读取的数据进行暂存，用于匹配数据传输和串口的速率。
[0038] 时钟部分可以分为AD采样时钟和FPGA核心时钟两部分。在AD采样时钟输入端加入一级比较器ADCMP582，输入端设计为过零比较，输出端为LVPECL。时钟为CDCLVD1202，输入可接受LVDS，LVPECL，LVCMOS，输出为LVDS。时钟单端线通过50欧姆电阻端链接到CDCLVD1202的VAC_REF引脚，满足匹配要求，同时给LVPECL输入提供了直流偏置。LVPECL为射极开路输出，此处为AC耦合。CDCLVD1202时钟输入扇出为2路输出，一路为参考时钟，一路为采样时钟。
[0039] 数据采集处理模块还设有内时钟部分，主要包括内时钟和板载时钟，50MHz的FPGA内部时钟源作为基准时钟，采样时钟通过板载时钟提供。
[0040] 而且，供电模块6包括如下几部分，需要给电化学传感器进行稳压供电的5V供电部分，3.3V-1.0V多电源组给FPGA供电及其外围电路供电。具体供电电路6包括模拟部分供电和数字部分供电。数字部分为FPGA及其外围电路和以太网芯片进行的供电。其他部分包括传感器在内都是模拟供电。模拟供电将+12V经过DC/DC得到+3.6V，+2.1V，+5.5V，-5.5V这几个电压。数字部分供电为+3.3V，+2.5V，+1.8V，+1.2V和+1.0V；以太网芯片为+3.3V供电。
[0041] 而且，WLAN模块7选用网络芯片W3150A+和RTL8201BL搭建的电路模块，其中MAC层协议在FPGA中实现，物理层由RTL8201BL芯片完成以太网电平转换。支持全双工通信，并且采用3.3V
电源电压，I/O口兼容5V的数字逻辑电平。通过配置其内部寄存器就可以实现相应的协议通讯。以太网芯片RTL8201BL是一个串行的单端口以太网物理层收发器。可以实现10/100M以太网通讯所必须的物理层功能。
[0043] 本实施例分为硬件部分和算法控制程序两大部分。硬件部分主要目的为将检测到的气体浓度电压数据合理的，有较少损失的前提下送入FPGA中进行运算和故障判断，并且将判断结果发送至WLAN模块，再通过WIFI天线发送至移动端巡检设备处。
[0044] 算法控制程序部分，如图6所示，首先将算法控制程序和外围电路的驱动程序一并烧录，另外烧录选择AS下载方式，可以执行代码直接烧写到FPGA配置芯片。在上电初始化后，FPGA芯片直接从配置芯片读写可以执行代码配置FPGA芯片，可实现误断电重启之后程序仍保存的优势。三种电化学气体传感器持续与待测环境中待测气体做出氧化还原反应，通过捕获反应过程中的微弱电信号，由信号调理电路2将其转化为0.4-2V电压范围的电压信号，送入AD采样时钟。将转换好的16位精度的数字信号送入FPGA中，进行程序判断。程序采用图6状态树故障判别流程，将电压信号进行如下公式进行换算，换算为浓度PPM数据[0045]
[0046] 臭氧O3的浓度作为局部放电程度判断已受到广泛认可，当O3浓度在0-10PPM以内，属于故障状态1，将降低气体采集频率至1h/次，降低功耗延长电化学传感器寿命。一旦发现臭氧气体浓度属于10-50PPM内，将进入故障状态2。恢复电化学传感器采气率，对状态做进一步评估，排除相关干扰。经过多次重复检查，浓度仍没有较大变化，则排除错误数据情况，读取数据通过已经训练好的3层神经网络来拟合预测当前3种气体浓度数据下，放电量的大小。并将放电量数据实时传输至WLAN模块，再通过WIFI天线发送至巡检人员。第三种情况，如果臭氧浓度高于50PPM，则直接发出警报，呼叫巡检人员做进一步紧急处理。
[0047] 应当理解的是，本
说明书未详细阐述的部分均属于
现有技术。
[0048] 虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种
变形或
修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附
权利要求书限定。
