海上平台开关柜绝缘在线监测系统研究与应用摘要：为预防海上采油平台开关柜绝缘安全事故的发生，本文结合了暂态地电压、超声波以及光纤光栅测温检测技术，设计一套开关柜绝缘在线监测系统。
该系统实现了对开关柜的触点温度和局部放电状态进行实时监测并对其绝缘状态进行评估，使设备维护实现了由“定期维修”转变为“状态维修”，大大节约了人力和长期维护成本。
关键词：开关柜；局部放电；暂态地电压；超声波；光纤光栅0 引言近年来，随着我国海上油气资源开发力度的逐年加大，海上采油平台电力电缆绝缘击穿、中低压开关柜节点触头烧毁等绝缘故障造成的安全事故屡有发生。
以1990～2001年为例，全国开关柜共发生事故1659次，其中仅绝缘造成的事故就有626次，占故障总数的38%[1]。
开关柜直接承担着油气生产、集输、人员生活等各项工作的正常操作和运行，一旦发生绝缘故障，不仅影响电力设备寿命，严重时会造成停产、爆炸甚至泄漏事故，对人员生命和海洋生态环境造成极大影响，也为石油生产企业带来巨大的经济损失。
研究表明[2]，绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，因此局部放电是设备绝缘缺陷的重要征兆和表现形式。
这些缺陷通常比较微小和隐蔽，不足以导致在工频耐压试验时立即击穿，但投入运行后在正常运行电压作用下会发生局部放电，使缺陷逐渐发展扩大，还可以使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布严重畸变。
影响海上平台开关柜局部放电的因素主要有以下几点：（1）微粒及异物的影响。
现场安装条件所致设备内部的微粒及异物，在电压作用下获得电荷并发生移动，能在接地外壳和高压导体之间跳动，从而发生局部放电。
（2）接触不良的影响。
一方面，自由微粒附着主触头表面使接触电阻增大，而发热烧损。
另一方面，随着设备长时间运行，在电弧的作用下主触头易发生烧损。
（3）潮湿的影响。
海上平台的突出特点为湿度和盐度较高，当温度下降时水蒸气出现的凝露，结合其他混合物会影响介质表面的导电性，促使介质老化或直接引发故障。
（4）高压导体尖刺的影响。
这些尖刺形成绝缘气体中的高场强区，在快速暂态条件，尤其是快速暂态过电压的情况下，会引起故障。
（5）绝缘子缺陷的影响。
（6）其它因素的影响。
如机械振动、组件的互相碰撞等外力作用，常使紧固件松动、元件变形和损伤。
本文根据海上平台开关柜常见失效形式，提出了一种绝缘在线监测诊断系统，将局部放电与光纤光栅温度监测技术相结合，对开关柜的触点温度和局部放电状态进行实时监测，并对其绝缘状态进行评估，为海上平台电力设备的安全运行和状态管理提供维修基础。
1 开关柜绝缘在线监测系统设计1.1 绝缘局放监测系统的设计1.1.1 暂态地电压TEV检测技术依据海上平台开关柜局部放电特点，研究采用TEV传感器对开关柜局部放电进行实时在线监测。
开关柜局部放电信号高频、低幅值及瞬时性[3] 的特点决定了传统的传感器很难捕获到局放信号。
本文所设计的TEV传感器采用纳米复合技术，在捕获TEV信号的同时提高其灵敏度。
本系统局部放电传感器探测到的放电信号通过屏蔽线传至中继设备，并在光端机中进行电光转换，出线光缆则直接连接工控机。
为便于系统操作管理，将局部放电测量结果以相应的通讯格式与终端主机进行通讯，传输方式视实际应用情况可选择有线或无线传输多种。
系统采用Modbus串口通讯协议，控制器设置为RTU模式。
为保证通讯成功，设置发送数据间隔为50ms左右。
TEV传感器以dB值表示局部放电信号幅值大小，设计范围当测量信号在0-20dB时为设备正常运行，20-30dB为可能有局部放电，30dB及以上则为存在局部放电，需要重点排查该设备。
1.1.2 超声波检测技术依据海上平台开关柜局部放电的特点，研究超声技术在开关柜局部放电监测中的适用性，并采用超声传感器对开关柜局部放电进行实时在线的辅助监测。
局部放电导致放电点周围介质的振动现象，从而产生声波信号。
放电强度的大小决定了电场应力、机械应力和粒子力的振荡幅度，直接决定了振动的程度和声波的相度[4]。
因此当发生局部放电时，通过检测超声波能够反映开关柜中是否发生局部放电。
局部放电由一连串的脉冲形成，由此产生的声波也是由脉冲形成。
通过对超声信号强弱和脉冲数目的检测，可以用于估测开关柜中局部放电的强弱程度，在海上平台开关柜监测中可作为局部放电监测的辅助手段。
该传感器采用以压电陶瓷为材料的谐振式传感器测量超声信号。
利用压电陶瓷的正压电效应，在局部放电产生的机械应力波作用下发生形变产生交变电场[5]。
介于配电室内强烈的电磁辐射干扰，将传感器置于内屏蔽金属套中保护内部的滤波、放大电路，并用屏蔽优良的引出线引出信号。
为提高传感器检测灵敏度，将由宽频带传感器（带宽22kHz到220kHz，中心频率150kHz）直接采集的波形通过傅里叶变换绘制频谱图（如图1所示）。
局部放电所产生的超声波能量大多集中于20kHz 到200kHz的频带，在约40kHz处存在峰值并且能量比较集中。
40kHz 作为超声检测的中心频率，可反映局部放电的主要特性。
本传感器以dB值表示局部放电信号大小，判断是否存在局部放电的方法以趋势分析为主。
1.2光纤光栅测温系统设计光纤光栅传感器以光作为传感信号，不受外界电磁场干扰，精度高，具有很强的耐高压性能，因而适用于开关柜内触点或终端电缆的温度监控[6,7]。
由于海上平台开关柜多采用梅花型触点和鸭嘴型触点两种形式，且内部空间较小，据此设计小型传感器FETS-01，其结构如图2所示。
其中，光学传感元件为光纤布拉格光栅和光纤，在光纤和光栅结合处用高压绝缘层封装，最后用陶瓷将被封装的光纤光栅密封，保证其耐高压、绝缘、防腐蚀的特性。
经过测试，该传感器中心波长和温度有着非常好的线性关系。
系统采用布拉格光纤光栅波长解调原理，同时对同一通道内的传感器采用并联波分复用的方法。
宽带大功率泵浦激光源（输出1525nm-1565nm的宽带光）输出的宽带光通过光开关（由高低电平控制光路的切换）的一路，经过光缆传输到高灵敏光纤温度传感器。
传感器将温度的变化转化为光波波长的变化，再经光缆传输到光电解调模块对经传感器反射回来的光进行解调，将光波波长的变化转变为相应的电信号的大小。
该电信号经采集卡实现计算机与解调模块的通讯后变成相应的数字信号，通过PCI总线完成和PC机的数据通讯，再由PC机进行数据信息处理，最后得到被测量的物体的温度。
运行PC 机系统的软件实现控制光路通道的选通、各通道信息的传感器转换、各通道信息的光-电转换、调制信息的解调、数据的采集、数据的处理等功能。
本系统设计的光纤光栅温度传感器用于监测开关柜触点温度和进出线电缆温度，并通过光纤分路器连接到主光缆；主光缆在终端盒中进行熔接和保护，最终连接到工控机各通道。
系统以温度值直观显示被测设备实时温度情况，设计范围为当温度小于60℃时，设备运行正常，60-70℃为一级预警，70℃及以上为二级预警，应对相关设备予以重点排查。
2绝缘在线监测系统在海上平台的应用本系统以某作业区CEP平台和WHPC平台不同电压等级（包括3.3kV、10.5kV和35kV）若干开关柜为试点，进行了局部放电监测，监测时间为2013年1月11日0点至12日0点间共24小时，每小时采集一次数据。
如图4所示。
上图为平台上一3.3kV开关柜VCB5在监测时间内局部放电信号幅值随时间的变化关系。
其中，TEV信号在6dB-13dB范围内存在波动，超声信号基本保持在23dB±3dB以内上下浮动，且波动幅度相对稳定，这可能是受周围环境温湿度的变化或电晕放电现象的影响。
这些干扰会造成局部放电信号不稳定，但对开关柜的绝缘危害较小。
依据本系统报警阈值的设计范围，实验过程中该开关柜局部放电TEV 信号幅值均在20dB以内，且超声信号趋势平缓，属于正常运行状态。
图5为平台上一10.5kV开关柜VCB6在监测时间内局部放电信号幅值随时间的变化关系。
其中，TEV信号基本保持在0dB，仅有2个时刻发现突变的局部放电信号，且幅值在6dB左右，这可能是由于该时刻负荷的变动引起，且并未超过设计安全阈值20dB。
超声信号在14dB-19dB范围内上下波动，且趋势平稳，由设计报警阈值可知，该开关柜运行正常。
此外可以看出，该开关柜的局部放电信号均较低电压等级开关柜低，其绝缘水平较高。
图6为平台35kV开关柜VCB21在监测时间内局部放电信号幅值随时间的变化关系。
其中，TEV信号同样基本保持在0dB，同时在某2个时间段内发生6dB的波动，估计是由于平台其他设备运行的电磁干扰以及变电过程中调节变压器变比（石油生产过程中增减负荷）所致。
超声信号在22dB左右上下波动，趋势平稳。
依据系统报警阈值，当测量信号在0-20dB时设备正常运行，可见该开关柜处于正常运行状态。
图7为平台上一3.3kV开关柜VCB5在监测时间内触点温度随时间的变化关系。
从图中可以看出，各触点的温度不同，但温度均在11℃以下，且下触点温度较低，上触点温度较高，二者平均温度差在1.6℃左右。
此外，各触点的温度变化趋势相同，单个触点在实验时间内的变化幅度小于3℃。
触点温度的变化可能受环境温度和设备负荷增减的影响。
依据本系统温度报警阈值的设计范围，当触点温度小于60℃时设备运行正常，可见该开关柜的触点温度远小于报警值，属于正常运行状态。
图8为平台上一10.5kV开关柜VCB6在监测时间内触点温度随时间的变化关系。
该开关柜的触点温度均在9℃以内，随着时间的变化逐渐降低，但温差不超过2℃，这可能是由于柜内环境温度的影响所致。
依据本系统的报警阈值，该开关柜温度变化较为平稳，监测数据的差异也较小，且均远小于一级报警阈值60℃，因此设备运行正常。
图9为平台上一35kV开关柜VCB21在监测时间内触点温度随时间的变化关系。
该开关柜各触点的温度曲线重合度好，基本保持在5.5℃±1℃左右波动，这和周围环境温度的波动有关。
另外，下触点B 的监测温度较低，可能是由于传感器安装位置的差异造成，但整体温度差异不超过3℃，对于系统监测性能影响较小。
由于该开关柜各触点温度均远小于报警阈值60℃，因此该开关柜也处于正常运行状态。
3 结语本文提出的绝缘监测系统结合了局放检测技术与光纤测温技术，实现了对开关柜的触点温度和局部放电状态进行实时监测并对其绝缘状态进行评估，使设备维护实现了由“定期维修”转变为“状态维修”，大大节约了人力和长期维护成本。
目前，该监测系统已成功应用于海上平台的开关柜监测，为其他海上平台设备管理提供了宝贵的经验。
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