配電網直流定位法探測器的研究與實現

張 欣，李寶蘭，曹 盛

(1.湖南省電力公司常德電業局，湖南常德 415001;2.湖北省宜昌市供電公司調度通信中心，湖北宜昌 443000;3.華北電力大學電子與通信工程系，河北保定 071003)

配電網擔負著向用戶直接供電的任務，隨著國家經濟的發展，人民生活水平逐漸提高，人們對于供電的可靠性和持續性也隨之提高。配電網單相接地故障是發生幾率最高的故障，由于瓷瓶絕緣子擊穿比較細微肉眼幾乎無法識別，一旦發生故障，如果能在第一時間發現故障并找到故障點，可以使配網系統及時安全運行。所以配電網單相接地故障的快速、準確定位，將大幅降低電氣維護人員的工作難度和工作量，縮短因故障造成的停電時間，降低由于停電造成的損失，這將帶來巨大的經濟效益和社會效益［1］。

1 直流法檢測步驟

直流定位法的主要思路是由選線裝置選出故障線路，在停電離線狀態下從變電站向故障相注入直流信號100 mA，為保證能將水泥桿擊穿，電源的輸出電壓0～5 000 V可調，采用脈寬調制通過改變電壓的大小調節注入電流。手持信號檢測器用二分法沿故障線路進行地面巡測。對于直流來講，配電線的電感、電容都不起作用，線間電導非常小，可以忽略不計。

如圖1所示，注入直流電流只能通過路徑0123f流入大地，并由大地返回電源點。電流從0點注入，在節點1處，分別對15支路和12支路進行電流測量，結果是支路15的電流為0，支路12的電流為100 mA，由此可知支路12是故障回路的一員，繼續向前巡測，支路23也是故障回路的一員，到節點3進行檢測，支路34有電流，支路37無電流，說明故障點在34分支或在下游，檢測到4點，支路34的電流為0，說明支路34為故障分支，到此，0123為故障路徑，故障點必在故障分支34的某一點上［2］。經過以上幾步完成了故障路徑和故障分支的檢測任務。繼續用直流法檢測下去，最后即可找到故障點。

圖1 直流法示意圖

直流定位法的主要優點包括［3］:(1)直流電流信號在中途沒有衰減，為準確測量提供了條件。(2)線路允許長度不受限制。(3)不怕線路有分支，對直流來講，分支和它的下游若沒有接地故障，就相當于開路。(4)不怕故障點接地電阻，通過調整電源輸出電壓的大小可以保證直流信號的指定數值，只要信號電流保證了，沿線路尋跡就不會出錯。(5)配電變壓器對定位沒有影響，因為配電變壓器的高壓側是不接地的，相當于一個集中電容，對穩態直流電路，電容相當于開路。(6)線路的分布電容不影響定位效果。(7)無功補償電容也不影響定位效果。(8)架空線路中有一段電纜或多個電纜段都不影響直流法的定位效果。

2 直流信號探測器的原理與組成

直流信號探測器利用霍爾檢零原理，采用閉環系統。眾所周知，當電流通過一根長導線時，在導線周圍將產生磁場，這一磁場的大小與流過導線的電流成正比，它可以通過磁芯聚集感應到霍爾器件上并使其有一信號輸出［4］。100 mA直流在霍爾元件上產生的磁感應強度由公式B=μrμ0I/2πr可以得出。理論估算B約為3.3 mT，霍爾輸出的電壓為2.7 mV。經放大電路可以放大約3 V，輸出到電阻R1獲得一個補償電流I2。電流再通過多匝繞組產生磁場，該磁場與被測電流產生的磁場剛好相反，因而可以補償原來的磁場，使霍爾元件的輸出逐漸減小。傳感器輸出電壓UR=(Rn1/n2)與主、次線圈的匝數比成正比，不受霍爾元件最大靈敏度、霍爾元件非線性以及聚磁環非線性的影響。

直流信號探測器的結構如圖2所示，主要由原邊電路、聚磁環、霍爾元件(次級線圈)和放大電路4部分組成。

圖2 鉗形傳感器原理圖

其中聚磁環要求氣隙比較小，故選用高導磁率的CD形鐵芯，在兩個C形鐵芯間隙中加霍爾元件。霍爾元件是利用霍爾效應制成的磁敏半導體元件，具有尺寸小、成本低、性能好的優點。電路采用兩塊霍爾元件，一塊為工作元件，固定置于閉合磁路中。另一塊作為補償元件，它也可以激勵電流，但不置于磁路中，以起到溫度補償和消除霍爾元件不等位電勢誤差的作用，這可采用恒流驅動或恒壓驅動來實現［5］。因為霍爾元件的輸出約在1 mV，所以需要采用兩級運放，第一級放大100倍，第二級放大20倍，可使輸出達到約2 V。

在實際應用中，如果大地磁場穿過霍爾元件，則其輸出電壓VH中必定有大地磁場產生的分量，使得被測信號微弱，故該影響不得不考慮。為消除地磁影響，可采取如下措施［6］:

(1)采用一對靈敏度相同的霍爾元件。由于兩霍爾元件靈敏度相同，并且控制電流也相同，兩個霍爾元件的電壓增加端相并聯，因此大地磁場產生的總霍爾電壓輸出為零，從而消除大地磁場的影響。

(2)采用屏蔽法。在鉗子外殼包一層導磁材料，大地磁場被融離在屏蔽層上，因而不通過霍爾元件，消除了大地磁場的影響。

3 直流信號注入的仿真

配電線路中的分布電感，分布電容，分支點數等都有可能對注入信號產生一定的影響。這里對線路是否存在分支電路進行綜合分析。

在無分支線路中，線路總長24 km，在18 km處經1 kΩ過渡電阻接地，首端加200 mA直流電流，通過ATP進行仿真，如圖3和圖4所示，可以清晰地區分出故障點前后電流，能夠實施定位。

在無分支線路中加上分支進行仿真如圖5和圖6所示，分支線路對注入的電流有一定的影響，但是僅在剛開始很短暫幾μs時間內，穩定以后可以清晰地區分出故障點前后電流。