基于非接觸式傳感技術的小電流接地定位系統研究

王邦惠++劉斌++梁中會++孫曉晨++王玥婷++胡婷婷++呂志遠

摘 要：我國6～66kV配電網廣泛采用中性點非有效接地方式運行，為小電流接地系統。為提高供電可靠性，站內一般安裝小電流接地選線裝置。目前應用的小電流接地選線裝置多采用暫態選線方法。本文介紹了一種配電網故障定位系統，即在架空線路下方加裝一種采集磁場信號的非接觸式傳感器，通過暫態磁場變化信息再結合站內選線系統進行選線定位。本系統采用的定位方法是將故障區域分成多段，故障數據帶有GPS絕對時間標簽，避免時間不統一引起誤差。該系統與站內選線系統相互配合，極大地提高了定位的準確性，且成本低廉，實施簡單。

關鍵詞：選線 定位 磁場 非接觸式傳感器

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0047-02

我國6～66kV配電網一般采用輻射狀網絡，線路較長、分支眾多、結構復雜，即使確定故障出現也很難查找故障點，需要人工巡線去排查故障，耗時耗力[1]。目前，用于配電網故障定位的裝置主要有兩種：一是故障指示器；二是饋線終端單元。故障指示器依舊需要線路維護人員巡線確認，且容易出現故障，檢修困難，不利于大面積推廣應用。

本文提出一種應用于架空線路，基于非接觸傳感技術的小電流接地故障定位系統，可以進行故障線路區段定位，極大地縮短人工巡線距離，節省了人力、物力，利于及時排除故障。

1 系統架構

站內和站外的設備通過4G網絡連接，所有數據都存貯在站內小電流接地故障選線裝置上。無論站內還是站外的設備都帶有GPS對時模塊。所有的錄波數據都帶有絕對時間標簽。應用于架空線路，基于非接觸傳感技術的小電流接地故障定位系統的系統架構如圖1所示。

1.1 監測單元

監測單元由非接觸傳感線圈、處理單元和4G模塊構成，用于采集接地時線路周圍磁場變化信息，為區段定位提供判據。一套系統包含多個檢測單元，一般主干線首端與末端必須各加裝一個，分支線首端與末端必須各加裝一個，中間部分可視線路長短酌情加裝。

監測單元安裝于三相架空線B相正下方。當線路發生接地故障時，選線裝置啟動進行選線，此時，監測單元開始對故障線路下方周圍磁場信息進行采集處理并打包，通過4G模塊發送到站內主機中。主機對故障信息進行解壓，通過軟件整合各個區段的磁場信息，以此為判據并進行區段定位。

監測單元內置4G模塊，夠無線傳輸且能以極高的速度傳輸數據，比目前家用寬帶ADSL（4G）快25倍，4G信號覆蓋范圍廣，且安裝方便，與傳統通信線纜相比，具有不可比擬的優越性。

1.2 站內選線系統

站內選線裝系統為本公司自主研發，內置暫態算法和穩態算法兩種方法，優先采用暫態法。裝置平時處于息屏工作狀態，當發生接地故障時，母線上出現零壓，選線裝置以此為依據進入激活狀態并開始選線。

1.3 后臺系統

后臺系統為本公司自主研發，位于小電流接地選線裝置內。其主要功能是采集線路故障信息和監測單元傳輸的架空線磁場信息，通過對收集的數據進行處理和運算，確定故障線路和故障點的具體區段，將故障信息上報給調度，并將故障線路名稱和具體區段以短信的形式通知線路維護人員使其快速排除故障，保證配電線路的安全穩定運行。

1.4 GPS對時模塊

GPS對時模塊位于監測單元中的處理單元內，主要作用是對檢測單元采集的磁場信息與選線的零序電流信息打上絕對時間標簽，保證所有的錄波數據都帶有絕對時間標簽。當后臺系統進行區段定位時，避免由于時間誤差導致定位錯誤。

2 工作原理

2.1 選線原理

在SFB內，故障線路零模電流幅值比正常線路大，且極性相反。裝置采樣頻率為7.8kHz，可采到SFB內的點。

根據國家電網規定，系統零序電壓偏移不超過8V，由該信息，選線裝置可設定一個電壓門檻值VP，并實時檢測母線電壓U大小，VP的值一般為25V。

當配電網發生單相接地故障時，由于接地相電壓變為0，母線中點會出現較大的零壓，若

u≥VP （1）

選線裝置啟動并進行采樣，采樣點由采樣頻率決定，一般為78個點。系統對采集到的電流值進行有效值計算。

隨后，裝置對每條線路零序電流的幅值進行比對，選出3條零序電流幅值最大的線路，再通過比較極性最終確定出故障線路。

2.2 區段定位原理

在特征頻段（SFB）內，零模網絡所有線路均可等效為集中參數電容。故障線路故障點至母線區段的監測點監測到的功率主要為所有線路等效電容吸收的無功功率；故障線路故障點至負荷區段監測點檢測到的為監測點到負荷段等效電容吸收的無功功率。因此，可根據故障線路各個監測點的無功功率方向確定故障區段。

為提高區段定位的準確率，減小站內主機的計算量，可將線路分成若干區段，如某條故障線路A，根據故障線路監測單元在本線路的安裝位置進行編號，分解成A1、A2、A3、...AN段，設A1段有a個監測單元，A2段有b個監測單元，A3段有c個監測單元，AN段有n個監測單元。

暫態無功功率為電壓信號的Hilbert變換與電流信號在暫態時段內的平均功率。

其中，零序電壓可由站內選線系統提供，利用空間電磁場感應獲取故障信息，可以獲取暫態故障電流信息。各個區段監測單元檢測到的無功功率可表示為：

對各個區段的無功功率進行數值計算。

i區段有j個傳感器，若

Mi

則i為故障區段，主機調取區段i所有元素，1≤k≤j，

若QAik及之前元素符號都為正，QAik之后所有元素都為

負，或QAik及之前元素符號都為負，QAik之后所有元素都為正，則具體故障區段為QAikQAi（k+1）；。

若對于任意一條線路，都有Mi=j則表示故障點不在區段內，在區段連接處，此時，所有數組內符號都一致，主機提取所有區段符號，1≤k≤n，若Q0Ak及之前區段數組符號都為負，QAik之后所有區段數組符號都為正，則具體故障區段在QAk與QA（k+1）連接處或QAk與QA（k+2）連接處。

3 系統工作流程

（1）站內小電流接地故障選線裝置正常錄波并根據設定的零序電壓啟動門檻值進行檢測，站外線路上監測單元正常錄波并實時接收站內小電流接地故障選線裝置的故障啟動信息。站內和站外裝置的錄波采樣頻率應一致，至少在6.4kHz及以上。

（2）當被監測母線段的出線發生故障時，站內小電流接地故障選線裝置首先啟動，并記錄帶有絕對時間標簽的故障錄波數據，包括啟動前10個周波，啟動后40個周波。啟動后，對50個周波數據，以5ms的時間窗進行計算，找到零序電流信號的最大幅值區段，并根據此區段內數據使用暫態方法進行故障選線。最大幅值區段查找，以5ms內所有采樣點實際值的平均值最大段為最大幅值區段[2]。

（3）站內選線后，并發消息給故障線路上所有非接觸式傳感裝置，并調取數據。發送的消息內容包括帶有絕對時間標簽的啟動時間點、零序電壓及零序電流。零序電壓和零序電流的數據為使用暫態方法進行選線的最大故障區段內的數據。

（4）監測單元，根據要求將帶有絕對時間標簽的零序電壓及零序電流與本身啟動點前后的數據進行計算，并將計算值發送至站內裝置。計算方法包括零序功率方向、零序電流與非接觸式傳感裝置的錄波波形比較等方法。站內裝置根據收取的數據進行比較判斷確定故障區段[3]。

4 結語

配電網一般采用輻射狀網絡，線路較長、分支眾多、結構復雜，即使確定了故障出現也很難查找故障點，需要人工巡線去排查故障，耗時耗力。用于配電網故障定位的方法有很多，但是大多都停留在理論層面，實現復雜。利用本方法進行配電網單相接地故障區段定位，由于采取的是高頻暫態量，不受系統中性點接地方式的影響，無需注入信號，具有實施簡單，適用性強，可靠性較高等優點。在煙臺供電公司進行現場試驗驗證了其可行性。

參考文獻

[1] 董莉娜.10kV配網單相接地故障小波選線方法研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[2] 田薇.基于嵌入式應用的智能絕緣檢測儀設計[J].電子技術與軟件工程，2015（19）：208.

[3] 趙華瑋.一種基于Linux嵌入式的智能瓦斯監測設計[J]. 自動化與儀器儀表，2016（8）：106-107.