低壓交流系統絕緣故障監測裝置設計

吳江雄，徐 超，李 河，龍登其，吳文健

（1.廣西電網公司桂林供電局，廣西 桂林 541000；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 510000）

電纜是變電站電能傳送和信息傳輸的重要載體，變電站電纜主要在電纜溝中敷設，電纜溝上鋪設蓋板進行電纜保護。電纜溝中的電纜在運行中的監控通過值班員日常巡視實現，監控手段單一，且無法直接進行觀察，對于電纜發生火災或運行過程中的不安全隱患較難及時發現。

我們將從交流配電技術原理上分析交流系統絕緣故障特征，從應用角度分析交流絕緣故障危害；研究交流絕緣故障檢測方法，提出交流絕緣故障監測裝置設計方案。

1 低壓交流系統絕緣故障特征及危害

1.1 低壓交流配電系統

低壓交流配電系統負荷分為三相平衡負荷、三相不平衡負荷和單相負荷三種類型。絕大多數交流配電系統為接地系統，即在變壓器處中性線抽頭接地。而為保障用電安全，各用電設備的金屬外殼也要求可靠接地。

1.2 低壓交流系統絕緣故障特征

從交流配電系統分析，交流配電網絡線路有相線、N 線、地線，可能發生的絕緣故障有相間絕緣故障、相-N 絕緣故障、相-地絕緣故障和N-地絕緣故障四個類型的絕緣故障。

相間絕緣故障：火線與火線之間出現絕緣故障，絕緣故障電阻與負荷屬于并聯關系，打破原負荷的平衡度，導致的結果是火線電流增加、零線電流增加或減小。

相-N 絕緣故障：火線與零線之間出現絕緣故障，相當于增加一個單相負載，絕緣故障相線與零線出現電流增加。

相-地絕緣故障：火線與地線之間出現絕緣故障，由于站用變中性線可靠接地，也相當于增加一個單相負載，絕緣故障相線與地線出現電流增加。

N-地絕緣故障：N 線是站用變中性線引出，同時在變壓器端可靠接地，N 線絕緣故障點與可靠接地點屬于并聯關系，屬于多點接地。站用交流系統屬電源系統，不用作為保護計量，允許多點接地。所以N 線絕緣故障無危害，可以不作重點關注。

1.3 低壓交流系統絕緣故障危害

綜合分析知，低壓交流系統絕緣故障相當于增加交流電源系統負荷，故障可能引起的危害有火災、損耗電能、損傷變壓器等。

火災：交流系統絕緣故障是增加負荷，由于所變功率很大，而故障所產生的電阻功率不一定夠大，變壓器電壓額定，在電阻夠小的情況下電流會很大，如此功率極大，此時如果故障位置功率不足火災散熱不好，極易引發火災事故。

損耗電能：交流系統絕緣故障是增加負荷，負荷必定損耗電能，所以交流系統絕緣故障必定會損耗電能，造成能源浪費。

損傷變壓器：交流系統絕緣故障是增加負荷，如果負荷功率大且功率足夠、散熱條件良好，故障長期保持，給變壓器增加負擔，變壓器長期超載運行會影響壽命。

2 低壓交流系統絕緣故障檢測方法

在站用交流電源屏饋出支路安裝電流測量CT，監測站用交流系統各饋出支路相電流狀態。監測站用交流系統電壓，通過電流和電壓可計算饋出支路的視在功率。饋出支路設計容量千瓦及以上，站用變功率幾十千瓦或者幾百千瓦，幾瓦或者幾十瓦的絕緣負載對站用交流系統無任何影響，監測難度大。所以站用交流系統的高阻絕緣監測意義不大，監測低阻絕緣故障即可。研究分析知，監測站用交流系統絕緣故障的方法是通過監測系統電壓和饋出支路電流，計算各饋出支路的視在功率Sn，設置各饋線支路正常態視在功率KSn，通過Sn 和KSn 比較計算站用交流系統絕緣故障。

3 低壓交流系統絕緣故障監測裝置設計

3.1 低壓交流系統絕緣故障監測裝置架構

低壓交流系統絕緣故障監測裝置設計由監測主機、監測模塊和電流感應CT 組成。監測主機能夠測量交流系統電壓，通過485 方式下放給各監測模塊；收集模塊數據，運算分析故障情況，依據故障狀態告警；完成人機交互等。監測模塊能夠測量CT 感應的電流，運用電壓、電流計算支路實時視在功率，通過485 回傳給主機；監測模塊能夠設計3 個電流采集通道，可接1～3 個CT，能夠應對三相負荷和單相負荷。

3.2 低壓交流系統絕緣故障監測裝置設計目標

低壓交流系統絕緣故障監測裝置是通過采集交流系統電壓和被監測支路電流評估交流系統絕緣故障，測量電壓和電流是判斷故障的前提，所以對裝置的測量功能提出具體要求，在當前電子工業技術下，這些要求也易于實現，具體要求如下：①交流電壓測量范圍要求為0～300 V。②交流電源測量精度要求為0～80 V 顯示數值，80～180 V 精度為1%，180～250 V 精度為0.5%，250～300 V 精度為1%。③電流采集要求CT 可配置，500 A 以內CT 可選配。④電流測量精度要求為0

3.3 低壓交流系統絕緣監測裝置主要構成部分

通過裝置系統架構設計知，裝置主要由電源部分、主控部分電路、電源采集電路、電流采集電路、通信電路和告警電路等組成。

電源部分：裝置選用75 W 臺灣明偉多路輸出開關電源設計，電源輸出12 V 供給觸摸屏、繼電器與測量模塊電源，5 V 供給主機數字電路與模擬電路工作。其中模擬電路有高壓采集需要隔離電源，數字電路需要3.3 V 電源，該部分電源采用電源芯片從5 V 電源變送輸出。5 V 隔離電源采用金升陽電源公司的0505 隔離電源模塊設計實現。3.3 V 電源采用電源芯片ASM1117 設計，實現5 V 電源轉3.3 V 功能。

主控部分電路：主控CPU 選用STM32F103ZET6。該芯片是ARM 32 位的Cortex?--M3 CPU，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數量眾多的特點。該CPU最快72 MHz 工作頻率，12 通道的12 為AD 通道，多達112個快速雙向I/O 口，多達13 個通信接口，其中有USB2.0 全速接口和SDIO 接口。

電壓采集電路：電壓采集是一個帶隔離的電壓采樣電路；左下角的2405 是一個隔離的DC/DC 電源模塊；上面部分是電壓采樣電路，電壓首先通過R053 的分壓使得光耦（HCPL-7840）輸入電壓控制在0～200 mV 之間，電壓經過光耦（HCPL-7840）的放大后再經過運放（LM358）的放大，搭配運放（LM358）的輸入與反饋電阻使得輸出最高電壓接近AD 的基準電壓，電壓信號完成放大后經過一級低通濾波直接進入CPU 進行AD 采樣。

電流采集電路：線路電流通過CT 感應后，經放大電路，進行二級放大后進行CPU 進行AD 轉換換算。設計3 路電流采集電流。

通信電路：通信電路設計有一片電平轉換芯片SN75LBC184，該芯片完成CPU 信號轉換為485 電平信號，PCB 板上還放置一個4 位接線端子CON2，方便接線到機箱接線端子。裝置主機設計2 路485 電平轉化電路，其中一路用于與測量模塊通信，一路用于與上位機通信；測量模塊設計1 路485 電平轉化電路，用于與主機通信。

告警電路：干接點輸出的驅動電路，繼電器選用的是松下的TX2-12V，具有兩路常開常閉，在本次電路中使用了一路常閉和一路常開，而驅動方式使用的是場效應管方式。裝置設計2 路干接點電路，其中一路輸出絕緣故障，一路輸出裝置故障。

4 小結

本文從電路原理分析切入交流配電系統分析交流系統絕緣故障現象與特征，總結交流絕緣故障危害。依據交流系統絕緣故障特征總結出測量交流系統絕緣故障方法，設計了交流系統絕緣故障監測裝置，并提供了所設計裝置架構、電路等資料。依據文中資料可完成交流系統絕緣監測裝置生產，解決交流系統絕緣故障無監測問題，保障交流系統可靠運行。