用于特高壓站站用電系統的絕緣監測系統研究

2022-02-07 04:37:13陳軒朱超

機電信息 2022年2期

陳軒　朱超

摘要：特高壓輸電不僅可以有效降低輸電損耗，優化資源配置，還可以明顯提高輸電走廊利用率，因此發展特高壓輸電意義重大。而站用電系統作為特高壓變電站的重要組成部分，其安全穩定運行可以為特高壓輸電保駕護航。鑒于此，立足于B型剩余電流檢測，利用LoRa組網構建了絕緣監測系統，該系統不僅可以實現漏電流信息的實時監測與記錄，還可以實現參數閾值的保護自啟動。實驗結果表明，搭建的絕緣監測系統可以很好地滿足站用電系統的要求，為特高壓站的安全穩定運行提供有力支撐。

關鍵詞：特高壓輸電;站用電系統;B型剩余電流檢測;LoRa組網

中圖分類號：TM93 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.001

0 ? ?引言

特高壓輸電在優化電力資源配置、提高輸電走廊利用率和保護環境等方面具有重要意義，故作為電力樞紐的特高壓變電站在電網中的地位尤為重要。而站用電系統是特高壓變電站的重要組成部分，其工作狀態極大地影響著特高壓變電站的運作。站用電系統的絕緣出現問題[1]會產生漏電流，漏電流會對操作人員產生一定威脅，小于10 mA的漏電流對人的影響還不是特別嚴重，但當漏電流達到30 mA時，會導致人員觸電并有一定的生命危險;除此之外，漏電流還會對設備產生損傷，導致電氣火災等事故，存在著嚴重的安全隱患[2-3]。因此，靈敏地檢測出漏電流并及時處理顯得十分重要，目前采取的有效措施是安裝漏電保護器。

漏電保護器在特高壓站站用電系統的保護中一直扮演著不可或缺的角色。傳統的漏電保護器依賴于交流漏電流產生的交變磁場，而對于直流系統，漏電流不能產生交變磁場，傳統保護裝置無法實現保護，因此直流漏電保護技術的研究已不容忽視。同時，隨著站用電系統直流裝置的不斷增加，越來越多的交直流變換環節應用于站用電系統，這就使得站用電系統發生故障時的故障電流除了工頻故障電流外，還可能是不同頻率的交流、平滑直流、脈動直流以及復合交直流。面對這些復雜的情況，傳統的AC型以及A型漏電保護器無法形成保護，甚至會在發生直流漏電時失去對交流漏電的保護功能，成為特高壓站站用電系統的重大隱患。

交直流混合漏保也稱B型漏電保護[4-5]，國外對其研究起步較早，且制定了許多標準性的文件，目前國內標準也在不斷完善中。但由于該技術難度較高以及國外的壟斷，為了打破現狀，實現對交直流電網所必需的核心技術和核心基礎裝置的把控，亟需研究和開發可靠性高、成本低的交直流漏電保護關鍵技術及核心部件。

本研究以B型剩余電流檢測保護為突破口，開發智能開關與檢測保護裝置，同時結合物聯網通信技術，開發具備實時監控、遠程報警等功能的在線監控系統，推進電網安全升級與泛在電力物聯網建設。

1 ? ?基于磁通門電流傳感器的漏電保護技術

1.1 ? ?磁通門電流傳感器的工作原理

磁通門傳感器主要應用磁通門理論[6-7]，具體來說是利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量弱磁場。相較于其他類型磁傳感器，磁通門傳感器具有分辨率高、穩定性良好、弱磁場測量范圍較寬、能夠直接測量磁場分量等優勢。與此同時，不同于某些電流傳感器只對交流有效的情況，磁通門電流傳感器對交直流均起作用。

圖1展示了磁通門電流傳感器的工作原理：激勵繞組與檢測繞組同時纏繞在磁芯上，在與磁芯相垂直的方向上有一個電流I，它會產生一個環形磁場Ho，進而影響磁芯內的磁場B，磁芯內磁場的改變會通過檢測線圈的電壓信號表現出來，信號所含各諧波中對磁芯內磁場影響最大的是二次諧波，利用這一點可以濾除檢測線圈上除二次諧波以外的電壓信號。濾波后所得到的二次諧波電壓，不僅其正負可以作為要檢測的電流方向的參考，而且其幅值與要檢測的電流也是近似成正比的。

1.2 ? ?漏電保護技術

直流漏電磁通門傳感器系統以高磁導率磁芯為基礎，磁通門技術的芯片開發為核心，進行高度集成的磁通門原理SoC傳感芯片開發，并涉及數模混合信號技術研發、單芯片SoC研發、可編程技術研發，融各類技術于一體，組成超小型模組，實現直流漏電磁通門傳感器模塊的自動化、低成本和大批量生產。

直流漏電磁通門傳感器檢測原理如圖2所示。

漏電保護器是由電流互感器作為其檢測元件，這種互感器一般由環形鐵芯和繞組構成;其中激勵源能夠周期性翻轉接收信號，輸出絕對值相等、極性相反的方波電壓;由檢測控制模塊判斷激磁電流是否達到閾值，并分析激磁電壓或激磁電流波形。

圖3（a）為無漏電流時的波形示意圖。在正半周期中，方波激勵源發出的正電壓使得磁芯被正向磁化。磁芯正向飽和時，其發出正向激磁電流的強度達到閾值，觸發檢測控制模塊發出翻轉信號，方波信號進入負半周期。此時磁芯被反向磁化，達到飽和時，反向激磁電流再次觸發翻轉信號，周期結束。由于此時輸入、輸出電流對稱，磁芯完全由方波信號磁化，故激磁電流的波形對稱。

當電流中存在正向漏電流時，漏電流額外的磁化作用會導致磁芯提前達到飽和，激磁電流波形下移，如圖3（b）所示。故只要檢測激磁電流的對稱性，就可以對各種類型的漏電流進行檢測。

2 ? ?絕緣監測系統設計

2.1 ? ?整體功能框架設計

本研究的對象為B型剩余電流動作斷路器，主要包括兩大部分：斷路器部分和對B型剩余電流進行檢測以及控制斷路器執行跳閘的電子部分（漏電檢測及執行模塊），兩部分的組合及接線方式如圖4所示。漏電檢測及執行單元內部含有較多的功能單元，2.2中會有單獨的介紹。斷路器部分接線分為進線端和出線端，分別實現斷路器的進線與出線的通斷功能，傳統的漏電保護斷路器電子部分采用后端取電，即從斷路器的出線端取電。當斷路器跳閘后，電子部分也掉電失效，重新合閘才能恢復工作。而本研究的B型漏保（圖4）采用前端/后端雙取電，前端取電對核心處理單元等功能單元供電，保證跳閘后不斷電，實現智能化實時在線的功能;后端取電對脫扣控制單元等供電，跳閘后切斷電源，保護電子器件不受損壞。

2.2 ? ?漏電檢測及執行模塊功能設計

本研究的漏電檢測及執行模塊，其內部功能組成如圖5所示，包括電源單元、核心處理單元、LoRa無線單元、脫扣控制單元和漏電檢測單元。電源單元從進線端取電，將交流電整流濾波后再進行AC/DC轉換，變成穩定的低壓直流電供給核心處理單元、漏電檢測單元及LoRa無線單元。漏電檢測單元將檢測到的漏電流進行轉換，變成核心處理單元可識別的信號后進行采集，計算出當前的漏電流值，核心處理單元再把漏電流值實時傳遞給LoRa無線單元，讓其上傳到主站。核心處理單元同時根據當前的漏電流值與門限值進行比較，達到跳閘門限時，對脫扣控制單元進行控制，脫扣控制單元動作帶動斷路器進行跳閘。

2.3 ? ?脫扣控制單元設計

上文提及的脫扣控制單元如圖6所示，在傳統漏保開關的基礎上進行改進，增加了斷路器分合閘狀態檢測的功能，可以判斷其處于合閘狀態還是斷開狀態，再將斷路器的狀態信息傳遞給核心處理單元，最后由LoRa無線單元發出，目的是讓主站知道此斷路器現在處于何種狀態。

脫扣控制單元從出線端取電，進行整流后再經過一個反饋光耦，最終到穩壓電路中形成狀態回路。光耦內部由發光二極管與受光器組成，利用發光二極管狀態對受端進行作用：當出線端有電時為合閘狀態，此時光耦輸出一種狀態;跳閘之后，出線端斷電，此時光耦輸出另一種狀態。狀態信息傳輸到核心處理單元中，就可以利用光耦狀態來實現對斷路器分合閘狀態的長期在線監控。

2.4 ? ?LoRa組網設計

LoRa網絡可實現多節點、低功耗的遠距離通信[8-11]，每一個漏保開關都組成一個節點，內部采用433 MHz LoRa無線模塊，采用定制協議將漏電數據、斷路器分合閘狀態等信息傳遞給一定范圍的一個基站，再由基站通過4G網絡上傳到云端服務器，云端服務器開通接口，可以通過手機App及PC進行訪問，查看每一個節點開關的數據及狀態，實現實時監控的目的。圖7為LoRa組網設計邏輯。

3 ? ?實驗驗證

本文首先對高靈敏自適應磁通門傳感技術進行了實驗驗證，實驗表明，系統可以實現高靈敏漏電流檢測，檢測靈敏度達到60 μA。在此基礎上開發了新型B型直流漏電保護開關裝置，對相關1 kHz高頻剩余電流、平滑直流剩余電流、兩相整流剩余電流以及復合波進行了檢測并執行動作，各類電流波形如圖8所示，波形具體參數信息如表1所示。

然后使用B型剩余電流測試臺對研發的高可靠性B型RCD性能進行測試，如圖9所示，測試結果符合標準文件[12]的動作測試要求。

基于已經驗證過的B型漏電保護開關，本研究開發了一套站用電系統的在線監控系統，引入LoRa無線通信、邊緣計算等物聯網技術，形成完備的實時在線監控系統，漏電流信息經邊緣計算后，通過LoRa無線通信技術經外置基站由4G公網上傳至電力智能控制平臺，具備實時監控、遠程應急處理等功能。圖10為本研究搭建的系統實驗平臺。

圖10僅展示了平臺一個節點，實際運用中每個漏保開關都將成為一個節點，內部均采用433 MHz LoRa無線模塊，并采用定制協議將漏電數據、斷路器分合閘狀態等信息傳遞給一定范圍的一個基站，再由基站通過4G網絡上傳到云端服務器，云端服務器開通接口，可通過手機App及PC進行訪問，查看每一個節點開關的數據及狀態，實現實時監控的目的。圖11為本研究搭建平臺的上位機報警記錄展示。

4 ? ?結語

本研究開發了B型智能漏電保護開關、監控盒等硬件裝置，并在此基礎上開發了用于特高壓站站用電系統的在線絕緣監測系統，為當前站用電系統的直流漏電問題提供了低成本的完整解決方案。本研究成果可直接應用于全國各種場合的站用電系統絕緣監測，具有廣闊的應用前景。

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