黃新波，張斌，石杰，陳小雄

(西安工程大學電子信息學院，西安市 710048)

基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)

黃新波，張斌，石杰，陳小雄

(西安工程大學電子信息學院，西安市 710048)

研發(fā)了基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了輸電線路雷擊故障點的精確定位。重點介紹了導線互感取能單元的設計、實驗驗證及特性，該系統(tǒng)采用羅氏線圈作為電流互感器實現(xiàn)對雷電電流信號的捕捉，采用GSM無線網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測終端和監(jiān)控中心的通信及報警，采用ZigBee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)三相監(jiān)測終端間的通訊。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)輸電線路雷擊故障點的精確定位。

雷擊故障點定位；導線互感取能；電流互感器；GSM；ZigBee

0 引 言

輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，將巨大的電能輸送到四面八方，是連接各個變電站、各重要用戶的紐帶，輸電線路的安全運行，直接影響供電的可靠性和穩(wěn)定性[1]。雖然采取了各種防雷措施[2-3]，但雷擊故障依然是輸電線路的主要故障，據(jù)統(tǒng)計輸電線路雷擊事故占電網(wǎng)總事故的70.6%。電力系統(tǒng)輸電線路距離長、跨度大，受雷擊的幾率高[4-7]。當架空輸電線路桿塔遭到雷擊后，塔頂電位瞬間升高，當絕緣子串上的過電壓達到或超過絕緣子串的50%沖擊放電電壓時，便發(fā)生反擊，引起絕緣子串閃絡，導致線路發(fā)生跳閘事故。

雷擊故障發(fā)生后，需要線路維護人員盡快確定遭受雷擊的桿塔位置，迅速消除線路故障。但是由于雷擊事件的隨機性、破壞性和隱蔽性，使用傳統(tǒng)的查找方法不僅效率低、時間長、勞動強度大，而且有的故障點難以定位，極有可能成為以后發(fā)生線路事故的嚴重隱患。因此，研制一套可以快速、準確定位雷擊故障點的裝置尤其重要。

同時，由于系統(tǒng)在線監(jiān)測終端安裝環(huán)境的特殊性，對供電電源的設計提出了更高的要求。目前輸電線路在線監(jiān)測設備的供電方式主要采用太陽能和風能等[8]，國內(nèi)少數(shù)公司應用了導線互感取能的方式。但是，在沒有或無法利用電網(wǎng)供電的條件下，無論是太陽能、風能還是導線互感取能，其電源的產(chǎn)生都是間斷或不穩(wěn)定的。尤其是太陽能，其來源于白天的太陽光，當沒有太陽光時，太陽能電池板是無法產(chǎn)生電能供系統(tǒng)使用的，導致系統(tǒng)無法正常運行，從而無法實現(xiàn)在線監(jiān)測的連續(xù)性。

為了提高雷擊故障點定位精度以及解決系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定供電的問題，本文設計了基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)。采用導線互感取能加鋰電池的方式供電，即使電網(wǎng)停電，系統(tǒng)在鋰電池電能的供應下仍能正常工作長達2個月，可繼續(xù)監(jiān)測輸電線路的雷擊故障點，將其精確定位到輸電線路桿塔的絕緣子串，為及時搶修爭取寶貴的時間。

1 雷擊故障定位理論

1.1 傳統(tǒng)雷擊故障定位理論

傳統(tǒng)的雷電定位方法主要有雷電定向定位、雷電時差定位和這2種方法配合使用的綜合定位法3種[9-11]。而這3種方法的原理均是利用安裝在不同位置的各個探測站探測雷電發(fā)生時產(chǎn)生的電磁波信號，或利用三角定位、GPS時鐘差定位，或幾種方法配合使用以達到定位雷電的目的。但傳統(tǒng)方法的劣勢也顯而易見：(1)頻譜豐富的雷電波，在傳播過程中因受地形等因素影響而產(chǎn)生衰減變形，導致到達探測站的波峰存在時間標定誤差，或者定向定位方法中出現(xiàn)偽雷擊點等問題，增加了確定雷擊點的分析難度[12]；(2)傳統(tǒng)的雷擊故障定位依托于雷電定位系統(tǒng)(lighting location system, LLS)，但精度只能控制在km級范圍，并且對于因為雷擊而導致的閃絡以及繼而產(chǎn)生的危害電網(wǎng)的故障監(jiān)測網(wǎng)絡無法快速主動識別定位，仍需要人力巡線排查；(3)LLS需要建立大量的雷電探測站以提高定位精度，這樣就使得安裝成本大為增加。

1.2 本系統(tǒng)雷擊故障定位理論

基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)的原理，主要是通過在雷擊高發(fā)區(qū)的雷擊高發(fā)線路桿塔安裝本系統(tǒng)，對導致絕緣子串閃絡的雷擊電流進行監(jiān)測；并通過GSM、ZigBee無線網(wǎng)絡將桿塔相別雷擊閃絡信息傳回至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心以屏幕直觀、聲光報警及以手機短信等形式將具體雷擊閃絡信息發(fā)送至執(zhí)勤人員，以完成對輸電線路雷擊故障點的精確定位。該系統(tǒng)相對于LLS具有以下優(yōu)勢：(1)監(jiān)測對象不是雷電波，所以不涉及大量而復雜的數(shù)據(jù)分析和模型計算，從而避免了由此而產(chǎn)生的誤差；(2)因為是對3個相別的絕緣子串都進行監(jiān)測，所以定位精度大為提高，其可定位至線路桿塔的某相絕緣子串；(3)因為不需要安裝探測站、中心站等高成本設備，使得安裝成本大為降低，只需在雷擊高發(fā)區(qū)的雷擊高發(fā)線路擇塔安裝即可。

本系統(tǒng)雷擊故障定位理論示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)故障定位理論示意

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)主要分為三大部分，即監(jiān)控中心、無線通信(GSM、ZigBee)網(wǎng)絡和線路在線監(jiān)測終端，如圖2所示。線路監(jiān)測終端分為A、B、C三相監(jiān)測終端，分別對三相絕緣子串進行監(jiān)測。當各相線路遭受雷擊時，A、C相監(jiān)測終端通過ZigBee無線網(wǎng)絡向B相監(jiān)測終端發(fā)送信號；B相監(jiān)測終端微控制單元(micro control unit, MCU)進行中斷響應，調(diào)取GSM通信單元，通過GSM網(wǎng)絡以手機短信的形式將報警信息發(fā)送至監(jiān)控中心上位機；監(jiān)控中心專家軟件對信息進行分析后以手機短信的形式通知工作人員線路雷擊故障點詳細信息。工作人員配有手持巡檢儀，通過ZigBee無線通信和線路監(jiān)測終端進行通訊，以方便工作人員到達現(xiàn)場后再次確認雷擊閃絡信息[13]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3 互感取能設計及實驗

3.1 互感取能線圈設計原理

采用交流輸電方式的高壓輸電線路中有交變的大電流[14-15]，根據(jù)電磁感應原理，線路周圍會產(chǎn)生交變磁場，如果將次級繞組放置在交變磁場中，則次級繞組上將產(chǎn)生電能，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖

穿心電流信號i0(t)和二次線圈兩端的感應電壓，即輸出信號e(t)的關(guān)系為

(1)

(2)

式中：M為互感；N為二次線圈匝數(shù)；S為磁芯截面積；l為磁路長度。

由式(1)、(2)可以得出，輸出信號e(t)的大小與i0(t)的變化率成正比[16]，變化率一定時，可得到穩(wěn)定輸出的電壓信號。

開合式導線互感取能線圈(可視為二次線圈)套在輸電導線上，將產(chǎn)生的電能引出經(jīng)過整流、穩(wěn)壓、降壓等一系列處理后形成穩(wěn)定直流電壓，可向系統(tǒng)和鋰電池供電。導線互感取能如圖4所示。

圖4 導線取能示意圖

3.2 實驗驗證及特性分析

基于上述原理，對整個導線互感取能供電單元進行了模擬實驗驗證及特性分析。搭建的實驗平臺包括升流器、導線互感取能供電單元(取能線圈、取能處理電路板、降壓控制板、8 V鋰電池組、負載功率電阻、測量儀表等)。通過升流器和實驗線路來模擬高壓輸電線路，升流器由220 V電壓供電，輸出電流可在0～2 kA間調(diào)節(jié)。

測試過程中測試點選取范圍為50～500 A，每隔10 A測取1次數(shù)據(jù)。將輸出電流功耗、負載及空載時的輸出電壓等測試數(shù)據(jù)繪制成特性曲線，如圖5所示。

圖5 測試特性曲線

由圖5可知，本系統(tǒng)設計的導線互感取能供電單元具有功耗低、輸出直流電壓穩(wěn)定的特點，滿足系統(tǒng)取電要求。將穩(wěn)定輸出的直流電壓經(jīng)過降壓控制板調(diào)節(jié)后，可向?qū)﹄妷阂蟛煌母鱾€模塊進行供電。經(jīng)過調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)設計的導線互感取能單元可滿足不同的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電要求，進一步擴大其應用范圍。

4 硬件、軟件設計概述

4.1 硬件設計

監(jiān)測終端的硬件設計主要由供電單元、信號處理單元、無線通信單元等部分組成。

4.1.1 供電單元設計

本系統(tǒng)采用的是導線互感取能加鋰電池的供電方式，為了得到穩(wěn)定的電壓并滿足系統(tǒng)各部分的不同電壓要求，設計了導線互感取能控制電路及電源控制電路，整個供電單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 供電單元結(jié)構(gòu)

4.1.2 信號處理單元設計

信號處理單元包括雷電電流傳感器和信號處理電路2個部分。采用Rogowski線圈[17-18]電流傳感器，即雷電電流羅氏線圈來監(jiān)測流經(jīng)絕緣子串表面的雷電電流，它的原理是磁耦合原理，沒有磁飽和現(xiàn)象。根據(jù)安培定律，雷電電流流過絕緣子串表面時，會在絕緣子串周圍產(chǎn)生一個電磁場。然后根據(jù)電磁感應定律，由于雷電電流幅值大、時間短，產(chǎn)生的電磁場增幅大，因此雷電電流羅氏線圈會感應出一個電流信號。羅氏線圈雷電電流感應原理如圖7所示。

由于雷電電流很難捕捉，為了測試雷電電流羅氏線圈性能，利用大電流發(fā)生器產(chǎn)生8/20 μs沖擊電流來模擬標準雷電電流進行測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制出了雷電電流羅氏線圈的特性曲線，如圖8所示。

信號處理電路的作用是將雷電電流羅氏線圈感應出的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成MCU可安全接收處理的小信號。為此，設計了TVS(transient voltage suppresson)保護電路、放大電路、比較電路、光耦隔離電路，輸出一個高電平作為MCU可接收并響應的中斷信號，信號處理電路硬件框圖如圖9所示。

圖8 雷電電流羅氏線圈特性曲線

圖9 信號處理單元硬件框圖

4.1.3 無線通信單元

無線通信單元包括GSM網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡[19]。GSM網(wǎng)絡的作用是連接在線監(jiān)測終端、監(jiān)控中心和執(zhí)勤人員，以手機短信的形式通過GSM網(wǎng)絡完成終端信息設置、報警等功能。

ZigBee網(wǎng)絡主要是實現(xiàn)A、B、C三相監(jiān)測終端之間的通信。因為B相監(jiān)測終端是主監(jiān)測終端，所有的報警信息及報警動作均由B相監(jiān)測終端完成，A、C相監(jiān)測終端則通過ZigBee無線網(wǎng)絡向B相發(fā)送報警報文，三相監(jiān)測終端間的通信如圖10所示。

4.2 軟件設計

監(jiān)控中心專家軟件是在Windows XP操作平臺下運用Microsoft Visual C++和SQL Server 2000來設計的，可實現(xiàn)對在線監(jiān)測終端遠程操控、直觀顯示線路雷擊信息并記錄等功能，其設計架構(gòu)圖如圖11所示。

圖10 監(jiān)測終端間的通信

圖11 專家軟件設計架構(gòu)圖

5 應用效果評價

5.1 響應時間實驗

系統(tǒng)在設計完成后進行了大量的模擬實驗，實驗主要測取系統(tǒng)工作時不同過程的反應時間。包括A、C相線路遭受雷擊閃絡時，從雷擊信號觸發(fā)監(jiān)測終端啟動，到通過ZigBee向B相監(jiān)測終端發(fā)送中斷信號，并觸發(fā)其啟動的時間t1、t2；從B相監(jiān)測終端啟動，到監(jiān)控中心上位機收到雷擊報警短信的時間t3；從監(jiān)控中心上位機收到報警短信，到將詳細報警短信發(fā)送至工作人員手機的時間t4；從手持巡檢儀向B相監(jiān)測終端發(fā)送查詢，到收到反饋數(shù)據(jù)的時間t5。各個時間示意如圖12所示，實驗數(shù)據(jù)如圖13所示(t1、t2、t5具體時間以實際距離為準，對應左側(cè)縱坐標，t3、t4具體時間取決于實際GSM網(wǎng)絡信號強度，對應右側(cè)縱坐標)。

5.2 現(xiàn)場安裝運行

本系統(tǒng)已經(jīng)在內(nèi)蒙古超高壓供電局成功安裝運行，目前運行狀態(tài)良好?，F(xiàn)場安裝如圖14所示。

6 結(jié) 論

本文設計的基于導線互感取能的輸電線路雷擊故障點定位系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的輸電線路雷擊定位裝置，具有以下優(yōu)點：

圖12 測試時間示意圖

圖13 實驗數(shù)據(jù)

圖14 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖

(1)采用在雷擊高發(fā)區(qū)的高發(fā)線路擇塔進行小范圍安裝的方式，對三相絕緣子串進行監(jiān)測，快速而精確地主動定位閃絡故障點至某相絕緣子串。

(2)采用導線互感取能加鋰電池的方式供電，在效率、可靠性、穩(wěn)定性、續(xù)航性等方面均優(yōu)于“風光互補”加蓄電池方式甚至同類供電方式。

(3)采用雷電電流羅氏線圈作為傳感器采集雷電電流信號，可以快速而準確地捕捉瞬態(tài)雷電電流信號并轉(zhuǎn)換成電壓信號以便電路可識別并進一步處理。

(4)三相監(jiān)測終端之間的通信采用ZigBee技術(shù)組成小型無線網(wǎng)絡，使得數(shù)據(jù)的傳輸更加便捷。

(5)監(jiān)控中心對輸電線路的各相絕緣子串進行實時監(jiān)測，并可直觀顯示故障點，將每次雷擊信息進行記錄以便查閱。

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(編輯：張小飛)

TransmissionLineLightingFaultLocatingSystemBasedonConductorMutualInduction

HUANG Xinbo, ZHANG Bin, SHI Jie, CHEN Xiaoxiong

(College of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

A new location system of lighting faults in transmission lines based on mutual induction was designed by which the precise location of lighting faults in transmission lines could be realized. This paper focused on line mutual induction unit’s design, experimental verification and characteristics. The system used the Rogowski coil current transformer to capture the lightning current signal, realized the communication and alarm between monitoring terminal and control center by using GSM wireless network, and the communication among three phases monitoring terminal by using ZigBee wireless network. The results show that this system can precisely locate the lighting faults of transmission lines.

lighting fault location; conductor mutual induction; current transformer; GSM；ZigBee

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2009CB724507-3)；國家自然科學基金項目(51177115)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC13)；教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”項目(NCET-11-1043)。

TM 755

： A

： 1000-7229(2014)09-0022-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.005

2014-03-15

：2014-05-22

黃新波(1975)，男，博士(后)，教授，碩導，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，E-mail：huangxb1975@163.com；

張斌(1989)，男，碩士研究生，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究；

石杰(1990)，男，碩士研究生，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究；

陳小雄(1988)，男，碩士研究生,主要從事智能電網(wǎng)輸變電設備在線監(jiān)測理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究。