程樂峰，余 濤

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

配電網(wǎng)臨時(shí)接地線檢測是配電作業(yè)重要的一環(huán)［1-2］。配電網(wǎng)檢修和改造過程中，必須掛接臨時(shí)接地線，以保證工作人員的人身安全。在作業(yè)完成后，必須拆除接地線以及相關(guān)的裝置，變電站才能合閘送電［3-4］。若在合閘送電之前，仍存在接地線沒有完全拆除的情況，便會(huì)發(fā)生帶接地線合閘送電的惡性事故。帶接地線合閘會(huì)造成三相短路，短路發(fā)生后，線路中的電流驟增，不僅會(huì)破壞配電設(shè)備，造成大范圍停電，引起大量的負(fù)荷損失，影響工業(yè)用電，還會(huì)危及電力工作人員的人身安全。

為了防止帶接地刀閘或接地線送電這一惡性誤操作事故的發(fā)生，變電站會(huì)裝設(shè)五防系統(tǒng)，通過一系列邏輯判斷和電氣連鎖及機(jī)械鎖具進(jìn)行閉鎖，這對防止誤操作事故的發(fā)生起到了一定的作用［5-6］。盡管五防系統(tǒng)可以防止帶接地線合閘這一電氣誤操作事故，但它還存在嚴(yán)重不足：現(xiàn)有的五防裝置不能解決檢修線路上的臨時(shí)接地線安全拆卸問題［7-9］；不能用于線路檢修進(jìn)行安全監(jiān)視而導(dǎo)致出現(xiàn)漏拆接地線的可能性［10］；不能反饋信息使調(diào)度人員了解接地線拆除情況，導(dǎo)致調(diào)度誤下命令合閘送電［11］。

在高壓輸電網(wǎng)以及變電站中，已經(jīng)出現(xiàn)了不少監(jiān)測系統(tǒng)［12-13］和檢測裝置［14-15］。 但由于配電網(wǎng)的復(fù)雜性以及檢測原理的差異性，這些設(shè)備在10 kV及以下電壓等級配電網(wǎng)中并不適用。

已有的配電網(wǎng)接地線檢測技術(shù)研究［16-24］或多或少存在一定的檢測局限性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方面的問題，沒有太大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對配電網(wǎng)復(fù)雜的電氣環(huán)境的適應(yīng)性較差，難以滿足工程上大規(guī)模推廣的實(shí)際需要。

為了獲得造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣的新型接地點(diǎn)智能檢測裝置，本文提出一種基于三相對稱電壓注入法的配電線路臨時(shí)掛接地線檢測方法，并開發(fā)了檢測裝置。該裝置的逆變單元產(chǎn)生某中頻段且頻率可調(diào)的三相對稱電壓檢測信號，并注入配電檢修或改造線路，對三相回路進(jìn)行檢測（三相回路由裝置、待測線路、大地、臨時(shí)掛接地線和裝置接地線等構(gòu)成）；提取三相回路電流采樣信號，經(jīng)濾波、調(diào)理放大后送入裝置CPU進(jìn)行綜合判斷分析。通過模擬三相短路過程，采集回路電壓、電流信號，識(shí)別線路檢測回路是否閉合，進(jìn)而判斷是否存在未拆或漏拆接地線，并顯示檢測結(jié)果，以便檢修人員快速查找并拆除臨時(shí)掛接地線。所提檢測方法和開發(fā)的檢測裝置對于安全合閘送電、防止帶地線合閘惡性事故的發(fā)生具有十分重要的意義。

1 檢測原理

圖1為檢測原理示意圖。由圖可見，發(fā)生三相短路后，若不考慮裝置自帶限流電阻，則每一相的電流計(jì)算值為：

圖1 檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle

其中，uf為注入電壓信號（單位為V）；r0為線路單位長度電阻（單位為Ω／km）；x0為線路單位長度電抗（單位為 Ω／km），x0=ωL0=2πfL0，L0為線路單位長度電感（單位為H／km），f為逆變橋輸出的注入電壓信號頻率；l為測試線路接地點(diǎn)與測量點(diǎn)距離；Rx為等效接地電阻，Rx=RG1+RG2。

為了排除接地電阻的影響，以極坐標(biāo)形式表示，假定注入電壓信號為U∠0°，電流信號為I∠，將電壓、電流代入式（1）中，得：

令：U ／I=R，注入電壓信號頻率為 f，ω=2πf，線路呈感性，電壓相角超前電流，即為負(fù)角度且-180°<<0°。 將式（2）等號兩邊展開，實(shí)部和虛部對應(yīng)相等。則有：

利用式（3）即可求得測量點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離l：

由式（4）可知，測量點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離l與等效接地電阻 Rx無關(guān)，只與 U、I、φ、f和 L0有關(guān)。 當(dāng)?shù)趇次注入電壓信號頻率為fi時(shí)，相應(yīng)的測量點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離li為：

其中，A=-1 ／（2πL0），為常數(shù)。

由此可得l正比于電壓和電流的幅值比值、注入信號頻率倒數(shù)及電壓和電流相角差的正弦值，即：

因此，在得到大量的 li（i=1，2，…，n）后，可使用最小二乘法或加權(quán)法進(jìn)一步求出等效的較優(yōu)的l，如采用加權(quán)法，給每個(gè) li（i=1，2，…，n）賦予一個(gè)加權(quán)系數(shù) ki（i=1，2，…，n），該系數(shù)與測量所處環(huán)境、所選測量信號具體頻率等有關(guān)。式（1）—（6）未考慮裝置自帶電阻，在實(shí)際測量過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要加一個(gè)限流電阻，以防電流過大燒毀儀器或危及測量人員安全，計(jì)及該限流電阻，則測量點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離計(jì)算闡述如下。

在每組頻率（頻率為 fi，i=1，2，…，n）信號注入下，對回路三相電流進(jìn)行采樣，利用數(shù)字信號處理器（DSP）計(jì)算其幅值和相角，記為 IA∠A、IB∠B、IC∠C，一般線路呈感性，則A、B和C取負(fù)值。假設(shè)A相注入電壓信號為UA∠0°，以A相為基準(zhǔn)，則 B、C相注入電壓信號分別為UB∠-120°和UC∠120°，則根據(jù)圖1，可得三相回路方程為：

其中，R1、R2、R3分別為裝置內(nèi)部 A、B、C 相上自帶的限流電阻；RLA、RLB、RLC分別為 A、B、C 相線路電阻；lA、lB、lC分別為 A、B、C 相線路測量點(diǎn)與接地點(diǎn)間的距離；XLA=x0lA，XLB=x0lB，XLC=x0lC；φA、φB和 φC分別為A、B、C相電流滯后對應(yīng)電壓的相角，取負(fù)值，可通過裝置測量或計(jì)算得到；IA、IB、IC和 UA、UB、UC分別為回路三相電流和電壓幅值，IA、IB和IC可通過裝置測量或計(jì)算得到，由于采用三相對稱電壓信號，有UA＝UB＝UC=U。

在每組頻率對稱電壓信號（頻率為fi）下，根據(jù)式（1）—（6）的方法展開式（7），比較等號兩邊的實(shí)部和虛部，可計(jì)算得到各相的接地距離lA、lB和lC如式（8）所示。

對于式（8），可知計(jì)算的 A、B、C 相接地距離與接地等效電阻Rx及裝置內(nèi)每相自帶的限流電阻Rj（j=1，2，3）無關(guān)，仍然滿足式（6）的關(guān)系，即與每相注入的電壓和電流信號幅值比值、信號頻率倒數(shù)、電壓和電流相角差的正弦值成正比。從另一方面看，若線路參數(shù)嚴(yán)格一致，裝置自帶限流電阻也一致，即RLA=RLB=RLC、R1=R2=R3，則輸出三相電流相量也是對稱的，且滿足相量和為零，這樣流過等效接地電阻上的電流為零，相當(dāng)于接地電阻上始終為零電位，與接地電阻大小無關(guān)。短路掉線路上感應(yīng)的對地電容電流，消除其給裝置和操作人員帶來的危險(xiǎn)，這也是采用對稱三相電壓信號注入檢測的原因之一。

根據(jù)式（8），對于每組頻率的注入信號下，計(jì)算分別得到每相的接地距離 lAi、lBi和 lCi，取 lAi、lBi和 lCi的算術(shù)平均值作為該組頻率fi下確定的接地距離lfi：

令n=100，根據(jù)式（10）測量得到100組接地距離數(shù)據(jù)集合，即｛lf1，lf2，…，lf100｝，取這 100 組數(shù)據(jù)的均方根平均值，可最終得到一個(gè)較佳的接地距離l，即：

l的計(jì)算值可在確定存在接地線的情況下輔助檢修工人及時(shí)查找接地線并進(jìn)行拆除，提高工作效率。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為檢測裝置的總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖。圖中，檢測裝置主要由數(shù)據(jù)處理芯片TMS320F2812、三相逆變電壓源、線路殘壓檢測單元、電流信號采樣單元、注入電壓信號采樣單元、液晶顯示和按鍵輸入電路組成。檢測裝置充分利用數(shù)據(jù)處理芯片的AD轉(zhuǎn)換模塊、PWM波輸出模塊、GPIO輸出模塊，實(shí)現(xiàn)對電壓電流信號的精確采樣、三相逆變電源幅值和頻率控制以及對繼電器的開關(guān)控制。三相逆變電源與待檢測線路通過繼電器相連，當(dāng)殘壓過大時(shí)，繼電器動(dòng)作，保證操作人員和接地線檢測儀的安全。

圖2 裝置硬件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Hardware design of device

2.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)

電流采樣信號由采樣電阻上的電壓獲得，其值在mV級別，為了對電流信號進(jìn)行處理，利用采樣INA118芯片對電流信號進(jìn)行放大。圖3為一個(gè)通道的電流采樣單元的電路設(shè)計(jì)原理圖。

INA118具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，適合對各種微小信號進(jìn)行放大。INA118獨(dú)特的電流反饋結(jié)構(gòu)使得它在較高的增益下也能保持很高的頻帶寬度。由3個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，且可通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益。

由于DSP允許的采樣信號為0～3 V，因此通過INA118芯片將交流信號升至1.5 V之內(nèi)，并通過運(yùn)算放大器升至1.5 V，從而保證采樣信號在DSP的允許范圍之內(nèi)［25-26］。

基于DSP2812的快速計(jì)算與處理能力，電流采樣信號在送達(dá)DSP后進(jìn)行數(shù)字濾波，從而極大地簡化了電路設(shè)計(jì)，減小了工頻電路信號的干擾。

圖3 電流采樣單元電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 Circuitry design of current sampling unit

2.2 信號源電路設(shè)計(jì)

通過PSCAD／EMTDC建模并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明由于分布電容的存在，輸電線路中注入信號頻率越高，則分布電容上流過的電流越大，極大地影響了檢測精度。同時(shí)為了排除線路中干擾信號的影響，信號頻率應(yīng)與工頻信號錯(cuò)開。綜合以上因素，最終選取500 Hz內(nèi)的中頻段信號作為信號源頻率，并通過仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

為了滿足便攜式測量的要求，檢測裝置采用12 V可充電鋰聚電池作為電源輸入。由于三相逆變電壓幅值為10 V左右，因此需要通過升壓電路將電壓從12 V升高到20 V以上。裝置采用“Boost升壓+三相全橋逆變”的技術(shù)方案，如圖4所示。

圖4 信號源方案設(shè)計(jì)Fig.4 Schematic design of signal source

Boost電路將輸入的12 V電壓升壓為20 V以上的直流電壓，DSP2812輸出3對互補(bǔ)的PWM波控制MOS管的通斷，然后經(jīng)過LC濾波電路得到10 V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。檢測裝置的MOS管采用IRF540，MOS管驅(qū)動(dòng)芯片采用高性能的全橋MOS管專用芯片IR2110，可極大地簡化電路設(shè)計(jì)并降低功率損耗。

3 判據(jù)設(shè)計(jì)和裝置開發(fā)

本文所開發(fā)檢測裝置判斷有無接地線存在的判據(jù)主要基于閾值電流法，裝置對檢測回路三相電流進(jìn)行采樣，通過濾波調(diào)理和放大后送入DSP進(jìn)行綜合判斷分析。如前文所述，檢測信號對回路進(jìn)行掃頻檢測，得到一系列采樣電流值，DSP對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并依次與閾值進(jìn)行比較。由PSCAD／EMTDC仿真和現(xiàn)場調(diào)研可知，當(dāng)線路上不存在接地線時(shí)，線路上幾乎沒有電流；當(dāng)線路上存在接地線時(shí)，通過注入電壓信號，線路上的電流可達(dá)到幾十甚至上百mA。圖5（a）所示為單條無分支線路 PSCAD／EMTDC仿真圖，假設(shè)0.2 s時(shí)有臨時(shí)接地線接地，仿真后得到的電流波形圖如圖5（b）所示。

通過仿真得出：當(dāng)沒有接地線時(shí)，線路上流過很小的電流；當(dāng)有臨時(shí)接地線時(shí)，線路上流過的電流比沒有接地線時(shí)大很多。因此，可以設(shè)置一個(gè)限值來判斷有無接地線存在，本文檢測儀裝置判斷接地線的依據(jù)為：

其中，I為實(shí)際檢測電流；閾值電流I0取10 mA；γ為校正因子，0≤γ≤1，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況作適當(dāng)調(diào)整。γI0可取10 mA以下數(shù)值，即當(dāng)檢測信號（一般有幾十至幾百mA）超過且較大于閾值I0時(shí)，線路中存在未拆除接地線。通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若線路不存在接地線，則采樣回路電流值只有幾mA，不超出10 mA，大多時(shí)候甚至接近于0，達(dá)到μA級，這可以通過下文的現(xiàn)場試驗(yàn)觀察到。

另外，為了提高檢測精度，數(shù)據(jù)處理芯片每周期采樣256個(gè)點(diǎn)。信號處理算法采用FIR數(shù)字濾波和快速傅里葉變換（FFT）［27-28］：先采用 FIR 進(jìn)行數(shù)字濾波，然后利用FFT計(jì)算工頻以及注入頻率下的電壓、電流大小及兩者的相位差。最后根據(jù)計(jì)算得到的特定頻率信號注入下的電壓、電流大小及兩者的相位差，依據(jù)式（1）—（12）即可得到接地點(diǎn)距采樣點(diǎn)的大致距離，輔助檢修人員確定并拆除接地線。

圖5 單條無分支線路仿真模型和電流波形圖Fig.5 Simulation model of single line without branch and simulative current waveform

圖6 裝置檢測流程圖Fig.6 Flowchart of detection with device

裝置檢測流程如圖6所示，圖中閥門閾值Upan根據(jù)裝置、人體電壓安全等級在DSP芯片內(nèi)設(shè)置，用于對殘壓U0進(jìn)行判斷。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

在肇慶廣寧縣新建基建10 kV線路進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。該線路為雙回線路，由220 kV翠竹變電站引出，其中，9號桿塔與24號桿塔距離3369 m；18號桿塔與24號桿塔距離1584 m。裝置掛接在24號桿塔進(jìn)行測量，分別在9號和18號桿塔掛接地線進(jìn)行了5組試驗(yàn)：存在三相接地線試驗(yàn)，存在兩相接地線試驗(yàn)，存在單相接地線試驗(yàn)，存在相間短路試驗(yàn)及無接地情況試驗(yàn)。測量時(shí)采用供電局常用的搖表進(jìn)行對比測試。在9號和18號桿塔的5組試驗(yàn)中，樣機(jī)均可正常檢測并顯示各種接地故障以及拆除接地線后的線路情況。

圖7為所開發(fā)的接地線檢測裝置在現(xiàn)場檢測存在三相接地線試驗(yàn)、存在兩相接地線試驗(yàn)、存在單相接地線試驗(yàn)及存在相間短路情況試驗(yàn)的液晶模塊顯示結(jié)果。

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Results of field test

5 結(jié)論

a.在配電網(wǎng)檢修或改造工作中，在恢復(fù)合閘送電前需要檢測臨時(shí)掛接地線是否存在，因此本文研究了配電網(wǎng)線路接地線檢測技術(shù)，并開發(fā)一種基于DSP的接地線檢測裝置，主要功能單元包括三相電流采樣電路、三相全橋逆變單元、核心DSP控制和分析單元等，該裝置采樣精度高，可準(zhǔn)確采集檢測回路三相電流有效值。

b.裝置可對三相接地線接地、兩相接地線接地、單相接地線接地和相間短路情況進(jìn)行有效檢測和識(shí)別，并在檢測接地線存在的基礎(chǔ)上，計(jì)算測量點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離，輔助檢修人員及時(shí)確定并拆除接地線，提高效率。

c.通過仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)，裝置選用500 Hz以下的中頻段作為注入檢測信號的頻率（間諧波效果更佳），可有效降低分布電容電流的影響，并抵制信號干擾。所開發(fā)裝置對于實(shí)現(xiàn)安全合閘送電具有重要的意義，可為各供電局、電力試驗(yàn)單位等企業(yè)的檢修部門提供一定的借鑒和參考。

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