摘 要：針對(duì)變電站400 V交流系統(tǒng)剩余電流保護(hù)器頻繁跳閘的問題，設(shè)計(jì)了一種智能化的分布式剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)使用CT傳感器采集400 V系統(tǒng)各負(fù)載端上的剩余電流，經(jīng)運(yùn)算處理后傳輸給交流絕緣監(jiān)測裝置，并通過交流絕緣監(jiān)測裝置傳輸至智能微機(jī)監(jiān)控模塊，智能微機(jī)監(jiān)控模塊可以設(shè)置每個(gè)點(diǎn)位的保護(hù)閾值，當(dāng)超過保護(hù)閾值時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，為變電站400 V交流系統(tǒng)剩余電流監(jiān)測提供可靠參考。

關(guān)鍵詞：變電站；400 V交流系統(tǒng)；剩余電流；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM76" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）09-0049-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.012

0" " 引言

變電站交流系統(tǒng)用于為變電站一次在線監(jiān)測設(shè)備、二次保護(hù)設(shè)備供電，是保證變電站可靠供電不可或缺的環(huán)節(jié)。交流系統(tǒng)如若發(fā)生異常情況，將會(huì)直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。剩余電流是變電站交流系統(tǒng)常見的安全隱患，會(huì)給變電站交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成重大風(fēng)險(xiǎn)。目前，預(yù)防剩余電流過大主要使用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，當(dāng)剩余電流增大到某個(gè)閾值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)跳閘保護(hù)來保護(hù)電力系統(tǒng)的安全。然而，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器經(jīng)常會(huì)因?yàn)槎喾N原因發(fā)生誤操作而跳閘，影響供電服務(wù)的可靠性。此外，在剩余電流動(dòng)作保護(hù)器跳閘后，故障排查主要由技術(shù)人員人工手持鉗形電能表進(jìn)行分段排查[2]。這種測量方法不僅耗時(shí)耗力，且會(huì)因技術(shù)人員的主觀偏差而造成疏漏[3]。

因此，對(duì)變電站交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)剩余電流大小，對(duì)保障變電站的安全穩(wěn)定工作有著非常重要的價(jià)值[4]。為保障變電站低壓交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，以變電站400 V交流系統(tǒng)為例，國網(wǎng)浙江建德市供電公司設(shè)計(jì)了智能化的剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測剩余電流變化，并將剩余電流信息傳送至監(jiān)控主機(jī)，當(dāng)用戶端存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)予以保護(hù)和報(bào)警，能有效縮小斷電范圍，提高變電站供電服務(wù)的可靠性。

1" " 低壓電網(wǎng)剩余電流產(chǎn)生的原因分析

剩余電流又名漏電流，是指低壓交流系統(tǒng)中各相電流的矢量和[5]。在正常供電條件下，以單相電為例，相線流入電流和中性線流出電流應(yīng)大小相等、矢量和為0。然而，當(dāng)導(dǎo)電體通過用電設(shè)備接觸到相線時(shí)，會(huì)導(dǎo)出部分電流經(jīng)用電設(shè)備而進(jìn)入大地，導(dǎo)致相線電流和中性線電流不相等，并形成剩余電流。剩余電流形成的原因主要如下。

1.1" " 輸電線路老化

輸電線路老化后會(huì)導(dǎo)致絕緣層損壞，致使相線接觸到導(dǎo)體、潮濕空氣或大地等產(chǎn)生剩余電流[6]。

1.2" " 輸電線路安裝不規(guī)范

輸電線路安裝不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線與其他金屬導(dǎo)體、潮濕空氣或與大地短接而產(chǎn)生剩余電流。

1.3" " 用電設(shè)備內(nèi)部存在質(zhì)量隱患

當(dāng)用電設(shè)備內(nèi)部的元件質(zhì)量不合格或長期使用老化，用電設(shè)備內(nèi)部絕緣性降低時(shí)，會(huì)通過外殼或水等導(dǎo)電體與大地短接而產(chǎn)生剩余電流。

1.4" " 操作人員無意識(shí)形成產(chǎn)生剩余電流

操作人員無意識(shí)地接觸用電設(shè)備的金屬外殼，或電氣維修時(shí)維修工具因擺放不當(dāng)而接觸到相線，產(chǎn)生剩余電流。

2" " 400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1" " 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，在線監(jiān)測IED子系統(tǒng)通過RS485串口連接上CT傳感器和采集終端，對(duì)不同位置的交流電流進(jìn)行測量。在測量完成后傳輸至站端監(jiān)控系統(tǒng)，并發(fā)送至主站系統(tǒng)，由主站系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)和決策。

2.2" " 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)是基于分布式設(shè)計(jì)，其工作原理如圖2所示。分布式采集終端安裝在400 V母線段與負(fù)載端之間，通過CT傳感器采集400 V系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的剩余電流信號(hào)，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后傳輸?shù)浇涣鹘^緣監(jiān)測裝置，通過交流絕緣監(jiān)測裝置把每路剩余電流信號(hào)傳輸給智能微機(jī)監(jiān)控模塊，智能微機(jī)監(jiān)控模塊可以設(shè)置每個(gè)用戶端的保護(hù)閾值，如果剩余電流值超出閾值則發(fā)出聲光報(bào)警，提醒技術(shù)人員到現(xiàn)場檢查處理。

剩余電流有效值采集電路如圖3所示，主要由運(yùn)放DPA604、運(yùn)放OP27、芯片AD637JRZ和芯片ADS1286組成。芯片AD637能根據(jù)波峰因數(shù)補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)誤差小于1%的任意波形均方值的計(jì)算功能。芯片ADS1286是一款12位20 kHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，僅消耗250 μA的電源電流就能實(shí)現(xiàn)差分輸入和采樣保持的放大功能。在圖3中，輸入信號(hào)經(jīng)運(yùn)放DPA604放大后，由AD637芯片測量剩余電流的均方值，再經(jīng)運(yùn)放OP27進(jìn)行放大，隨后經(jīng)ADS1286芯片采樣、保持后得到剩余電流值。ADS1286不僅具有良好的精度，還具有低功耗特點(diǎn)，使本設(shè)計(jì)克服了頻繁更換電池的不足。

2.3" " 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)采用Java語言進(jìn)行開發(fā)，并使用Oracle數(shù)據(jù)庫對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。軟件系統(tǒng)的功能模塊組成如表1所示，主要分為數(shù)據(jù)監(jiān)測、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行管理和控制面板四個(gè)模塊。

2.3.1" " 數(shù)據(jù)監(jiān)測

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)每間隔5 min對(duì)變電站400 V交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，主要包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電壓/電流值、剩余電流、實(shí)時(shí)漏電壓和漏電流，并實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.2" " 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要承擔(dān)著系統(tǒng)的遠(yuǎn)程試跳、遠(yuǎn)程分合閘、線路異常警報(bào)和總保復(fù)位等功能。

遠(yuǎn)程試跳既可以通過人工進(jìn)行試跳，也可以通過定時(shí)來完成試跳。

遠(yuǎn)程分合閘具備對(duì)總保進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘的功能。若保護(hù)器突發(fā)分閘停電，將對(duì)供電連續(xù)性產(chǎn)生負(fù)面影響，通過遠(yuǎn)程分合閘可以解決這一難題。遠(yuǎn)程分合閘既可以在剩余電流過大時(shí)立即分合閘，也可以在情況不嚴(yán)重時(shí)通過預(yù)約實(shí)施分合閘，方便同一線路上的電力用戶做好停電準(zhǔn)備。

線路異常警報(bào)是指當(dāng)保護(hù)器監(jiān)測到線路發(fā)生異常時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)向主站發(fā)送警報(bào)信息，告知主站異常線路的位置，方便運(yùn)維人員立即處理。

總保復(fù)位是指當(dāng)保護(hù)器發(fā)生故障時(shí)，能夠?qū)ΡＷo(hù)器實(shí)施復(fù)位操作，保障保護(hù)器的正常運(yùn)行。

2.3.3" " 運(yùn)行管理

運(yùn)行管理模塊承擔(dān)著本系統(tǒng)的設(shè)備校對(duì)、短信通知、試跳定時(shí)設(shè)定和剩余電流警報(bào)等運(yùn)行管理功能。

設(shè)備校對(duì)是指對(duì)保護(hù)器等電力設(shè)備制定恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間校準(zhǔn)方案，以確保保護(hù)器等電力設(shè)備的定時(shí)校準(zhǔn)，保障相關(guān)電力設(shè)備的可靠運(yùn)行。

短信通知是指主站系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)將線路異常警報(bào)、剩余電流警報(bào)等信息傳送至運(yùn)維人員手機(jī)上，以提醒運(yùn)維人員立即響應(yīng)處理相關(guān)警報(bào)。

試跳定時(shí)設(shè)定是指根據(jù)剩余電流保護(hù)器的運(yùn)行管理要求，每間隔30天進(jìn)行一次試跳，以確保保護(hù)器能有效實(shí)現(xiàn)線路剩余電流保護(hù)的功能。運(yùn)維人員也可以根據(jù)需要自行設(shè)置定時(shí)試跳的時(shí)間。

2.3.4" " 控制面板

控制面板承擔(dān)著本系統(tǒng)信息查詢、記錄檢索的功能。

跳閘記錄查詢是指當(dāng)保護(hù)器成功跳閘后，系統(tǒng)會(huì)記錄保護(hù)器成功跳閘時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，如跳閘時(shí)間、三相電壓值、三相電流值和剩余電流值等，供運(yùn)維人員分析跳閘的原因。

漏電記錄查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄剩余電流超過預(yù)設(shè)門限值的情況，并向運(yùn)維人員提供查詢權(quán)限。

剩余電流查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄剩余電流取值并繪制曲線，供運(yùn)維人員分析使用。

設(shè)備運(yùn)行記錄查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄變電站交流系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，供運(yùn)維人員查詢分析使用。

3" " 400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)在國網(wǎng)浙江建德市供電公司數(shù)個(gè)變電站進(jìn)行了測試使用。

3.1" " 故障定位測試

經(jīng)測試，在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發(fā)生剩余電流故障時(shí)，系統(tǒng)均能精確定位，方便技術(shù)人員及時(shí)定位和維修，有效縮短了跳閘時(shí)間。

3.2" " 剩余電流采集誤差測試

在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發(fā)生剩余電流故障時(shí)，對(duì)一次側(cè)加載剩余電流值和監(jiān)測系統(tǒng)顯示值記錄如表2所示。

測試結(jié)果表明，與一次側(cè)加載剩余電流值相比，監(jiān)測系統(tǒng)顯示值具有較高的精度，測試誤差均小于1.5%，能夠滿足剩余電流保護(hù)的要求。

4" " 結(jié)束語

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測剩余電流變化，并將剩余電流信息傳送至監(jiān)控主機(jī)，當(dāng)用戶端存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)予以保護(hù)和報(bào)警，能有效縮小斷電范圍，不僅提高了變電站供電服務(wù)的可靠性，還能在剩余電流超限時(shí)減少人力、物力投入，降低電力公司的運(yùn)營成本。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 曹坡，王二偉，任成偉，等.變電站站用交流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].通信電源技術(shù)，2021，38（22）：68-70.

[2] 陳長根，王建偉，殳菊明.剩余電流動(dòng)作保護(hù)器遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[C]//浙江省電力學(xué)會(huì)2012年年會(huì)優(yōu)秀論文集，2012：51-58.

[3] 張長營，袁雯雯.農(nóng)村剩余電流動(dòng)作保護(hù)智能終端設(shè)計(jì)方案探討[J].供用電，2015，32（12）：54-57.

[4] 李銘，黃申茂.一種具有剩余電流實(shí)時(shí)監(jiān)測功能的新型智能電能表設(shè)計(jì)方案[J].電力需求側(cè)管理，2015，17（5）：54-57.

[5] 劉炬，廖玄，羅皓文，等.變電站站用交流電源典型配置及剩余電流保護(hù)問題研究[J].東北電力技術(shù)，2022，43（7）：16-19.

[6] 伍丹.基于短距無線通信的農(nóng)網(wǎng)用戶剩余電流在線監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué)，2016.

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：鈕月峰（1994—），男，浙江湖州人，工程師，研究方向：繼電保護(hù)和交流系統(tǒng)。