一種便攜式漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置的研制

國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司南平供電公司 陳明輝 葛 晶 董芳針 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 吳 雙 陳孝琪

上海宏力達(dá)信息技術(shù)股份有限公司 陳致遠(yuǎn)

隨但通常難以快速找到漏電點(diǎn)，使得用戶只能私自將用戶側(cè)的漏電保護(hù)器退出運(yùn)行。這類(lèi)違規(guī)操作不但增加了人身觸電風(fēng)險(xiǎn)，而且隨著用戶漏電電流的逐步上升，最終會(huì)導(dǎo)致變壓器側(cè)總漏電保護(hù)器跳閘。此類(lèi)停電現(xiàn)象具有隨機(jī)性、間隙性和隱蔽性等特點(diǎn)，而目前檢修常用的監(jiān)測(cè)設(shè)備為數(shù)字型鉗表，僅能根據(jù)當(dāng)前的漏電流幅值判斷線路漏電狀態(tài)，速度慢且效果差。

針對(duì)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)性能存在缺陷問(wèn)題，文獻(xiàn)[1-3]開(kāi)展了有關(guān)繼電器、接觸器等控制電器工作性能檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究；文獻(xiàn)[4]針對(duì)絕緣子漏電問(wèn)題研究了漏電故障選線判斷方法，但未將其與硬件裝置相結(jié)合應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款智能監(jiān)控終端，具有數(shù)據(jù)分享與報(bào)警等功能，但該終端無(wú)法傳輸波形數(shù)據(jù)且制作成本較高，推廣普及存在一定困難。虛擬儀器技術(shù)在電力設(shè)備領(lǐng)域已有了廣泛的應(yīng)用，如風(fēng)電場(chǎng)、變壓器和絕緣子等的在線監(jiān)測(cè)[6]，而對(duì)于線路漏電流狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備卻少有研究。為保證用戶的正常用電及用電安全，本研究搭建了一套便攜式漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，并將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于配電線路的漏電流監(jiān)測(cè)方向以便于后續(xù)分析故障原因，提醒值班人員及時(shí)檢修。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖

1 漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置

本文研究的漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置主要應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)線路，可監(jiān)測(cè)變壓器出線端或用戶端分支漏電流的動(dòng)態(tài)變化信息；自動(dòng)保存并查看故障波形，以便后續(xù)分析故障原因；當(dāng)發(fā)生漏電故障、甚至在故障發(fā)生前，漏電支線的故障信息將以短信方式告知檢修人員前來(lái)維修，以此提高維修效率與低壓配電網(wǎng)的可靠性。漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置主要包括硬件部分（鉗形采集設(shè)備、數(shù)據(jù)采集模塊、可觸屏一體機(jī)）和軟件部分（設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件、數(shù)據(jù)處理分析部分、通用I/O 接口部分、儀器面板控制部分）。硬件部分用于采集漏電流數(shù)據(jù)，并作為軟件部分的載體；軟件部分用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備接口、編程分析運(yùn)算和顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.1 裝置硬件電路設(shè)計(jì)

圖2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

裝置結(jié)構(gòu)。裝置的硬件部分由5個(gè)功能模塊組成：鉗形采集設(shè)備用于準(zhǔn)確采集漏電流信息；電源模塊為鉗形采集設(shè)備提供所需直流電源；數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換和供電；觸屏一體機(jī)作為漏電流故障錄波系統(tǒng)的載體；通訊模塊采用華為USB型無(wú)線網(wǎng)卡，為發(fā)出告警短信提供網(wǎng)絡(luò)支持。

裝置測(cè)量電路設(shè)計(jì)。由于低壓配電線路正常情況下的漏電流通常為毫安級(jí)別，電流互感器選用開(kāi)口式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路置于鉗口手柄處，稱(chēng)為鉗形采集設(shè)備。設(shè)備前端鉗在漏電流為i1的低壓配電線路上，而相應(yīng)的二次側(cè)感應(yīng)電流i2由式（1）計(jì)算所得。由于數(shù)據(jù)采集模塊輸入端接收的是電壓信號(hào)，故需添加內(nèi)置電阻RL將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。此時(shí)信號(hào)輸出電壓（1），為 減 小 信號(hào)在放大過(guò)程中受到干擾信號(hào)的影響，經(jīng)放大信號(hào)測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，鉗形采集設(shè)備的匝數(shù)比N1/N2選定為1：1000，內(nèi)置電阻值RL為200Ω，信號(hào)調(diào)理電路增益G 為25倍，即0～2A 的交流輸入電流輸出為0～10V 交流電壓，滿足數(shù)據(jù)采集模塊輸入電壓范圍的要求。

其他電路模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集模塊選用凌華科技公司的USB-1901型號(hào)產(chǎn)品作為輸入信號(hào)與觸屏一體機(jī)之間連通的橋梁。該模塊通過(guò)內(nèi)建信號(hào)調(diào)理電路采用USB 總線供電，負(fù)責(zé)處理鉗形采集設(shè)備采集的漏電流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)USB 傳輸線連接至觸屏一體機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。通過(guò)安裝LabVIEW 的“DAQPilot”驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集模塊的“UD-DASK”驅(qū)動(dòng)，配置USB-1901型號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了LABVIEW 軟件與數(shù)據(jù)采集模塊之間的聯(lián)通。

圖3 軟件平臺(tái)的運(yùn)行流程圖

1.2 漏電流監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)

漏電流故障錄波系統(tǒng)。采用LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)。當(dāng)線路的漏電流信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換處理后送至漏電流故障錄波系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警等功能；人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。LabVIEW 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫(xiě)程序[7]。用戶主界面是人機(jī)交互直接進(jìn)行交流的平臺(tái)，包括當(dāng)前日期、時(shí)間、停止數(shù)據(jù)記錄按鈕、歷史波形選擇、參數(shù)設(shè)置等窗口。

查看實(shí)時(shí)波形。實(shí)時(shí)波形顯示功能通過(guò)打開(kāi)漏電流通道選項(xiàng)，便可觀察漏電流動(dòng)態(tài)波形信息，并定位故障線路。編程界面如圖4所示，將設(shè)置好的相關(guān)參數(shù)信息送至通道子程序中實(shí)現(xiàn)初始設(shè)置，進(jìn)而將設(shè)置的采樣頻率與通道子程序所接收的漏電流等信息送至采樣頻率設(shè)置子程序進(jìn)行采樣。最終將采樣的漏電流信息送至波形顯示圖，以此實(shí)現(xiàn)前面板的波形顯示。

圖4 實(shí)時(shí)波形顯示功能

查詢歷史波形功能。是基于故障波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和歷史數(shù)據(jù)讀取編程模塊所設(shè)計(jì)，以對(duì)后續(xù)故障統(tǒng)計(jì)和分析研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。故障波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存超過(guò)設(shè)定漏電閾值的故障數(shù)據(jù)，當(dāng)漏電流信號(hào)增大至設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)故障波形數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊，并持續(xù)保持觸發(fā)狀態(tài)至采樣到設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)為止，進(jìn)一步將自動(dòng)錄波的波形數(shù)據(jù)以TDMS 文件格式送至儲(chǔ)存模塊，并以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“當(dāng)前日期和當(dāng)前時(shí)間”命名文件。歷史數(shù)據(jù)讀取編程模塊用于調(diào)出指定的故障歷史波形，將歷史波形TDMS 文件所在位置的路徑名賦給文件打開(kāi)模塊，進(jìn)而讀取模塊讀取故障波形文件夾，并將數(shù)據(jù)送給歷史波形顯示界面。

發(fā)送告警短信。該功能旨在發(fā)生漏電流越限時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程通訊告知檢修人員目前線路的漏電情況。該功能是基于騰訊云平臺(tái)注冊(cè)短信賬戶，并調(diào)用Python 編程的發(fā)送短信程序而實(shí)現(xiàn)的。將參數(shù)設(shè)置中的漏電流值、漏電通道和運(yùn)維人員手機(jī)號(hào)碼等字符串輸入至Python 節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合騰訊云平臺(tái)的短信控制臺(tái)，向運(yùn)維人員發(fā)送相應(yīng)的故障信息。

2 裝置的試驗(yàn)與應(yīng)用

基于上述對(duì)漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置的硬件、軟件結(jié)構(gòu)和功能的介紹，下面通過(guò)測(cè)試裝置功能，以檢驗(yàn)該裝置的應(yīng)用價(jià)值。將繼保測(cè)試儀作為漏電流信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生漏電流信號(hào)。測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，鉗形采集設(shè)備的前端鉗在線路上，輸出端連接至在線監(jiān)測(cè)裝置面板的電流鉗輸入端子。

圖5 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能旨在直觀實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)多條動(dòng)態(tài)漏電流波形。裝置的測(cè)量電路具有高精度的鉗形采集設(shè)備和高采樣率的錄波技術(shù)，無(wú)需開(kāi)斷被測(cè)量回路，具備較高的測(cè)量精度。漏電流故障錄波軟件的采樣頻率可設(shè)置為256Hz 的整數(shù)倍，本測(cè)試將采樣頻率默認(rèn)為2048Hz。采樣最小值和最大值為-10V和10V，采樣模式為RSE 單端輸入模式。利用繼保測(cè)試儀分別產(chǎn)生3路不同的漏電流信號(hào)。點(diǎn)擊錄波軟件的“實(shí)時(shí)波形顯示”選項(xiàng)卡并打開(kāi)對(duì)應(yīng)線路的通道，即可查看相應(yīng)線路的漏電流波形。鉗形采集設(shè)備能夠正常并準(zhǔn)確地采集漏電流信號(hào)，且實(shí)時(shí)波形顯示采用滾動(dòng)模式，顯示的波形沒(méi)有死區(qū)，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

歷史波形查詢顯示旨在對(duì)后續(xù)相關(guān)故障原因分析研究提供相關(guān)波形數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)前需提前配置觸發(fā)與門(mén)限模塊的參數(shù)值。設(shè)置觸發(fā)自動(dòng)錄波功能的啟動(dòng)閾值為30mA，并保存故障前后各205個(gè)采樣點(diǎn)。利用繼保測(cè)試儀模擬第1通道的線路出現(xiàn)50mA 的漏電流，系統(tǒng)即自動(dòng)觸發(fā)故障錄波功能。實(shí)驗(yàn)顯示，故障數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在了自定義的文件夾內(nèi)，并以“當(dāng)前日期+時(shí)間”命名，驗(yàn)證了在實(shí)際運(yùn)行中自動(dòng)保存的故障波形與設(shè)置的參數(shù)保持一致。

故障告警短信功能將線路的漏電情況通過(guò)短信方式發(fā)送至檢修人員的手機(jī)，及時(shí)提醒檢修人員前去檢修。漏電信息通過(guò)丟包重發(fā)通訊機(jī)制發(fā)送至相關(guān)工作人員，其信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)。利用繼保測(cè)試儀模擬第2通道的線路出現(xiàn)了20mA 的漏電流，該裝置可根據(jù)當(dāng)天值班情況更改運(yùn)維人員手機(jī)號(hào)，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕即可發(fā)送告警短信。手機(jī)收到的短信如：【ZZ 智能用電】漏電流值為20，智能用電設(shè)備監(jiān)測(cè)到2通道用電異常，請(qǐng)立即至現(xiàn)場(chǎng)處理。

3 結(jié)語(yǔ)

低壓配電網(wǎng)下的漏電保護(hù)器的實(shí)際安裝和運(yùn)行過(guò)程中，漏電流越過(guò)漏保閾值引起的跳閘現(xiàn)象屢屢發(fā)生，不及時(shí)處理甚至?xí)l(fā)火災(zāi)和觸電事故。本文基于漏電保護(hù)技術(shù)原理搭建了一套漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓配電線路的漏電流情況，自動(dòng)保存漏電故障信息、識(shí)別觸電類(lèi)型及發(fā)送故障告警短信等。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能夠正確實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波形查看，歷史波形查詢和故障告警短信發(fā)送等功能，滿足對(duì)漏電流線路監(jiān)測(cè)的需求。該裝置實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于設(shè)備或線路漏電情況的及時(shí)處理、研究漏電現(xiàn)象的有效防范措施等都具有重要的實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。