低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置設計

吳江雄，徐 超，李 河，龍登其，吳文健

（1.廣西電網(wǎng)公司桂林供電局，廣西 桂林 541000；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 510000）

電纜是變電站電能傳送和信息傳輸?shù)闹匾d體，變電站電纜主要在電纜溝中敷設，電纜溝上鋪設蓋板進行電纜保護。電纜溝中的電纜在運行中的監(jiān)控通過值班員日常巡視實現(xiàn)，監(jiān)控手段單一，且無法直接進行觀察，對于電纜發(fā)生火災或運行過程中的不安全隱患較難及時發(fā)現(xiàn)。

我們將從交流配電技術原理上分析交流系統(tǒng)絕緣故障特征，從應用角度分析交流絕緣故障危害；研究交流絕緣故障檢測方法，提出交流絕緣故障監(jiān)測裝置設計方案。

1 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障特征及危害

1.1 低壓交流配電系統(tǒng)

低壓交流配電系統(tǒng)負荷分為三相平衡負荷、三相不平衡負荷和單相負荷三種類型。絕大多數(shù)交流配電系統(tǒng)為接地系統(tǒng)，即在變壓器處中性線抽頭接地。而為保障用電安全，各用電設備的金屬外殼也要求可靠接地。

1.2 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障特征

從交流配電系統(tǒng)分析，交流配電網(wǎng)絡線路有相線、N 線、地線，可能發(fā)生的絕緣故障有相間絕緣故障、相-N 絕緣故障、相-地絕緣故障和N-地絕緣故障四個類型的絕緣故障。

相間絕緣故障：火線與火線之間出現(xiàn)絕緣故障，絕緣故障電阻與負荷屬于并聯(lián)關系，打破原負荷的平衡度，導致的結(jié)果是火線電流增加、零線電流增加或減小。

相-N 絕緣故障：火線與零線之間出現(xiàn)絕緣故障，相當于增加一個單相負載，絕緣故障相線與零線出現(xiàn)電流增加。

相-地絕緣故障：火線與地線之間出現(xiàn)絕緣故障，由于站用變中性線可靠接地，也相當于增加一個單相負載，絕緣故障相線與地線出現(xiàn)電流增加。

N-地絕緣故障：N 線是站用變中性線引出，同時在變壓器端可靠接地，N 線絕緣故障點與可靠接地點屬于并聯(lián)關系，屬于多點接地。站用交流系統(tǒng)屬電源系統(tǒng)，不用作為保護計量，允許多點接地。所以N 線絕緣故障無危害，可以不作重點關注。

1.3 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障危害

綜合分析知，低壓交流系統(tǒng)絕緣故障相當于增加交流電源系統(tǒng)負荷，故障可能引起的危害有火災、損耗電能、損傷變壓器等。

火災：交流系統(tǒng)絕緣故障是增加負荷，由于所變功率很大，而故障所產(chǎn)生的電阻功率不一定夠大，變壓器電壓額定，在電阻夠小的情況下電流會很大，如此功率極大，此時如果故障位置功率不足火災散熱不好，極易引發(fā)火災事故。

損耗電能：交流系統(tǒng)絕緣故障是增加負荷，負荷必定損耗電能，所以交流系統(tǒng)絕緣故障必定會損耗電能，造成能源浪費。

損傷變壓器：交流系統(tǒng)絕緣故障是增加負荷，如果負荷功率大且功率足夠、散熱條件良好，故障長期保持，給變壓器增加負擔，變壓器長期超載運行會影響壽命。

2 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障檢測方法

在站用交流電源屏饋出支路安裝電流測量CT，監(jiān)測站用交流系統(tǒng)各饋出支路相電流狀態(tài)。監(jiān)測站用交流系統(tǒng)電壓，通過電流和電壓可計算饋出支路的視在功率。饋出支路設計容量千瓦及以上，站用變功率幾十千瓦或者幾百千瓦，幾瓦或者幾十瓦的絕緣負載對站用交流系統(tǒng)無任何影響，監(jiān)測難度大。所以站用交流系統(tǒng)的高阻絕緣監(jiān)測意義不大，監(jiān)測低阻絕緣故障即可。研究分析知，監(jiān)測站用交流系統(tǒng)絕緣故障的方法是通過監(jiān)測系統(tǒng)電壓和饋出支路電流，計算各饋出支路的視在功率Sn，設置各饋線支路正常態(tài)視在功率KSn，通過Sn 和KSn 比較計算站用交流系統(tǒng)絕緣故障。

3 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置設計

3.1 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置架構(gòu)

低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置設計由監(jiān)測主機、監(jiān)測模塊和電流感應CT 組成。監(jiān)測主機能夠測量交流系統(tǒng)電壓，通過485 方式下放給各監(jiān)測模塊；收集模塊數(shù)據(jù)，運算分析故障情況，依據(jù)故障狀態(tài)告警；完成人機交互等。監(jiān)測模塊能夠測量CT 感應的電流，運用電壓、電流計算支路實時視在功率，通過485 回傳給主機；監(jiān)測模塊能夠設計3 個電流采集通道，可接1～3 個CT，能夠應對三相負荷和單相負荷。

3.2 低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置設計目標

低壓交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置是通過采集交流系統(tǒng)電壓和被監(jiān)測支路電流評估交流系統(tǒng)絕緣故障，測量電壓和電流是判斷故障的前提，所以對裝置的測量功能提出具體要求，在當前電子工業(yè)技術下，這些要求也易于實現(xiàn)，具體要求如下：①交流電壓測量范圍要求為0～300 V。②交流電源測量精度要求為0～80 V 顯示數(shù)值，80～180 V 精度為1%，180～250 V 精度為0.5%，250～300 V 精度為1%。③電流采集要求CT 可配置，500 A 以內(nèi)CT 可選配。④電流測量精度要求為0

3.3 低壓交流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置主要構(gòu)成部分

通過裝置系統(tǒng)架構(gòu)設計知，裝置主要由電源部分、主控部分電路、電源采集電路、電流采集電路、通信電路和告警電路等組成。

電源部分：裝置選用75 W 臺灣明偉多路輸出開關電源設計，電源輸出12 V 供給觸摸屏、繼電器與測量模塊電源，5 V 供給主機數(shù)字電路與模擬電路工作。其中模擬電路有高壓采集需要隔離電源，數(shù)字電路需要3.3 V 電源，該部分電源采用電源芯片從5 V 電源變送輸出。5 V 隔離電源采用金升陽電源公司的0505 隔離電源模塊設計實現(xiàn)。3.3 V 電源采用電源芯片ASM1117 設計，實現(xiàn)5 V 電源轉(zhuǎn)3.3 V 功能。

主控部分電路：主控CPU 選用STM32F103ZET6。該芯片是ARM 32 位的Cortex?--M3 CPU，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數(shù)量眾多的特點。該CPU最快72 MHz 工作頻率，12 通道的12 為AD 通道，多達112個快速雙向I/O 口，多達13 個通信接口，其中有USB2.0 全速接口和SDIO 接口。

電壓采集電路：電壓采集是一個帶隔離的電壓采樣電路；左下角的2405 是一個隔離的DC/DC 電源模塊；上面部分是電壓采樣電路，電壓首先通過R053 的分壓使得光耦（HCPL-7840）輸入電壓控制在0～200 mV 之間，電壓經(jīng)過光耦（HCPL-7840）的放大后再經(jīng)過運放（LM358）的放大，搭配運放（LM358）的輸入與反饋電阻使得輸出最高電壓接近AD 的基準電壓，電壓信號完成放大后經(jīng)過一級低通濾波直接進入CPU 進行AD 采樣。

電流采集電路：線路電流通過CT 感應后，經(jīng)放大電路，進行二級放大后進行CPU 進行AD 轉(zhuǎn)換換算。設計3 路電流采集電流。

通信電路：通信電路設計有一片電平轉(zhuǎn)換芯片SN75LBC184，該芯片完成CPU 信號轉(zhuǎn)換為485 電平信號，PCB 板上還放置一個4 位接線端子CON2，方便接線到機箱接線端子。裝置主機設計2 路485 電平轉(zhuǎn)化電路，其中一路用于與測量模塊通信，一路用于與上位機通信；測量模塊設計1 路485 電平轉(zhuǎn)化電路，用于與主機通信。

告警電路：干接點輸出的驅(qū)動電路，繼電器選用的是松下的TX2-12V，具有兩路常開常閉，在本次電路中使用了一路常閉和一路常開，而驅(qū)動方式使用的是場效應管方式。裝置設計2 路干接點電路，其中一路輸出絕緣故障，一路輸出裝置故障。

4 小結(jié)

本文從電路原理分析切入交流配電系統(tǒng)分析交流系統(tǒng)絕緣故障現(xiàn)象與特征，總結(jié)交流絕緣故障危害。依據(jù)交流系統(tǒng)絕緣故障特征總結(jié)出測量交流系統(tǒng)絕緣故障方法，設計了交流系統(tǒng)絕緣故障監(jiān)測裝置，并提供了所設計裝置架構(gòu)、電路等資料。依據(jù)文中資料可完成交流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置生產(chǎn)，解決交流系統(tǒng)絕緣故障無監(jiān)測問題，保障交流系統(tǒng)可靠運行。