用于特高壓站站用電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳軒　朱超

摘要：特高壓輸電不僅可以有效降低輸電損耗，優(yōu)化資源配置，還可以明顯提高輸電走廊利用率，因此發(fā)展特高壓輸電意義重大。而站用電系統(tǒng)作為特高壓變電站的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運行可以為特高壓輸電保駕護航。鑒于此，立足于B型剩余電流檢測，利用LoRa組網(wǎng)構(gòu)建了絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)漏電流信息的實時監(jiān)測與記錄，還可以實現(xiàn)參數(shù)閾值的保護自啟動。實驗結(jié)果表明，搭建的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)可以很好地滿足站用電系統(tǒng)的要求，為特高壓站的安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：特高壓輸電;站用電系統(tǒng);B型剩余電流檢測;LoRa組網(wǎng)

中圖分類號：TM93 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.001

0 ? ?引言

特高壓輸電在優(yōu)化電力資源配置、提高輸電走廊利用率和保護環(huán)境等方面具有重要意義，故作為電力樞紐的特高壓變電站在電網(wǎng)中的地位尤為重要。而站用電系統(tǒng)是特高壓變電站的重要組成部分，其工作狀態(tài)極大地影響著特高壓變電站的運作。站用電系統(tǒng)的絕緣出現(xiàn)問題[1]會產(chǎn)生漏電流，漏電流會對操作人員產(chǎn)生一定威脅，小于10 mA的漏電流對人的影響還不是特別嚴重，但當漏電流達到30 mA時，會導(dǎo)致人員觸電并有一定的生命危險;除此之外，漏電流還會對設(shè)備產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致電氣火災(zāi)等事故，存在著嚴重的安全隱患[2-3]。因此，靈敏地檢測出漏電流并及時處理顯得十分重要，目前采取的有效措施是安裝漏電保護器。

漏電保護器在特高壓站站用電系統(tǒng)的保護中一直扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)的漏電保護器依賴于交流漏電流產(chǎn)生的交變磁場，而對于直流系統(tǒng)，漏電流不能產(chǎn)生交變磁場，傳統(tǒng)保護裝置無法實現(xiàn)保護，因此直流漏電保護技術(shù)的研究已不容忽視。同時，隨著站用電系統(tǒng)直流裝置的不斷增加，越來越多的交直流變換環(huán)節(jié)應(yīng)用于站用電系統(tǒng)，這就使得站用電系統(tǒng)發(fā)生故障時的故障電流除了工頻故障電流外，還可能是不同頻率的交流、平滑直流、脈動直流以及復(fù)合交直流。面對這些復(fù)雜的情況，傳統(tǒng)的AC型以及A型漏電保護器無法形成保護，甚至?xí)诎l(fā)生直流漏電時失去對交流漏電的保護功能，成為特高壓站站用電系統(tǒng)的重大隱患。

交直流混合漏保也稱B型漏電保護[4-5]，國外對其研究起步較早，且制定了許多標準性的文件，目前國內(nèi)標準也在不斷完善中。但由于該技術(shù)難度較高以及國外的壟斷，為了打破現(xiàn)狀，實現(xiàn)對交直流電網(wǎng)所必需的核心技術(shù)和核心基礎(chǔ)裝置的把控，亟需研究和開發(fā)可靠性高、成本低的交直流漏電保護關(guān)鍵技術(shù)及核心部件。

本研究以B型剩余電流檢測保護為突破口，開發(fā)智能開關(guān)與檢測保護裝置，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，開發(fā)具備實時監(jiān)控、遠程報警等功能的在線監(jiān)控系統(tǒng)，推進電網(wǎng)安全升級與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

1 ? ?基于磁通門電流傳感器的漏電保護技術(shù)

1.1 ? ?磁通門電流傳感器的工作原理

磁通門傳感器主要應(yīng)用磁通門理論[6-7]，具體來說是利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。相較于其他類型磁傳感器，磁通門傳感器具有分辨率高、穩(wěn)定性良好、弱磁場測量范圍較寬、能夠直接測量磁場分量等優(yōu)勢。與此同時，不同于某些電流傳感器只對交流有效的情況，磁通門電流傳感器對交直流均起作用。

圖1展示了磁通門電流傳感器的工作原理：激勵繞組與檢測繞組同時纏繞在磁芯上，在與磁芯相垂直的方向上有一個電流I，它會產(chǎn)生一個環(huán)形磁場Ho，進而影響磁芯內(nèi)的磁場B，磁芯內(nèi)磁場的改變會通過檢測線圈的電壓信號表現(xiàn)出來，信號所含各諧波中對磁芯內(nèi)磁場影響最大的是二次諧波，利用這一點可以濾除檢測線圈上除二次諧波以外的電壓信號。濾波后所得到的二次諧波電壓，不僅其正負可以作為要檢測的電流方向的參考，而且其幅值與要檢測的電流也是近似成正比的。

1.2 ? ?漏電保護技術(shù)

直流漏電磁通門傳感器系統(tǒng)以高磁導(dǎo)率磁芯為基礎(chǔ)，磁通門技術(shù)的芯片開發(fā)為核心，進行高度集成的磁通門原理SoC傳感芯片開發(fā)，并涉及數(shù)模混合信號技術(shù)研發(fā)、單芯片SoC研發(fā)、可編程技術(shù)研發(fā)，融各類技術(shù)于一體，組成超小型模組，實現(xiàn)直流漏電磁通門傳感器模塊的自動化、低成本和大批量生產(chǎn)。

直流漏電磁通門傳感器檢測原理如圖2所示。

漏電保護器是由電流互感器作為其檢測元件，這種互感器一般由環(huán)形鐵芯和繞組構(gòu)成;其中激勵源能夠周期性翻轉(zhuǎn)接收信號，輸出絕對值相等、極性相反的方波電壓;由檢測控制模塊判斷激磁電流是否達到閾值，并分析激磁電壓或激磁電流波形。

圖3（a）為無漏電流時的波形示意圖。在正半周期中，方波激勵源發(fā)出的正電壓使得磁芯被正向磁化。磁芯正向飽和時，其發(fā)出正向激磁電流的強度達到閾值，觸發(fā)檢測控制模塊發(fā)出翻轉(zhuǎn)信號，方波信號進入負半周期。此時磁芯被反向磁化，達到飽和時，反向激磁電流再次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)信號，周期結(jié)束。由于此時輸入、輸出電流對稱，磁芯完全由方波信號磁化，故激磁電流的波形對稱。

當電流中存在正向漏電流時，漏電流額外的磁化作用會導(dǎo)致磁芯提前達到飽和，激磁電流波形下移，如圖3（b）所示。故只要檢測激磁電流的對稱性，就可以對各種類型的漏電流進行檢測。

2 ? ?絕緣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ? ?整體功能框架設(shè)計

本研究的對象為B型剩余電流動作斷路器，主要包括兩大部分：斷路器部分和對B型剩余電流進行檢測以及控制斷路器執(zhí)行跳閘的電子部分（漏電檢測及執(zhí)行模塊），兩部分的組合及接線方式如圖4所示。漏電檢測及執(zhí)行單元內(nèi)部含有較多的功能單元，2.2中會有單獨的介紹。斷路器部分接線分為進線端和出線端，分別實現(xiàn)斷路器的進線與出線的通斷功能，傳統(tǒng)的漏電保護斷路器電子部分采用后端取電，即從斷路器的出線端取電。當斷路器跳閘后，電子部分也掉電失效，重新合閘才能恢復(fù)工作。而本研究的B型漏保（圖4）采用前端/后端雙取電，前端取電對核心處理單元等功能單元供電，保證跳閘后不斷電，實現(xiàn)智能化實時在線的功能;后端取電對脫扣控制單元等供電，跳閘后切斷電源，保護電子器件不受損壞。

2.2 ? ?漏電檢測及執(zhí)行模塊功能設(shè)計

本研究的漏電檢測及執(zhí)行模塊，其內(nèi)部功能組成如圖5所示，包括電源單元、核心處理單元、LoRa無線單元、脫扣控制單元和漏電檢測單元。電源單元從進線端取電，將交流電整流濾波后再進行AC/DC轉(zhuǎn)換，變成穩(wěn)定的低壓直流電供給核心處理單元、漏電檢測單元及LoRa無線單元。漏電檢測單元將檢測到的漏電流進行轉(zhuǎn)換，變成核心處理單元可識別的信號后進行采集，計算出當前的漏電流值，核心處理單元再把漏電流值實時傳遞給LoRa無線單元，讓其上傳到主站。核心處理單元同時根據(jù)當前的漏電流值與門限值進行比較，達到跳閘門限時，對脫扣控制單元進行控制，脫扣控制單元動作帶動斷路器進行跳閘。

2.3 ? ?脫扣控制單元設(shè)計

上文提及的脫扣控制單元如圖6所示，在傳統(tǒng)漏保開關(guān)的基礎(chǔ)上進行改進，增加了斷路器分合閘狀態(tài)檢測的功能，可以判斷其處于合閘狀態(tài)還是斷開狀態(tài)，再將斷路器的狀態(tài)信息傳遞給核心處理單元，最后由LoRa無線單元發(fā)出，目的是讓主站知道此斷路器現(xiàn)在處于何種狀態(tài)。

脫扣控制單元從出線端取電，進行整流后再經(jīng)過一個反饋光耦，最終到穩(wěn)壓電路中形成狀態(tài)回路。光耦內(nèi)部由發(fā)光二極管與受光器組成，利用發(fā)光二極管狀態(tài)對受端進行作用：當出線端有電時為合閘狀態(tài)，此時光耦輸出一種狀態(tài);跳閘之后，出線端斷電，此時光耦輸出另一種狀態(tài)。狀態(tài)信息傳輸?shù)胶诵奶幚韱卧?，就可以利用光耦狀態(tài)來實現(xiàn)對斷路器分合閘狀態(tài)的長期在線監(jiān)控。

2.4 ? ?LoRa組網(wǎng)設(shè)計

LoRa網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)多節(jié)點、低功耗的遠距離通信[8-11]，每一個漏保開關(guān)都組成一個節(jié)點，內(nèi)部采用433 MHz LoRa無線模塊，采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個基站，再由基站通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器開通接口，可以通過手機App及PC進行訪問，查看每一個節(jié)點開關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。圖7為LoRa組網(wǎng)設(shè)計邏輯。

3 ? ?實驗驗證

本文首先對高靈敏自適應(yīng)磁通門傳感技術(shù)進行了實驗驗證，實驗表明，系統(tǒng)可以實現(xiàn)高靈敏漏電流檢測，檢測靈敏度達到60 μA。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新型B型直流漏電保護開關(guān)裝置，對相關(guān)1 kHz高頻剩余電流、平滑直流剩余電流、兩相整流剩余電流以及復(fù)合波進行了檢測并執(zhí)行動作，各類電流波形如圖8所示，波形具體參數(shù)信息如表1所示。

然后使用B型剩余電流測試臺對研發(fā)的高可靠性B型RCD性能進行測試，如圖9所示，測試結(jié)果符合標準文件[12]的動作測試要求。

基于已經(jīng)驗證過的B型漏電保護開關(guān)，本研究開發(fā)了一套站用電系統(tǒng)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，引入LoRa無線通信、邊緣計算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成完備的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，漏電流信息經(jīng)邊緣計算后，通過LoRa無線通信技術(shù)經(jīng)外置基站由4G公網(wǎng)上傳至電力智能控制平臺，具備實時監(jiān)控、遠程應(yīng)急處理等功能。圖10為本研究搭建的系統(tǒng)實驗平臺。

圖10僅展示了平臺一個節(jié)點，實際運用中每個漏保開關(guān)都將成為一個節(jié)點，內(nèi)部均采用433 MHz LoRa無線模塊，并采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個基站，再由基站通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器開通接口，可通過手機App及PC進行訪問，查看每一個節(jié)點開關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。圖11為本研究搭建平臺的上位機報警記錄展示。

4 ? ?結(jié)語

本研究開發(fā)了B型智能漏電保護開關(guān)、監(jiān)控盒等硬件裝置，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了用于特高壓站站用電系統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，為當前站用電系統(tǒng)的直流漏電問題提供了低成本的完整解決方案。本研究成果可直接應(yīng)用于全國各種場合的站用電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1] 吳霄.變電站站用電系統(tǒng)存在問題及改進措施[J].四川電力技術(shù)，2003，26（3）：16.

[2] 李昌松，張文福.淺析電氣設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測與狀態(tài)維修[J].電子元器件與信息技術(shù)，2021，5（5）：77-78.

[3] 李然，孫毅，金銘，等.特高壓換流站站用電備自投越級動作的故障分析及改進措施[J].電氣技術(shù)，2021，22（5）：68-72.

[4] 計長安，張浩，呂志鵬，等.B型剩余電流保護在新能源發(fā)電和電動汽車中的應(yīng)用[J].供用電，2019，36（4）：31-36.

[5] 胡宏宇.剩余電流保護器產(chǎn)品選用分析[J].建筑電氣，2016，35（7）：18-22.

[6] 鐘彥平，程志國，張文煜，等.基于磁通門原理的漏電監(jiān)測方法及其應(yīng)用[J].江西電力，2019，43（6）：21-23.

[7] 薩迪.基于磁通門原理的B型剩余電流傳感器設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué)，2020.

[8] 陳志宏，王興安.LoRa在電力行業(yè)典型應(yīng)用與問題探討[J].長江信息通信，2021，34（5）：87-91.

[9] 張洛.基于LoRa的智能配電系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)，2020（22）：120-121.

[10] 劉湛，張輝.基于LoRa的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2021，34（8）：23-25.

[11] 王箏.基于LoRa的信息采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[12] 家用和類似用途的不帶和帶過電流保護的F型和B型剩余電流動作斷路器：GB/T 22794—2017[S].

收稿日期：2021-10-11

作者簡介：陳軒（1987—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：變電設(shè)備帶電檢測與智能運檢。