基于感性檢測的非接觸式輸電線路故障檢測裝置研究

葉偉權(quán)

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局）

0 引言

電網(wǎng)覆蓋面積極為廣泛，輸電線路出現(xiàn)故障后難以定位及判斷類型[1-3]，因此實現(xiàn)輸電線路故障的智能檢測勢在必行。行波電流在線路故障產(chǎn)生，準確測量行波參數(shù)不僅能夠檢測故障的產(chǎn)生，還能進行故障類型判斷及位置的定位，是研究輸電線路故障的前提。目前我國主要采用接觸式故障檢測裝置，該裝置需要與輸電線路進行電氣連接，必須要停電安裝，且對線路的運行安全有極大的影響，非接觸式檢測設(shè)備避免了與輸電線路的直接接觸[4]，安裝方式簡單、安全高等優(yōu)勢。廣泛開展對非接觸式輸電線路故障檢測裝置的研究，可以有效地提高輸電線路運行的穩(wěn)定性[5]，降低維護線路的人力和資金成本，對于電網(wǎng)智能化具有重要意義。

目前應(yīng)用于輸電線路故障檢測方面的檢測方法主要有：容性耦合技術(shù)、感性耦合、磁鋼棒和Rogowski線圈法。我國最早大規(guī)模使用磁棒法，如文獻[6-7]中雍珊珊等通過優(yōu)化材料及結(jié)構(gòu)確定最佳磁棒參數(shù)來研制滿足地震檢測系統(tǒng)的磁傳感器，采集了大量地震波的信號及波形，但測量誤差較大，且安裝設(shè)備較為復(fù)雜。在非接觸式線路故障定位測量技術(shù)中常采用信號耦合技術(shù)，信號耦合常分為容性耦合和感性耦合兩種，文獻[8]將容性耦合應(yīng)用于非接觸式電纜故障檢測系統(tǒng)。感性耦合具有阻抗調(diào)節(jié)、絕緣性好，安裝方便等優(yōu)點，其本質(zhì)為變壓器耦合原理，技術(shù)相對比較成熟。對比感性耦合和容性耦合，發(fā)現(xiàn)在使用采集總電容耦合時，相比于容性耦合，感性耦合采集信號的衰減度更大[9]，且需要進行接觸式連接。但容性耦合的缺點在于受限于安裝電纜的線徑和制作工藝等方面，采集的信號衰減較大，且導(dǎo)體環(huán)需要貼近與電纜來保證獲得最大的電容值[10]，減少信號的衰減，所以對于不同電纜耦合裝置需要不同的型號，導(dǎo)致加工成本增大及加工周期長。線路的行波電流的波形及幅值可以通過Rogowski線圈法獲得[11]，該方法測量準確度高，且有很強的抗干擾能力，缺點在于測量時需要將電纜穿過線圈，導(dǎo)致安裝過程復(fù)雜。

針對上述問題，本文提出了基于感性非接觸式輸電線路故障診斷裝置，采用被測電流在微分環(huán)附近產(chǎn)生的磁場間接測量電流，通過多平行導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)公式，可以精確計算出各相的電流和電壓大小，從而實現(xiàn)輸電線路的非接觸式故障檢測。

1 測量原理

感性耦合中的微分環(huán)結(jié)構(gòu)和繞線方式都與Rogowski線圈相似，不同之處在于微分環(huán)的直線型骨架，當輸電線路出現(xiàn)故障時，行波電流流過導(dǎo)線，在微分環(huán)附近產(chǎn)生暫態(tài)磁場，通過微分環(huán)兩端的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢與微分環(huán)匝數(shù)、橫截面積s和干癮磁場強度變化率dB/dt，關(guān)系公式為：

通過取絕對值的方式去掉公式的負號。將輸電線路理想化為無限長的導(dǎo)線，則故障時的行波電流與感應(yīng)磁場強度B的關(guān)系公式為B=，其中h表示導(dǎo)線與微分環(huán)的距離，i(t)為被測電流，u0表示真空磁導(dǎo)率。所以確定好微分環(huán)的位置后，就可以測出行波電流轉(zhuǎn)化為的微分信號，表達公式為：

微分環(huán)工作原理電路圖如圖1所示，圖中L1表示微分環(huán)自感，r表示內(nèi)阻，R表示采樣的信號電阻，C1表示微分換的電容。如果ω表示被測電流的角頻率，當ωL1≤R+r時，電阻R上的電流正比于被測電流的微分，此時為外積分式，該方式長時間的積分會導(dǎo)致零漂現(xiàn)象，直接影響測量精度；當ωL1≥R+r時，電阻R上的電流與被測電流的大小成正比，無需進行微分，可以簡化運算過程降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，能夠穩(wěn)定地長時間運行。根據(jù)電路原理圖的基爾霍夫定律可以得到公式：

圖1 微分環(huán)工作電路圖

當ωL1≥R+r時，上式可近似為：

產(chǎn)生的感應(yīng)電流為：

信號采樣電阻上的信號u(t)為：

式中，K為系數(shù)。根據(jù)式（6）可得電壓信號與被測電流成正比，經(jīng)實驗可以得到K的值，從而實現(xiàn)了自積分得到被測電流。

2 故障定位原理

通過分析傳統(tǒng)故障定位的算法，提出了一種改進的雙端定位算法，首先利用小波變換將故障行波進行處理，根據(jù)兩端定長和變換過后的結(jié)果來判斷故障區(qū)間，再利用HHT對故障行波進行變換，由小波變換的結(jié)果得到經(jīng)HHT變換頻譜中與之對應(yīng)的時間-頻率譜，求取兩次結(jié)果的平均值，更加精確地計算出行波波頭的到達時間，最后利用相關(guān)計算公式得到故障位置。

2.1 故障距離計算

建立簡單的輸電模型如圖2所示，兩端母線分別為A、B，在距離A端L處安裝一個檢測裝置Q，即AQ=L，其中L為任意值。O表示故障發(fā)生地，但不僅限于AB之間，也可以是A點和B點。每個測量裝置都安裝有高精度的GPS同步時鐘和無線發(fā)射模塊，保證每個裝置的時間鐘同步，減小計算誤差。

圖2 輸電線路模型

故障行波的傳播速度在相同介質(zhì)內(nèi)傳播速度是一樣的，設(shè)行波的傳播速度為V0，若故障點為Q，則傳播到A點所用時間t0為：

若時間點t在輸電線路O點發(fā)生故障，故障行波波頭到達檢測裝置和端點的時間分別為t1和t2，若t2＜t0，則可以確定故障區(qū)間為AQ段；若t2＞t1，則故障發(fā)生在QB區(qū)間，根據(jù)故障發(fā)生在不同區(qū)間進行定位計算的公式如下：

1）當t2＞t0時，可以確定故障處于QB之間，如圖3所示。

圖3 故障發(fā)生在QB之間

列方程如下：

求解方程為：

故障點距A端距離公式：

2）根據(jù)上述分析，當t2＜t0時，故障位置可以確定為AB之間，建立方程組：

求解可得：

則故障點位置距離A端位置為：

由上述公式可知，本文提出的故障定位算法可以在線路全長未知的情況下，通過到達兩端的時間來得到故障發(fā)生的精確位置，可以降低線路總長對精度的影響，不需要分析反射波，可以忽略行波在導(dǎo)線內(nèi)傳播速度變化，提高系統(tǒng)檢測精度。

2.2 檢測系統(tǒng)工作設(shè)計方案

整個裝置的設(shè)計分為硬件和軟件兩個部分來開展：硬件方面的設(shè)計主要實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時采集及I/0接口的設(shè)計，主要包括傳感器、運放電路、濾波電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、模擬開關(guān)電路和電源電路等部分組成；軟件的設(shè)計要求是要控制整個系統(tǒng)的正常功能實現(xiàn)與調(diào)試，包括主程序、信號轉(zhuǎn)換程序、接口控制程序等。圖4為系統(tǒng)的整體設(shè)計圖。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計框圖

實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的核心在于FPGA控制器的選型及設(shè)計，其能夠快速響應(yīng)PC的PCI總線及USB總線發(fā)出的命令，通過DDRI芯片陣列來保存接受的實時數(shù)據(jù)。通過結(jié)合FPGA+MCU的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)系統(tǒng)主控邏輯思路的實現(xiàn)，控制采樣電路的A/D器件，通過MCU來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、遠程通信及上位機顯示等。

本文研究的故障檢測裝置GPRS 模塊選取了SIM300C，SIM300C作為目前應(yīng)用廣泛的GPRS通信模塊，技術(shù)成熟、尺寸小、低耗能等優(yōu)勢，工作電壓范圍為3.4～4.5V，額定電流峰值為2A，能夠自適應(yīng)三頻或四頻的工作環(huán)境。其內(nèi)部集成了射頻電路和GSM基帶電路，擁有兩個串口和兩個模擬音頻接口等，能夠在不用移植TCP/IP協(xié)議的情況下進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。圖5為通訊流程框圖。

圖5 模塊通訊流程框圖

3 案例分析

為驗證該裝置在實際輸電線路中的運行情況及定位準確性，分析一些具體輸電線路案例。220kV某線路發(fā)生單相接地故障，發(fā)生故障后線路跳閘，而后重合閘成功，線路恢復(fù)正常。診斷如下。

（1）根據(jù)工頻電壓和行波確定是否為故障及是否重合閘

設(shè)備檢測到工頻磁場突然增加又消失了，出現(xiàn)工頻磁場的同時工頻電場減小，判斷為其中一相發(fā)生故障，導(dǎo)致該相分閘，合成電壓的幅值就會相應(yīng)降低；行波電流中，2號桿塔和96號桿塔檢測設(shè)備的行波極性相反，因此判斷該故障點為該兩個桿塔之間的區(qū)域。由于檢測設(shè)備只能測量到變化大的信號，當信號平穩(wěn)后就不再上傳數(shù)據(jù)，因此根據(jù)圖6可知單相分閘后沒有重合閘，判斷該項重合閘沒有動作。

圖6 輸電線路故障工頻磁場及工頻電場波形圖

（2）行波定位故障點

2號桿塔和96號桿塔上的檢測設(shè)備檢測到的行波波頭極性，根據(jù)兩個設(shè)備檢測的行波波形來確定到達兩端設(shè)備時間差，利用電磁波在導(dǎo)線上傳播速度來判斷故障行波產(chǎn)生的位置，從而定位故障點，如圖7所示可知兩個行波波頭時差為31.8μs，可以推算出故障距離2號桿塔10482.5m，實際巡檢人員檢查發(fā)現(xiàn)故障點距離2號桿塔10424m，可知精度范圍在100m內(nèi)，可以有效地幫助巡檢人員定位故障點。

圖7 輸電線路兩端檢測設(shè)備測量的行波電流波形圖

分析上述過程可知，本文設(shè)計的非接觸式輸電線路故障檢測裝置可以精確地定位故障位置，且可以傳輸輸電線路相關(guān)數(shù)據(jù)，故障發(fā)生前后的工頻電流、工頻電壓、行波電流、行波電壓等，可以進一步分析線路的故障類型等情況。

4 結(jié)束語

針對目前輸電線路接觸式檢測裝置存在的問題，本文利用微分環(huán)原理進行故障行波檢測，設(shè)計出了基于感性檢測的非接觸式輸電線路故障檢測裝置，并通過實際線路運行情況進行檢驗，證明了該裝置在輸電線路故障檢測中故障定位及類型判斷的有效性。

1）本裝置基于微分環(huán)原理設(shè)計的故障信號傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路故障信息的非接觸式測量，具有測量方便、測量信息全面及安全性高等特點。

2）實現(xiàn)自積分方式計算被測電流，使得系統(tǒng)簡化，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，降低制造成本，適合大規(guī)模推廣。

3）通過實際線路驗證，發(fā)現(xiàn)測量精度高，定位誤差在100m內(nèi)，能夠滿足電力系統(tǒng)對檢測裝置的精度要求。