故障点直流电压补偿法在配电线路故障测距装置中应用

赵会新

（吉林市北华大学 后勤管理处，吉林 132013）

0 引言

输电线路发生故障造成停电，对国民经济中的各个行业均造成较大影响，对于一级负荷，一般设有后备电源，如果后备电源也失去，将会造成重大的财产损失和人生伤亡事故，或者造成重大的政治影响；对于二级负荷，将会造成较大的经济损失和较大政治影响，停电也会对人民生活造成诸多不便。由于城市街道、院校、医院、工厂等利用电力电缆供电的情况越来越普遍，因找不到故障点而导致整条电缆线路报废的情况，在供电区域中时有发生。这种情况不仅造成难以估计的停电损失，而且还带来重新更换，敷设电缆的巨大经济损失[1,2]。因此，故障点的快速、准确定位对提高供电可靠性具有重要的实际意义。有的农网线路甚至翻山越岭，延伸十几公里，多处“T＂型连接，使查找工作更为困难。因此，如果能快速定位故障点的大致位置，将大大减少查找故障点的工作量，也将减少停电时间。现有的低压电力电缆故障检测装置存在一些不足，无法满足低压电力电缆故障检测的需要，配网架空线路故障测距装置也是一项急待研究的领域[3]。本文主要针对故障点直流电压补偿法在配电线路故障测距装置中应用问题进行分析讨论。

1 配电线路故障测距的故障点直流电压补偿法

1.1 低压电力线路数学模型的建立

要测量输电线路故障距离，首先应做模拟试验，而模拟试验应先建立低压电力线路的数学模型。输电线路的模型可用图1表示，线路的参数分别有电阻、电抗、电导和电纳，这些参数是沿线路长度均匀分布的，为了计算方便，当线路长度在300 km以内时，常将常将分布参数用集中参数R、X、G、B表示，中、低压电力线路与高压电力线路相比，有以下特点：

1）电压等级较低，不存在电晕损耗，故可以认为电导G≈0，可以忽略不计；

2）线路长度较短，一般为几公里到十几里，电容很小，对应的电纳B≈O，可以忽略不计；

3）中低压架空配线路参数一般可用简化等值电路模型表示，用集中参数电路模型来计算架空线路的故障距离，可以反映配电线路故障的真实情况。

1.2 直流电压补偿法及误差分析

图1 高压架空输电线路模型及误差分析

故障点直流电压补偿法就是在测量故障点的距离时，利用数学计算的方法，补偿故障点的电压，使故障点存在的电阻电压降不对测量结果构成影响的一种方法。

理论上分析，直流电压补偿法故障测距产生误差的原因，主要有下列几种：

1）故障点电阻太大，测距电流过小，故障线路上的压降过小，使测距造成误差。

2）故障点太近，线路电阻太小，故障线路上的压降过小，使测距造成误差。

3）线路上存在感应的交流电，使测距造成误差。

4）测量时，环境温度不等于250C而造成的误差。

5）测量时，元件参数变化造成误差。

1.2.1 故障点电阻过大造成的误差及消除方法

测距时的外加电动势E一定，若故障点电阻Rf很大时，电流I很小，故障线路的电压Ir0Lx=UBA≈0，很难测出故障参数。解决办法就是增加电源电压，使线路电流增大，从而使故障线路电压降增大，测量出故障距离。另外，使用高灵敏度的测量装置，也是解决办法之一。

1.2.2 故障距离太近造成的误差及解决措施

故障点太近时，线路电阻很小， Ir0Lx≈0，而测距装置电源提供的电流是有限的，因而故障线路的电压Ir0Lx=UAC-UBC=UAB≈0，很难测出故障参数。解决办法就是出现这种情况时，直接判断故障点就在距测量点10米之内。

1.2.3 线路存在感应交流电造成误差的解决措施

目前，我国的农村和城市的配电线建设步伐加快，电网星罗棋布，每条线路都有机会与其他同电压等级或不同电压等及的线路交叉，以及同杆架设，这会造成当一条线路由于故障退出运行后，虽然经过放电，仍会存在一定的感应交流电压，这对线路故障测距造成较大误差，因此必须想方设法消除感应交流电对测量误差的影响。解决的措施有两种：一种是采用模拟的低通滤波电路，滤掉交流感应电压，另一种是采用数字滤波技术，滤掉交流感应电压。采用模拟的低通滤波电路时，其优点是原理简单，容易实现，但由于需用到电容和电阻，使整个装置的体积变大，电路结构也变得复杂。如果采用数字滤波技术，会提高测量的精度，同时也会装置的结构得到简化，因而应优先考虑采用这种方法。

1.2.4 温度变化对测量误差影响及解决措施

温度变化对测量误差的影响有两方面：一方面是由于环境温度变化，使得线路参数随之发生一定的变化，造成测量误差，这部分误差可以通过查线路的电阻温度系数，在编写程序加以考虑，计算的时候加以补偿，测量时，只需输入即时温度，测距装置便可自动补偿。另一方面是由于仪器在使用时，温度变化，造成一些元件的参数发生相应的变化，从而影响到测量结果，对这部分误差，在实际中，主要是通过开机预热，使仪器温度达到稳定温度后再进行测量，从而减小温度变化对测量的影响。

2 故障点直流电压补偿法的配电线路故障测距装置研制

2.1 故障测距装置的构成

基于故障点直流电压补偿法的配电线路故障测距装置，主要由测距部分和电源部分组成，测距部分包括信号输入、Atmegal6单片机、显示器、按键等组成。故障测距装置的电源主要是由两部分组成，一部分是提供测量用的加在故障线路上的电源电压，另一部分是给测距部分提供的工作电压。测距部分的单片机、显示屏以及测量电源的控制电路均由5V电源供电，测量用的电源电压主要由12V直流蓄电池供电，经变换后得到连续可调的0-200V的直流电压，以满足测距的需要。测距部分由信号输入、低通滤波、Atmegal6单片机、显示屏、按键等组成。

2.2 测距部分

2.2.1信号输入

由于Atmegal6单片机只能接受0-+5V之间的电压，必须把测量的输入量变换后才能送到单片机。测量时，线路的电压降可通过装置的电压表来监测，保证其值不超过5v。电流量必须变换成电压量，才能输入。

为了减小测量误差，标准电阻可以实测，然后再通过按键输入到单片机，易于修改。另外，建立了输电线路各种规格型号电阻的数据库，在测量时，只须输入线路型号，程序即可调出该型号导线电阻r0，当然，也通过按健直接输入电阻值，在程序中计算出线路的电阻及相应故障点的距离，测量结果可显示在液晶屏上。

2.2.2 低通滤波

因离线测量时，线路大多数存在50Hz感应交流电，这对测量造成很大干扰，使测量造成误差。因此，要考虑把感应交流电过滤掉的低通滤波电路。传统的低通滤波电路，针对某一频率，一般选50Hz。

直流电压衰减很小。采用传统的低通滤波电路时，具有容易实现的优点，但电路结构复杂，同时由于采用到电容和电阻，这将会使装置体积增大，且不能滤除50Hz以上频率的感应交流电。如果采用数字滤波技术，用软件的方法在单片机中实现滤波，这样会提高测量的精度，同时也会减小装置的体积和重量，因而本装置采用数字滤波技术。

由于交流感应电压的频率一般为50Hz，与无线通信的感应电阻远大于50 Hz，即在停电线路上，交流感应电压频率一般均在50 Hz以上，因此，要将交流感应电压完全过滤，而对直流分量没有衰减，可设计低通滤波器的指标为：

采样周期：T=0.00166666(采样频率；600Hz)：

模 拟 指 标：fc=1Hz：δc≤ 3dB，fst=10Hz：δst≥ 40dB

数 字 指 标：ωc=0.0033Π；δc≤ 3dB，ωst=0.033Π，δst≥ 40dB

如果频超过50Hz，则衰减的分贝更大。可见，经过数字低通滤波后，50Hz及以上交流电压基本可以过滤，交流感应电对测量结果几乎没有影响。

2.2.3 ATmegal6型单片机

ATmegal6有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端EIA的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以OV(GND)为基准。器件还支持16路差分电压输入组合。两路差分输入(ADCI、ADCO与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADCl)，而其他任何ADC输入可作为正输入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入至UADC的电压保持恒定。

2.2.4 抗干扰措施

装置采取了一些抗干扰的措施，这些措施分为硬件措施和软件措施。干扰窜入系统的渠道主要有三条，即空间干扰(场干扰)，通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰，干扰通过与主机相联的前向通道、后向通道及与其它主机的相互通道进入。抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入微机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以CPU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。

硬件抗干扰措施中，空间干扰可用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以解决。主要是电源抗干扰、光电隔离抗干扰、配置去耦电容等措施，电源抗干抗措施是采用独立的直流电池供电。在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输是很有好处的，它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡。软件抗干扰采用了人工复位、指令冗余、采用Watchdog等措施。对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从0000H开始执行。为此只要在单片机的RESET端加上一个高电平信号，并持续10ms以上即可。

3 结束语

本文分析了低压架空配电线路和电缆线路参数特点，提出了低压配电线路故障测距的新方法一故障点直流电位补偿法。并在此基础上，制定出了低压配电线路相间短路和接地短路故障点的测距方法，对于装置各个部分进行详细设计分析，指出测距装置不仅可用于低压输电线路故障测距，也可用于高压输电线路电阻参数的测量，且带有数字低通滤波，可抵抗线路感应电压的影响，测量精确度较高。

[1] 周雪松, 张书瑞, 马幼捷.静止同步补偿器(STATCOM)原理及性能分析研究[J].机械设计与制造, 2009(12).

[2] 李维赞, 王吉岱, 孙爱芹.输电线路巡检机器人的设计与控制系统研究[J].制造业自动化, 2008, 30(11).

[3] 谷俊婷, 冯硕.配电线路导体对接9要点[J].制造业自动化, 2009, 31(10).