基于三相对称电压注入法的配电网接地线检测技术

程乐峰，余 涛

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）

0 引言

配电网临时接地线检测是配电作业重要的一环［1-2］。配电网检修和改造过程中，必须挂接临时接地线，以保证工作人员的人身安全。在作业完成后，必须拆除接地线以及相关的装置，变电站才能合闸送电［3-4］。若在合闸送电之前，仍存在接地线没有完全拆除的情况，便会发生带接地线合闸送电的恶性事故。带接地线合闸会造成三相短路，短路发生后，线路中的电流骤增，不仅会破坏配电设备，造成大范围停电，引起大量的负荷损失，影响工业用电，还会危及电力工作人员的人身安全。

为了防止带接地刀闸或接地线送电这一恶性误操作事故的发生，变电站会装设五防系统，通过一系列逻辑判断和电气连锁及机械锁具进行闭锁，这对防止误操作事故的发生起到了一定的作用［5-6］。尽管五防系统可以防止带接地线合闸这一电气误操作事故，但它还存在严重不足：现有的五防装置不能解决检修线路上的临时接地线安全拆卸问题［7-9］；不能用于线路检修进行安全监视而导致出现漏拆接地线的可能性［10］；不能反馈信息使调度人员了解接地线拆除情况，导致调度误下命令合闸送电［11］。

在高压输电网以及变电站中，已经出现了不少监测系统［12-13］和检测装置［14-15］。 但由于配电网的复杂性以及检测原理的差异性，这些设备在10 kV及以下电压等级配电网中并不适用。

已有的配电网接地线检测技术研究［16-24］或多或少存在一定的检测局限性、准确性和稳定性方面的问题，没有太大的实际应用价值，对配电网复杂的电气环境的适应性较差，难以满足工程上大规模推广的实际需要。

为了获得造价低、实用性强、覆盖面广的新型接地点智能检测装置，本文提出一种基于三相对称电压注入法的配电线路临时挂接地线检测方法，并开发了检测装置。该装置的逆变单元产生某中频段且频率可调的三相对称电压检测信号，并注入配电检修或改造线路，对三相回路进行检测（三相回路由装置、待测线路、大地、临时挂接地线和装置接地线等构成）；提取三相回路电流采样信号，经滤波、调理放大后送入装置CPU进行综合判断分析。通过模拟三相短路过程，采集回路电压、电流信号，识别线路检测回路是否闭合，进而判断是否存在未拆或漏拆接地线，并显示检测结果，以便检修人员快速查找并拆除临时挂接地线。所提检测方法和开发的检测装置对于安全合闸送电、防止带地线合闸恶性事故的发生具有十分重要的意义。

1 检测原理

图1为检测原理示意图。由图可见，发生三相短路后，若不考虑装置自带限流电阻，则每一相的电流计算值为：

图1 检测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of detection principle

其中，uf为注入电压信号（单位为V）；r0为线路单位长度电阻（单位为Ω／km）；x0为线路单位长度电抗（单位为 Ω／km），x0=ωL0=2πfL0，L0为线路单位长度电感（单位为H／km），f为逆变桥输出的注入电压信号频率；l为测试线路接地点与测量点距离；Rx为等效接地电阻，Rx=RG1+RG2。

为了排除接地电阻的影响，以极坐标形式表示，假定注入电压信号为U∠0°，电流信号为I∠，将电压、电流代入式（1）中，得：

令：U ／I=R，注入电压信号频率为 f，ω=2πf，线路呈感性，电压相角超前电流，即为负角度且-180°<<0°。 将式（2）等号两边展开，实部和虚部对应相等。则有：

利用式（3）即可求得测量点与接地点之间的距离l：

由式（4）可知，测量点与接地点之间的距离l与等效接地电阻 Rx无关，只与 U、I、φ、f和 L0有关。 当第i次注入电压信号频率为fi时，相应的测量点与接地点之间的距离li为：

其中，A=-1 ／（2πL0），为常数。

由此可得l正比于电压和电流的幅值比值、注入信号频率倒数及电压和电流相角差的正弦值，即：

因此，在得到大量的 li（i=1，2，…，n）后，可使用最小二乘法或加权法进一步求出等效的较优的l，如采用加权法，给每个 li（i=1，2，…，n）赋予一个加权系数 ki（i=1，2，…，n），该系数与测量所处环境、所选测量信号具体频率等有关。式（1）—（6）未考虑装置自带电阻，在实际测量过程中，根据经验需要加一个限流电阻，以防电流过大烧毁仪器或危及测量人员安全，计及该限流电阻，则测量点与接地点之间的距离计算阐述如下。

在每组频率（频率为 fi，i=1，2，…，n）信号注入下，对回路三相电流进行采样，利用数字信号处理器（DSP）计算其幅值和相角，记为 IA∠A、IB∠B、IC∠C，一般线路呈感性，则A、B和C取负值。假设A相注入电压信号为UA∠0°，以A相为基准，则 B、C相注入电压信号分别为UB∠-120°和UC∠120°，则根据图1，可得三相回路方程为：

其中，R1、R2、R3分别为装置内部 A、B、C 相上自带的限流电阻；RLA、RLB、RLC分别为 A、B、C 相线路电阻；lA、lB、lC分别为 A、B、C 相线路测量点与接地点间的距离；XLA=x0lA，XLB=x0lB，XLC=x0lC；φA、φB和 φC分别为A、B、C相电流滞后对应电压的相角，取负值，可通过装置测量或计算得到；IA、IB、IC和 UA、UB、UC分别为回路三相电流和电压幅值，IA、IB和IC可通过装置测量或计算得到，由于采用三相对称电压信号，有UA＝UB＝UC=U。

在每组频率对称电压信号（频率为fi）下，根据式（1）—（6）的方法展开式（7），比较等号两边的实部和虚部，可计算得到各相的接地距离lA、lB和lC如式（8）所示。

对于式（8），可知计算的 A、B、C 相接地距离与接地等效电阻Rx及装置内每相自带的限流电阻Rj（j=1，2，3）无关，仍然满足式（6）的关系，即与每相注入的电压和电流信号幅值比值、信号频率倒数、电压和电流相角差的正弦值成正比。从另一方面看，若线路参数严格一致，装置自带限流电阻也一致，即RLA=RLB=RLC、R1=R2=R3，则输出三相电流相量也是对称的，且满足相量和为零，这样流过等效接地电阻上的电流为零，相当于接地电阻上始终为零电位，与接地电阻大小无关。短路掉线路上感应的对地电容电流，消除其给装置和操作人员带来的危险，这也是采用对称三相电压信号注入检测的原因之一。

根据式（8），对于每组频率的注入信号下，计算分别得到每相的接地距离 lAi、lBi和 lCi，取 lAi、lBi和 lCi的算术平均值作为该组频率fi下确定的接地距离lfi：

令n=100，根据式（10）测量得到100组接地距离数据集合，即｛lf1，lf2，…，lf100｝，取这 100 组数据的均方根平均值，可最终得到一个较佳的接地距离l，即：

l的计算值可在确定存在接地线的情况下辅助检修工人及时查找接地线并进行拆除，提高工作效率。

2 硬件设计

图2为检测装置的总体硬件结构设计原理图。图中，检测装置主要由数据处理芯片TMS320F2812、三相逆变电压源、线路残压检测单元、电流信号采样单元、注入电压信号采样单元、液晶显示和按键输入电路组成。检测装置充分利用数据处理芯片的AD转换模块、PWM波输出模块、GPIO输出模块，实现对电压电流信号的精确采样、三相逆变电源幅值和频率控制以及对继电器的开关控制。三相逆变电源与待检测线路通过继电器相连，当残压过大时，继电器动作，保证操作人员和接地线检测仪的安全。

图2 装置硬件设计图Fig.2 Hardware design of device

2.1 电流采样电路设计

电流采样信号由采样电阻上的电压获得，其值在mV级别，为了对电流信号进行处理，利用采样INA118芯片对电流信号进行放大。图3为一个通道的电流采样单元的电路设计原理图。

INA118具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，适合对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反馈结构使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度。由3个运算放大器组成差分放大结构，内置输入过压保护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益。

由于DSP允许的采样信号为0～3 V，因此通过INA118芯片将交流信号升至1.5 V之内，并通过运算放大器升至1.5 V，从而保证采样信号在DSP的允许范围之内［25-26］。

基于DSP2812的快速计算与处理能力，电流采样信号在送达DSP后进行数字滤波，从而极大地简化了电路设计，减小了工频电路信号的干扰。

图3 电流采样单元电路设计图Fig.3 Circuitry design of current sampling unit

2.2 信号源电路设计

通过PSCAD／EMTDC建模并进行仿真，仿真结果表明由于分布电容的存在，输电线路中注入信号频率越高，则分布电容上流过的电流越大，极大地影响了检测精度。同时为了排除线路中干扰信号的影响，信号频率应与工频信号错开。综合以上因素，最终选取500 Hz内的中频段信号作为信号源频率，并通过仿真和现场试验验证其可行性。

为了满足便携式测量的要求，检测装置采用12 V可充电锂聚电池作为电源输入。由于三相逆变电压幅值为10 V左右，因此需要通过升压电路将电压从12 V升高到20 V以上。装置采用“Boost升压+三相全桥逆变”的技术方案，如图4所示。

图4 信号源方案设计Fig.4 Schematic design of signal source

Boost电路将输入的12 V电压升压为20 V以上的直流电压，DSP2812输出3对互补的PWM波控制MOS管的通断，然后经过LC滤波电路得到10 V的标准正弦波。检测装置的MOS管采用IRF540，MOS管驱动芯片采用高性能的全桥MOS管专用芯片IR2110，可极大地简化电路设计并降低功率损耗。

3 判据设计和装置开发

本文所开发检测装置判断有无接地线存在的判据主要基于阈值电流法，装置对检测回路三相电流进行采样，通过滤波调理和放大后送入DSP进行综合判断分析。如前文所述，检测信号对回路进行扫频检测，得到一系列采样电流值，DSP对其进行统计分析，并依次与阈值进行比较。由PSCAD／EMTDC仿真和现场调研可知，当线路上不存在接地线时，线路上几乎没有电流；当线路上存在接地线时，通过注入电压信号，线路上的电流可达到几十甚至上百mA。图5（a）所示为单条无分支线路 PSCAD／EMTDC仿真图，假设0.2 s时有临时接地线接地，仿真后得到的电流波形图如图5（b）所示。

通过仿真得出：当没有接地线时，线路上流过很小的电流；当有临时接地线时，线路上流过的电流比没有接地线时大很多。因此，可以设置一个限值来判断有无接地线存在，本文检测仪装置判断接地线的依据为：

其中，I为实际检测电流；阈值电流I0取10 mA；γ为校正因子，0≤γ≤1，可根据现场实际实验情况作适当调整。γI0可取10 mA以下数值，即当检测信号（一般有几十至几百mA）超过且较大于阈值I0时，线路中存在未拆除接地线。通过大量的现场试验发现，若线路不存在接地线，则采样回路电流值只有几mA，不超出10 mA，大多时候甚至接近于0，达到μA级，这可以通过下文的现场试验观察到。

另外，为了提高检测精度，数据处理芯片每周期采样256个点。信号处理算法采用FIR数字滤波和快速傅里叶变换（FFT）［27-28］：先采用 FIR 进行数字滤波，然后利用FFT计算工频以及注入频率下的电压、电流大小及两者的相位差。最后根据计算得到的特定频率信号注入下的电压、电流大小及两者的相位差，依据式（1）—（12）即可得到接地点距采样点的大致距离，辅助检修人员确定并拆除接地线。

图5 单条无分支线路仿真模型和电流波形图Fig.5 Simulation model of single line without branch and simulative current waveform

图6 装置检测流程图Fig.6 Flowchart of detection with device

装置检测流程如图6所示，图中阀门阈值Upan根据装置、人体电压安全等级在DSP芯片内设置，用于对残压U0进行判断。

4 现场试验

在肇庆广宁县新建基建10 kV线路进行了现场试验。该线路为双回线路，由220 kV翠竹变电站引出，其中，9号杆塔与24号杆塔距离3369 m；18号杆塔与24号杆塔距离1584 m。装置挂接在24号杆塔进行测量，分别在9号和18号杆塔挂接地线进行了5组试验：存在三相接地线试验，存在两相接地线试验，存在单相接地线试验，存在相间短路试验及无接地情况试验。测量时采用供电局常用的摇表进行对比测试。在9号和18号杆塔的5组试验中，样机均可正常检测并显示各种接地故障以及拆除接地线后的线路情况。

图7为所开发的接地线检测装置在现场检测存在三相接地线试验、存在两相接地线试验、存在单相接地线试验及存在相间短路情况试验的液晶模块显示结果。

图7 现场试验结果Fig.7 Results of field test

5 结论

a.在配电网检修或改造工作中，在恢复合闸送电前需要检测临时挂接地线是否存在，因此本文研究了配电网线路接地线检测技术，并开发一种基于DSP的接地线检测装置，主要功能单元包括三相电流采样电路、三相全桥逆变单元、核心DSP控制和分析单元等，该装置采样精度高，可准确采集检测回路三相电流有效值。

b.装置可对三相接地线接地、两相接地线接地、单相接地线接地和相间短路情况进行有效检测和识别，并在检测接地线存在的基础上，计算测量点与接地点之间的距离，辅助检修人员及时确定并拆除接地线，提高效率。

c.通过仿真和现场试验，装置选用500 Hz以下的中频段作为注入检测信号的频率（间谐波效果更佳），可有效降低分布电容电流的影响，并抵制信号干扰。所开发装置对于实现安全合闸送电具有重要的意义，可为各供电局、电力试验单位等企业的检修部门提供一定的借鉴和参考。

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