基于非接触式传感技术的小电流接地定位系统研究

王邦惠++刘斌++梁中会++孙晓晨++王玥婷++胡婷婷++吕志远

摘 要：我国6～66kV配电网广泛采用中性点非有效接地方式运行，为小电流接地系统。为提高供电可靠性，站内一般安装小电流接地选线装置。目前应用的小电流接地选线装置多采用暂态选线方法。本文介绍了一种配电网故障定位系统，即在架空线路下方加装一种采集磁场信号的非接触式传感器，通过暂态磁场变化信息再结合站内选线系统进行选线定位。本系统采用的定位方法是将故障区域分成多段，故障数据带有GPS绝对时间标签，避免时间不统一引起误差。该系统与站内选线系统相互配合，极大地提高了定位的准确性，且成本低廉，实施简单。

关键词：选线 定位 磁场 非接触式传感器

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0047-02

我国6～66kV配电网一般采用辐射状网络，线路较长、分支众多、结构复杂，即使确定故障出现也很难查找故障点，需要人工巡线去排查故障，耗时耗力[1]。目前，用于配电网故障定位的装置主要有两种：一是故障指示器；二是馈线终端单元。故障指示器依旧需要线路维护人员巡线确认，且容易出现故障，检修困难，不利于大面积推广应用。

本文提出一种应用于架空线路，基于非接触传感技术的小电流接地故障定位系统，可以进行故障线路区段定位，极大地缩短人工巡线距离，节省了人力、物力，利于及时排除故障。

1 系统架构

站内和站外的设备通过4G网络连接，所有数据都存贮在站内小电流接地故障选线装置上。无论站内还是站外的设备都带有GPS对时模块。所有的录波数据都带有绝对时间标签。应用于架空线路，基于非接触传感技术的小电流接地故障定位系统的系统架构如图1所示。

1.1 监测单元

监测单元由非接触传感线圈、处理单元和4G模块构成，用于采集接地时线路周围磁场变化信息，为区段定位提供判据。一套系统包含多个检测单元，一般主干线首端与末端必须各加装一个，分支线首端与末端必须各加装一个，中间部分可视线路长短酌情加装。

监测单元安装于三相架空线B相正下方。当线路发生接地故障时，选线装置启动进行选线，此时，监测单元开始对故障线路下方周围磁场信息进行采集处理并打包，通过4G模块发送到站内主机中。主机对故障信息进行解压，通过软件整合各个区段的磁场信息，以此为判据并进行区段定位。

监测单元内置4G模块，够无线传输且能以极高的速度传输数据，比目前家用宽带ADSL（4G）快25倍，4G信号覆盖范围广，且安装方便，与传统通信线缆相比，具有不可比拟的优越性。

1.2 站内选线系统

站内选线装系统为本公司自主研发，内置暂态算法和稳态算法两种方法，优先采用暂态法。装置平时处于息屏工作状态，当发生接地故障时，母线上出现零压，选线装置以此为依据进入激活状态并开始选线。

1.3 后台系统

后台系统为本公司自主研发，位于小电流接地选线装置内。其主要功能是采集线路故障信息和监测单元传输的架空线磁场信息，通过对收集的数据进行处理和运算，确定故障线路和故障点的具体区段，将故障信息上报给调度，并将故障线路名称和具体区段以短信的形式通知线路维护人员使其快速排除故障，保证配电线路的安全稳定运行。

1.4 GPS对时模块

GPS对时模块位于监测單元中的处理单元内，主要作用是对检测单元采集的磁场信息与选线的零序电流信息打上绝对时间标签，保证所有的录波数据都带有绝对时间标签。当后台系统进行区段定位时，避免由于时间误差导致定位错误。

2 工作原理

2.1 选线原理

在SFB内，故障线路零模电流幅值比正常线路大，且极性相反。装置采样频率为7.8kHz，可采到SFB内的点。

根据国家电网规定，系统零序电压偏移不超过8V，由该信息，选线装置可设定一个电压门槛值VP，并实时检测母线电压U大小，VP的值一般为25V。

当配电网发生单相接地故障时，由于接地相电压变为0，母线中点会出现较大的零压，若

u≥VP （1）

选线装置启动并进行采样，采样点由采样频率决定，一般为78个点。系统对采集到的电流值进行有效值计算。

随后，装置对每条线路零序电流的幅值进行比对，选出3条零序电流幅值最大的线路，再通过比较极性最终确定出故障线路。

2.2 区段定位原理

在特征频段（SFB）内，零模网络所有线路均可等效为集中参数电容。故障线路故障点至母线区段的监测点监测到的功率主要为所有线路等效电容吸收的无功功率；故障线路故障点至负荷区段监测点检测到的为监测点到负荷段等效电容吸收的无功功率。因此，可根据故障线路各个监测点的无功功率方向确定故障区段。

为提高区段定位的准确率，减小站内主机的计算量，可将线路分成若干区段，如某条故障线路A，根据故障线路监测单元在本线路的安装位置进行编号，分解成A1、A2、A3、...AN段，设A1段有a个监测单元，A2段有b个监测单元，A3段有c个监测单元，AN段有n个监测单元。

暂态无功功率为电压信号的Hilbert变换与电流信号在暂态时段内的平均功率。

其中，零序电压可由站内选线系统提供，利用空间电磁场感应获取故障信息，可以获取暂态故障电流信息。各个区段监测单元检测到的无功功率可表示为：

对各个区段的无功功率进行数值计算。

i区段有j个传感器，若

Mi

则i为故障区段，主机调取区段i所有元素，1≤k≤j，

若QAik及之前元素符号都为正，QAik之后所有元素都为

负，或QAik及之前元素符号都为负，QAik之后所有元素都为正，则具体故障区段为QAikQAi（k+1）；。

若对于任意一条线路，都有Mi=j则表示故障点不在区段内，在区段连接处，此时，所有数组内符号都一致，主机提取所有区段符号，1≤k≤n，若Q0Ak及之前区段数组符号都为负，QAik之后所有区段数组符号都为正，则具体故障区段在QAk与QA（k+1）连接处或QAk与QA（k+2）连接处。

3 系统工作流程

（1）站内小电流接地故障选线装置正常录波并根据设定的零序电压启动门槛值进行检测，站外线路上监测单元正常录波并实时接收站内小电流接地故障选线装置的故障启动信息。站内和站外装置的录波采样频率应一致，至少在6.4kHz及以上。

（2）当被监测母线段的出线发生故障时，站内小电流接地故障选线装置首先启动，并记录带有绝对时间标签的故障录波数据，包括启动前10个周波，启动后40个周波。启动后，对50个周波数据，以5ms的时间窗进行计算，找到零序电流信号的最大幅值区段，并根据此区段内数据使用暂态方法进行故障选线。最大幅值区段查找，以5ms内所有采样点实际值的平均值最大段为最大幅值区段[2]。

（3）站内选线后，并发消息给故障线路上所有非接触式传感装置，并调取数据。发送的消息内容包括带有绝对时间标签的启动时间点、零序电压及零序电流。零序电压和零序电流的数据为使用暂态方法进行选线的最大故障区段内的数据。

（4）监测单元，根据要求将带有绝对时间标签的零序电压及零序电流与本身启动点前后的数据进行计算，并将计算值发送至站内装置。计算方法包括零序功率方向、零序电流与非接触式传感装置的录波波形比较等方法。站内装置根据收取的数据进行比较判断确定故障区段[3]。

4 结语

配电网一般采用辐射状网络，线路较长、分支众多、结构复杂，即使确定了故障出现也很难查找故障点，需要人工巡线去排查故障，耗时耗力。用于配电网故障定位的方法有很多，但是大多都停留在理论层面，实现复杂。利用本方法进行配电网单相接地故障区段定位，由于采取的是高频暂态量，不受系统中性点接地方式的影响，无需注入信号，具有实施简单，适用性强，可靠性较高等优点。在烟台供电公司进行现场试验验证了其可行性。

参考文献

[1] 董莉娜.10kV配网单相接地故障小波选线方法研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[2] 田薇.基于嵌入式应用的智能绝缘检测仪设计[J].电子技术与软件工程，2015（19）：208.

[3] 趙华玮.一种基于Linux嵌入式的智能瓦斯监测设计[J]. 自动化与仪器仪表，2016（8）：106-107.