低压交流系统绝缘故障监测装置设计

吴江雄，徐 超，李 河，龙登其，吴文健

（1.广西电网公司桂林供电局，广西 桂林 541000；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州 510000）

电缆是变电站电能传送和信息传输的重要载体，变电站电缆主要在电缆沟中敷设，电缆沟上铺设盖板进行电缆保护。电缆沟中的电缆在运行中的监控通过值班员日常巡视实现，监控手段单一，且无法直接进行观察，对于电缆发生火灾或运行过程中的不安全隐患较难及时发现。

我们将从交流配电技术原理上分析交流系统绝缘故障特征，从应用角度分析交流绝缘故障危害；研究交流绝缘故障检测方法，提出交流绝缘故障监测装置设计方案。

1 低压交流系统绝缘故障特征及危害

1.1 低压交流配电系统

低压交流配电系统负荷分为三相平衡负荷、三相不平衡负荷和单相负荷三种类型。绝大多数交流配电系统为接地系统，即在变压器处中性线抽头接地。而为保障用电安全，各用电设备的金属外壳也要求可靠接地。

1.2 低压交流系统绝缘故障特征

从交流配电系统分析，交流配电网络线路有相线、N 线、地线，可能发生的绝缘故障有相间绝缘故障、相-N 绝缘故障、相-地绝缘故障和N-地绝缘故障四个类型的绝缘故障。

相间绝缘故障：火线与火线之间出现绝缘故障，绝缘故障电阻与负荷属于并联关系，打破原负荷的平衡度，导致的结果是火线电流增加、零线电流增加或减小。

相-N 绝缘故障：火线与零线之间出现绝缘故障，相当于增加一个单相负载，绝缘故障相线与零线出现电流增加。

相-地绝缘故障：火线与地线之间出现绝缘故障，由于站用变中性线可靠接地，也相当于增加一个单相负载，绝缘故障相线与地线出现电流增加。

N-地绝缘故障：N 线是站用变中性线引出，同时在变压器端可靠接地，N 线绝缘故障点与可靠接地点属于并联关系，属于多点接地。站用交流系统属电源系统，不用作为保护计量，允许多点接地。所以N 线绝缘故障无危害，可以不作重点关注。

1.3 低压交流系统绝缘故障危害

综合分析知，低压交流系统绝缘故障相当于增加交流电源系统负荷，故障可能引起的危害有火灾、损耗电能、损伤变压器等。

火灾：交流系统绝缘故障是增加负荷，由于所变功率很大，而故障所产生的电阻功率不一定够大，变压器电压额定，在电阻够小的情况下电流会很大，如此功率极大，此时如果故障位置功率不足火灾散热不好，极易引发火灾事故。

损耗电能：交流系统绝缘故障是增加负荷，负荷必定损耗电能，所以交流系统绝缘故障必定会损耗电能，造成能源浪费。

损伤变压器：交流系统绝缘故障是增加负荷，如果负荷功率大且功率足够、散热条件良好，故障长期保持，给变压器增加负担，变压器长期超载运行会影响寿命。

2 低压交流系统绝缘故障检测方法

在站用交流电源屏馈出支路安装电流测量CT，监测站用交流系统各馈出支路相电流状态。监测站用交流系统电压，通过电流和电压可计算馈出支路的视在功率。馈出支路设计容量千瓦及以上，站用变功率几十千瓦或者几百千瓦，几瓦或者几十瓦的绝缘负载对站用交流系统无任何影响，监测难度大。所以站用交流系统的高阻绝缘监测意义不大，监测低阻绝缘故障即可。研究分析知，监测站用交流系统绝缘故障的方法是通过监测系统电压和馈出支路电流，计算各馈出支路的视在功率Sn，设置各馈线支路正常态视在功率KSn，通过Sn 和KSn 比较计算站用交流系统绝缘故障。

3 低压交流系统绝缘故障监测装置设计

3.1 低压交流系统绝缘故障监测装置架构

低压交流系统绝缘故障监测装置设计由监测主机、监测模块和电流感应CT 组成。监测主机能够测量交流系统电压，通过485 方式下放给各监测模块；收集模块数据，运算分析故障情况，依据故障状态告警；完成人机交互等。监测模块能够测量CT 感应的电流，运用电压、电流计算支路实时视在功率，通过485 回传给主机；监测模块能够设计3 个电流采集通道，可接1～3 个CT，能够应对三相负荷和单相负荷。

3.2 低压交流系统绝缘故障监测装置设计目标

低压交流系统绝缘故障监测装置是通过采集交流系统电压和被监测支路电流评估交流系统绝缘故障，测量电压和电流是判断故障的前提，所以对装置的测量功能提出具体要求，在当前电子工业技术下，这些要求也易于实现，具体要求如下：①交流电压测量范围要求为0～300 V。②交流电源测量精度要求为0～80 V 显示数值，80～180 V 精度为1%，180～250 V 精度为0.5%，250～300 V 精度为1%。③电流采集要求CT 可配置，500 A 以内CT 可选配。④电流测量精度要求为0

3.3 低压交流系统绝缘监测装置主要构成部分

通过装置系统架构设计知，装置主要由电源部分、主控部分电路、电源采集电路、电流采集电路、通信电路和告警电路等组成。

电源部分：装置选用75 W 台湾明伟多路输出开关电源设计，电源输出12 V 供给触摸屏、继电器与测量模块电源，5 V 供给主机数字电路与模拟电路工作。其中模拟电路有高压采集需要隔离电源，数字电路需要3.3 V 电源，该部分电源采用电源芯片从5 V 电源变送输出。5 V 隔离电源采用金升阳电源公司的0505 隔离电源模块设计实现。3.3 V 电源采用电源芯片ASM1117 设计，实现5 V 电源转3.3 V 功能。

主控部分电路：主控CPU 选用STM32F103ZET6。该芯片是ARM 32 位的Cortex™--M3 CPU，具有运行速度快、存储量大、功耗低和各种功能接口数量众多的特点。该CPU最快72 MHz 工作频率，12 通道的12 为AD 通道，多达112个快速双向I/O 口，多达13 个通信接口，其中有USB2.0 全速接口和SDIO 接口。

电压采集电路：电压采集是一个带隔离的电压采样电路；左下角的2405 是一个隔离的DC/DC 电源模块；上面部分是电压采样电路，电压首先通过R053 的分压使得光耦（HCPL-7840）输入电压控制在0～200 mV 之间，电压经过光耦（HCPL-7840）的放大后再经过运放（LM358）的放大，搭配运放（LM358）的输入与反馈电阻使得输出最高电压接近AD 的基准电压，电压信号完成放大后经过一级低通滤波直接进入CPU 进行AD 采样。

电流采集电路：线路电流通过CT 感应后，经放大电路，进行二级放大后进行CPU 进行AD 转换换算。设计3 路电流采集电流。

通信电路：通信电路设计有一片电平转换芯片SN75LBC184，该芯片完成CPU 信号转换为485 电平信号，PCB 板上还放置一个4 位接线端子CON2，方便接线到机箱接线端子。装置主机设计2 路485 电平转化电路，其中一路用于与测量模块通信，一路用于与上位机通信；测量模块设计1 路485 电平转化电路，用于与主机通信。

告警电路：干接点输出的驱动电路，继电器选用的是松下的TX2-12V，具有两路常开常闭，在本次电路中使用了一路常闭和一路常开，而驱动方式使用的是场效应管方式。装置设计2 路干接点电路，其中一路输出绝缘故障，一路输出装置故障。

4 小结

本文从电路原理分析切入交流配电系统分析交流系统绝缘故障现象与特征，总结交流绝缘故障危害。依据交流系统绝缘故障特征总结出测量交流系统绝缘故障方法，设计了交流系统绝缘故障监测装置，并提供了所设计装置架构、电路等资料。依据文中资料可完成交流系统绝缘监测装置生产，解决交流系统绝缘故障无监测问题，保障交流系统可靠运行。