陳軒　朱超

摘要：特高壓輸電不僅可以有效降低輸電損耗，優(yōu)化資源配置，還可以明顯提高輸電走廊利用率，因此發(fā)展特高壓輸電意義重大。而站用電系統(tǒng)作為特高壓變電站的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行可以為特高壓輸電保駕護(hù)航。鑒于此，立足于B型剩余電流檢測(cè)，利用LoRa組網(wǎng)構(gòu)建了絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)漏電流信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，還可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)閾值的保護(hù)自啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，搭建的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好地滿足站用電系統(tǒng)的要求，為特高壓站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：特高壓輸電;站用電系統(tǒng);B型剩余電流檢測(cè);LoRa組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM93 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）02-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.001

0 ? ?引言

特高壓輸電在優(yōu)化電力資源配置、提高輸電走廊利用率和保護(hù)環(huán)境等方面具有重要意義，故作為電力樞紐的特高壓變電站在電網(wǎng)中的地位尤為重要。而站用電系統(tǒng)是特高壓變電站的重要組成部分，其工作狀態(tài)極大地影響著特高壓變電站的運(yùn)作。站用電系統(tǒng)的絕緣出現(xiàn)問(wèn)題[1]會(huì)產(chǎn)生漏電流，漏電流會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生一定威脅，小于10 mA的漏電流對(duì)人的影響還不是特別嚴(yán)重，但當(dāng)漏電流達(dá)到30 mA時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人員觸電并有一定的生命危險(xiǎn);除此之外，漏電流還會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致電氣火災(zāi)等事故，存在著嚴(yán)重的安全隱患[2-3]。因此，靈敏地檢測(cè)出漏電流并及時(shí)處理顯得十分重要，目前采取的有效措施是安裝漏電保護(hù)器。

漏電保護(hù)器在特高壓站站用電系統(tǒng)的保護(hù)中一直扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器依賴于交流漏電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，而對(duì)于直流系統(tǒng)，漏電流不能產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，傳統(tǒng)保護(hù)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)保護(hù)，因此直流漏電保護(hù)技術(shù)的研究已不容忽視。同時(shí)，隨著站用電系統(tǒng)直流裝置的不斷增加，越來(lái)越多的交直流變換環(huán)節(jié)應(yīng)用于站用電系統(tǒng)，這就使得站用電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的故障電流除了工頻故障電流外，還可能是不同頻率的交流、平滑直流、脈動(dòng)直流以及復(fù)合交直流。面對(duì)這些復(fù)雜的情況，傳統(tǒng)的AC型以及A型漏電保護(hù)器無(wú)法形成保護(hù)，甚至?xí)诎l(fā)生直流漏電時(shí)失去對(duì)交流漏電的保護(hù)功能，成為特高壓站站用電系統(tǒng)的重大隱患。

交直流混合漏保也稱B型漏電保護(hù)[4-5]，國(guó)外對(duì)其研究起步較早，且制定了許多標(biāo)準(zhǔn)性的文件，目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善中。但由于該技術(shù)難度較高以及國(guó)外的壟斷，為了打破現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電網(wǎng)所必需的核心技術(shù)和核心基礎(chǔ)裝置的把控，亟需研究和開發(fā)可靠性高、成本低的交直流漏電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及核心部件。

本研究以B型剩余電流檢測(cè)保護(hù)為突破口，開發(fā)智能開關(guān)與檢測(cè)保護(hù)裝置，同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，開發(fā)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能的在線監(jiān)控系統(tǒng)，推進(jìn)電網(wǎng)安全升級(jí)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

1 ? ?基于磁通門電流傳感器的漏電保護(hù)技術(shù)

1.1 ? ?磁通門電流傳感器的工作原理

磁通門傳感器主要應(yīng)用磁通門理論[6-7]，具體來(lái)說(shuō)是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。相較于其他類型磁傳感器，磁通門傳感器具有分辨率高、穩(wěn)定性良好、弱磁場(chǎng)測(cè)量范圍較寬、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)分量等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，不同于某些電流傳感器只對(duì)交流有效的情況，磁通門電流傳感器對(duì)交直流均起作用。

圖1展示了磁通門電流傳感器的工作原理：激勵(lì)繞組與檢測(cè)繞組同時(shí)纏繞在磁芯上，在與磁芯相垂直的方向上有一個(gè)電流I，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)Ho，進(jìn)而影響磁芯內(nèi)的磁場(chǎng)B，磁芯內(nèi)磁場(chǎng)的改變會(huì)通過(guò)檢測(cè)線圈的電壓信號(hào)表現(xiàn)出來(lái)，信號(hào)所含各諧波中對(duì)磁芯內(nèi)磁場(chǎng)影響最大的是二次諧波，利用這一點(diǎn)可以濾除檢測(cè)線圈上除二次諧波以外的電壓信號(hào)。濾波后所得到的二次諧波電壓，不僅其正負(fù)可以作為要檢測(cè)的電流方向的參考，而且其幅值與要檢測(cè)的電流也是近似成正比的。

1.2 ? ?漏電保護(hù)技術(shù)

直流漏電磁通門傳感器系統(tǒng)以高磁導(dǎo)率磁芯為基礎(chǔ)，磁通門技術(shù)的芯片開發(fā)為核心，進(jìn)行高度集成的磁通門原理SoC傳感芯片開發(fā)，并涉及數(shù)?；旌闲盘?hào)技術(shù)研發(fā)、單芯片SoC研發(fā)、可編程技術(shù)研發(fā)，融各類技術(shù)于一體，組成超小型模組，實(shí)現(xiàn)直流漏電磁通門傳感器模塊的自動(dòng)化、低成本和大批量生產(chǎn)。

直流漏電磁通門傳感器檢測(cè)原理如圖2所示。

漏電保護(hù)器是由電流互感器作為其檢測(cè)元件，這種互感器一般由環(huán)形鐵芯和繞組構(gòu)成;其中激勵(lì)源能夠周期性翻轉(zhuǎn)接收信號(hào)，輸出絕對(duì)值相等、極性相反的方波電壓;由檢測(cè)控制模塊判斷激磁電流是否達(dá)到閾值，并分析激磁電壓或激磁電流波形。

圖3（a）為無(wú)漏電流時(shí)的波形示意圖。在正半周期中，方波激勵(lì)源發(fā)出的正電壓使得磁芯被正向磁化。磁芯正向飽和時(shí)，其發(fā)出正向激磁電流的強(qiáng)度達(dá)到閾值，觸發(fā)檢測(cè)控制模塊發(fā)出翻轉(zhuǎn)信號(hào)，方波信號(hào)進(jìn)入負(fù)半周期。此時(shí)磁芯被反向磁化，達(dá)到飽和時(shí)，反向激磁電流再次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)信號(hào)，周期結(jié)束。由于此時(shí)輸入、輸出電流對(duì)稱，磁芯完全由方波信號(hào)磁化，故激磁電流的波形對(duì)稱。

當(dāng)電流中存在正向漏電流時(shí)，漏電流額外的磁化作用會(huì)導(dǎo)致磁芯提前達(dá)到飽和，激磁電流波形下移，如圖3（b）所示。故只要檢測(cè)激磁電流的對(duì)稱性，就可以對(duì)各種類型的漏電流進(jìn)行檢測(cè)。

2 ? ?絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?整體功能框架設(shè)計(jì)

本研究的對(duì)象為B型剩余電流動(dòng)作斷路器，主要包括兩大部分：斷路器部分和對(duì)B型剩余電流進(jìn)行檢測(cè)以及控制斷路器執(zhí)行跳閘的電子部分（漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊），兩部分的組合及接線方式如圖4所示。漏電檢測(cè)及執(zhí)行單元內(nèi)部含有較多的功能單元，2.2中會(huì)有單獨(dú)的介紹。斷路器部分接線分為進(jìn)線端和出線端，分別實(shí)現(xiàn)斷路器的進(jìn)線與出線的通斷功能，傳統(tǒng)的漏電保護(hù)斷路器電子部分采用后端取電，即從斷路器的出線端取電。當(dāng)斷路器跳閘后，電子部分也掉電失效，重新合閘才能恢復(fù)工作。而本研究的B型漏保（圖4）采用前端/后端雙取電，前端取電對(duì)核心處理單元等功能單元供電，保證跳閘后不斷電，實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)在線的功能;后端取電對(duì)脫扣控制單元等供電，跳閘后切斷電源，保護(hù)電子器件不受損壞。

2.2 ? ?漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊功能設(shè)計(jì)

本研究的漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊，其內(nèi)部功能組成如圖5所示，包括電源單元、核心處理單元、LoRa無(wú)線單元、脫扣控制單元和漏電檢測(cè)單元。電源單元從進(jìn)線端取電，將交流電整流濾波后再進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換，變成穩(wěn)定的低壓直流電供給核心處理單元、漏電檢測(cè)單元及LoRa無(wú)線單元。漏電檢測(cè)單元將檢測(cè)到的漏電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成核心處理單元可識(shí)別的信號(hào)后進(jìn)行采集，計(jì)算出當(dāng)前的漏電流值，核心處理單元再把漏電流值實(shí)時(shí)傳遞給LoRa無(wú)線單元，讓其上傳到主站。核心處理單元同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的漏電流值與門限值進(jìn)行比較，達(dá)到跳閘門限時(shí)，對(duì)脫扣控制單元進(jìn)行控制，脫扣控制單元?jiǎng)幼鲙?dòng)斷路器進(jìn)行跳閘。

2.3 ? ?脫扣控制單元設(shè)計(jì)

上文提及的脫扣控制單元如圖6所示，在傳統(tǒng)漏保開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了斷路器分合閘狀態(tài)檢測(cè)的功能，可以判斷其處于合閘狀態(tài)還是斷開狀態(tài)，再將斷路器的狀態(tài)信息傳遞給核心處理單元，最后由LoRa無(wú)線單元發(fā)出，目的是讓主站知道此斷路器現(xiàn)在處于何種狀態(tài)。

脫扣控制單元從出線端取電，進(jìn)行整流后再經(jīng)過(guò)一個(gè)反饋光耦，最終到穩(wěn)壓電路中形成狀態(tài)回路。光耦內(nèi)部由發(fā)光二極管與受光器組成，利用發(fā)光二極管狀態(tài)對(duì)受端進(jìn)行作用：當(dāng)出線端有電時(shí)為合閘狀態(tài)，此時(shí)光耦輸出一種狀態(tài);跳閘之后，出線端斷電，此時(shí)光耦輸出另一種狀態(tài)。狀態(tài)信息傳輸?shù)胶诵奶幚韱卧?，就可以利用光耦狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分合閘狀態(tài)的長(zhǎng)期在線監(jiān)控。

2.4 ? ?LoRa組網(wǎng)設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)、低功耗的遠(yuǎn)距離通信[8-11]，每一個(gè)漏保開關(guān)都組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部采用433 MHz LoRa無(wú)線模塊，采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個(gè)基站，再由基站通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器開通接口，可以通過(guò)手機(jī)App及PC進(jìn)行訪問(wèn)，查看每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。圖7為L(zhǎng)oRa組網(wǎng)設(shè)計(jì)邏輯。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文首先對(duì)高靈敏自適應(yīng)磁通門傳感技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高靈敏漏電流檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度達(dá)到60 μA。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新型B型直流漏電保護(hù)開關(guān)裝置，對(duì)相關(guān)1 kHz高頻剩余電流、平滑直流剩余電流、兩相整流剩余電流以及復(fù)合波進(jìn)行了檢測(cè)并執(zhí)行動(dòng)作，各類電流波形如圖8所示，波形具體參數(shù)信息如表1所示。

然后使用B型剩余電流測(cè)試臺(tái)對(duì)研發(fā)的高可靠性B型RCD性能進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示，測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)文件[12]的動(dòng)作測(cè)試要求。

基于已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的B型漏電保護(hù)開關(guān)，本研究開發(fā)了一套站用電系統(tǒng)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，引入LoRa無(wú)線通信、邊緣計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成完備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)，漏電流信息經(jīng)邊緣計(jì)算后，通過(guò)LoRa無(wú)線通信技術(shù)經(jīng)外置基站由4G公網(wǎng)上傳至電力智能控制平臺(tái)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程應(yīng)急處理等功能。圖10為本研究搭建的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖10僅展示了平臺(tái)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)用中每個(gè)漏保開關(guān)都將成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部均采用433 MHz LoRa無(wú)線模塊，并采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個(gè)基站，再由基站通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器開通接口，可通過(guò)手機(jī)App及PC進(jìn)行訪問(wèn)，查看每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。圖11為本研究搭建平臺(tái)的上位機(jī)報(bào)警記錄展示。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本研究開發(fā)了B型智能漏電保護(hù)開關(guān)、監(jiān)控盒等硬件裝置，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了用于特高壓站站用電系統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為當(dāng)前站用電系統(tǒng)的直流漏電問(wèn)題提供了低成本的完整解決方案。本研究成果可直接應(yīng)用于全國(guó)各種場(chǎng)合的站用電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2021-10-11

作者簡(jiǎn)介：陳軒（1987—），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向：變電設(shè)備帶電檢測(cè)與智能運(yùn)檢。