崔椿洪

(國網(wǎng)安徽省電力公司蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

配電網(wǎng)輸電線因耐壓水平較低，在直擊雷和感應雷作用下易發(fā)生擊穿接地故障，引起跳閘停電事故的發(fā)生，這已成為配電網(wǎng)主要的事故類型之一[1-5]。配電線路在雷擊過程中發(fā)生閃絡產(chǎn)生的能量較小、形成的痕跡不明顯，尤其是單相接地故障，這對故障點的快速查詢和修復帶來了極大困難[6-7]。由于無法掌握配電線路絕緣子的運行狀態(tài)，因此存在缺陷的絕緣子，影響了配電網(wǎng)的可靠運行。為此尋求一種雷擊點定位裝置，成為保障配電網(wǎng)安全運行急需解決的問題。

針對配電線路存在的雷擊點定位難的問題，結合故障點雷電流釋放過程，本文提出采用耦合線圈的方式，利用高頻電流傳感器實現(xiàn)對接地過程中雷電流的監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡上傳給監(jiān)測軟件，然后結合各監(jiān)測點傳感器的地址，實現(xiàn)對雷擊點的精確定位。

1 配電網(wǎng)雷擊點定位系統(tǒng)原理框架

在雷擊過程中，當配電網(wǎng)輸電線路的絕緣子因無法承受電壓而發(fā)生閃絡時，桿塔的接地線上將流過雷擊電流。由此可見，通過對桿塔接地線上的電流進行監(jiān)測可實現(xiàn)對雷擊點定位，整個配電網(wǎng)雷擊點定位系統(tǒng)由現(xiàn)場的雷電流監(jiān)測裝置和監(jiān)測平臺組成，整個系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 雷擊點定位裝置示意圖

配電網(wǎng)雷擊點系統(tǒng)的工作原理為：首先將監(jiān)測雷電流的高頻電流傳感器耦合于桿塔接地線，利用該監(jiān)測裝置對桿塔雷擊閃絡過程中接地線流過的雷電流進行監(jiān)測，當檢測到雷電流時，裝置點亮裝置指示燈，并通過4G通信網(wǎng)絡將監(jiān)測到的雷電流信息上傳給監(jiān)測平臺，結合監(jiān)測裝置的地址信息和對應的桿塔編號信息，實現(xiàn)對雷擊點故障的定位，從而使落雷的故障點得到及時、快速的修復，減少停電時間，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

2 雷電流監(jiān)測終端設計

基于上述雷擊點定位定位系統(tǒng)工作原理的描述，雷電流監(jiān)測裝置是整個系統(tǒng)的重要組成部分，是觸發(fā)整個系統(tǒng)正常工作的關鍵所在，可見雷電流監(jiān)測裝置性能的好壞直接關系到整個定位系統(tǒng)的性能。羅氏線圈電流傳感器具有結構簡單、頻率范圍寬、線性度好等優(yōu)點，為測試羅氏線圈的靈敏度和線性度，分別使用設計的羅氏線圈和圓管式分流器測試相同的沖擊電流波(8/20 μs)進行誤差比較，測試波形如圖2所示。圖2中，波形1為羅氏線圈所測，波形2為分流器所測。通過比較可見，羅氏線圈測得的波形和傳統(tǒng)分流器測量的波形基本一致，波形失真度較小，說明羅氏線圈滿足被測雷電流信號頻帶寬度的要求，可實現(xiàn)對雷電流的監(jiān)測。故本文采用羅氏線圈實施對配電網(wǎng)雷擊閃絡雷電流的監(jiān)測。

圖2 羅氏線圈和圓管式分流器測試8/20 μs沖擊電流的波形

根據(jù)羅氏線圈對雷電流監(jiān)測的原理，結合現(xiàn)場實際的需求，對整個雷電流監(jiān)測裝置進行了設計，其結構如圖3所示。由圖3可以看出，整個雷電流監(jiān)測裝置由電流傳感模塊、信號預處理模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和太陽能電源系統(tǒng)組成。

圖3 雷電流監(jiān)測裝置原理框圖

(1)雷電流監(jiān)測單元設計。雷電流監(jiān)測裝置長期處于野外工作環(huán)境，為了確保整個系統(tǒng)實時工作，設計過程中采用低功耗方案。整個硬件系統(tǒng)由高速A/D、FPGA和MSP430構成了數(shù)字系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)選用EP1C12Q240作為邏輯的芯片，超低功耗單片機MSP430F5438作為控制芯片，高速A/D選用了10位并行芯片ADS822，該A/D的采樣率可達40 MS·s1，功耗典型值為200 mW。在系統(tǒng)工作過程中，當桿塔發(fā)生閃絡時，接地線上流過雷電流，羅氏線圈通過耦合感應得到輸出電壓波形，波形通過信號預處理模塊，當處理后的信號幅值達到觸發(fā)系統(tǒng)的閾值時，系統(tǒng)啟動高速數(shù)據(jù)采集模塊，對監(jiān)測到的雷電流進行高速采集，并通過微處理器對波形進行分析，實現(xiàn)對雷電流參數(shù)的測量。由于系統(tǒng)采用硬件比較器觸發(fā)，在采集的過程中會丟掉小于觸發(fā)閾值之前的波形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在FPGA中內(nèi)嵌了預采樣FIFO，以實現(xiàn)雷電波形的全波采集。

(2)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)搭建。雷電流監(jiān)測模塊應用于線路桿塔雷擊電流大小的測量，處于野外的桿塔與監(jiān)控中心之間的距離通常在十幾公里，甚至幾十公里，傳統(tǒng)的Wi-Fi、Zegbee等無線傳輸技術通信距離短，無法滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸距離的要求，而傳統(tǒng)的有線通信因需敷設線纜更加不適合監(jiān)測系統(tǒng)的布置。受條件的限制，采用GPRS通信技術來實現(xiàn)對雷擊電流監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)的傳送。本文采用的GPRS模塊支持TL、RS-232、RS-485接口電平，無需在使用過程中對底層設備的開發(fā)，大大簡化了系統(tǒng)。

雷擊點定位裝置由1個監(jiān)測平臺和多個雷電流監(jiān)測裝置構成，在數(shù)據(jù)通信上為一點對多點的網(wǎng)絡拓撲結構，監(jiān)測平臺為中心節(jié)點，雷電流監(jiān)測裝置為子節(jié)點。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，監(jiān)測平臺終端和雷電流監(jiān)測裝置均通過RS232串口和GPRS模塊相連，監(jiān)測平臺和雷電流監(jiān)測裝置配置不同的物理地址。當監(jiān)測節(jié)點發(fā)生雷擊時，雷電流監(jiān)測裝置能夠將信號完整地記錄下來并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)主動上傳至監(jiān)測平臺；當未發(fā)生雷擊時，雷電流監(jiān)測裝置每天定時發(fā)回一個數(shù)據(jù)給監(jiān)測平臺，確保通信鏈路正常工作。

(3)觸發(fā)電路設計。為了使系統(tǒng)能在野外長時間工作，雷電流監(jiān)測裝置在平時處于節(jié)電模式，當監(jiān)測到有雷電流時，喚醒系統(tǒng)，通過對羅氏線圈耦合電流波形的采集，實現(xiàn)對雷電流的測量，并將測量的結果和地址傳送到監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對雷電流的監(jiān)測和定位。系統(tǒng)采用電平喚醒模式，為了實現(xiàn)對雷電流的可靠監(jiān)測，避免外界干擾對系統(tǒng)的誤動作，采用峰值電路和滯回比較器相結合的電路，利用峰值電路保持雷電流的幅值，利用滯回比較器電路防止波形抖動導致的觸發(fā)失靈。

由圖4可知，整個峰值檢測電路在工作過程中，首先通過U1，U2放大器作為緩沖隔離，利用二極管D1，D2的單向導通性對電容器C1進行充電，R2作為放電電阻，其阻值選擇大的，確保C1，R2延時的長度，在本設計中采用1 ms的時延。

圖4 峰值檢測電路原理圖

通常采用運算放大器在開環(huán)狀態(tài)下可以用作比較器來實現(xiàn)對雷電流的識別。然而，在利用放大器組成的比較器的過程中，一旦輸入的信號中有少量的噪聲或干擾,都將會在兩個不同的輸出狀態(tài)之間產(chǎn)生不期望的頻繁跳變。為了克服信號的跳動，確保比較器在一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)之間的變化，本文采用正滯回電路來實現(xiàn)。

上下閾值的計算公式如下：

(1)

(2)

式中UR——參考電壓；UOL——下限閾值；UOH——上限閾值。

電壓比較滯回電路如圖5所示。考慮到避免外界干擾信號對系統(tǒng)的誤動，本次設計采用兩者之間的差值為3 V，下限閾值為2 V，上限閾值為5 V，供電電源電壓為12 V。

圖5 電壓比較滯回電路

3 系統(tǒng)定位軟件設計

上位機監(jiān)測平臺采用C++語言進行編寫，當雷電流監(jiān)測裝置監(jiān)測到雷電流幅值達到一定程度時，單片機相應外部中斷喚醒系統(tǒng)，開始對雷電流波形進行采集，將采集的數(shù)據(jù)打包，通過MQTT協(xié)議將監(jiān)測的雷電流數(shù)據(jù)及裝置的地址上傳給上位機監(jiān)測平臺。監(jiān)測平臺利用數(shù)值比較的方法實現(xiàn)對雷電流幅值的測量，利用過零點比較的方法對波形時間進行測量，并將測量結果顯示于界面上，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測平臺界面圖

雷擊點定位采用編碼識別的方式，對每個雷電監(jiān)測裝置設計編碼，將編碼和桿塔的編號一一對應。在雷擊點定位的過程中，當雷電監(jiān)測裝置監(jiān)測到雷擊電流時，監(jiān)測裝置動作，并通過無線通信網(wǎng)絡(GPRS)將雷擊信息和裝置的編碼發(fā)送到監(jiān)測軟件，監(jiān)測軟件根據(jù)接收到的編碼，通過查詢的方式對應到桿塔編號，實現(xiàn)對雷擊點的定位，整個監(jiān)測平臺的程序流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)搭建完成后，為了了解系統(tǒng)的測試效果，利用雷電流模擬試驗對雷電流監(jiān)測裝置和監(jiān)測平臺的定位進行測試。在模擬試驗過程中采用0～40 kA沖擊電流發(fā)生器對其進行試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。從表1的測試數(shù)據(jù)可以看出，本文所設計的雷電流監(jiān)測模塊可實現(xiàn)對雷電流的測量，測量精度優(yōu)于5%，滿足工程現(xiàn)場測試要求。

圖7 監(jiān)測平臺程序流程框圖

表1 雷電流模擬試驗測量值

5 結語

根據(jù)雷電流波形特點，雷擊點定位裝置利用羅氏線圈實現(xiàn)對桿塔閃絡過程中雷電流的測量，通過GPRS通信模塊實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳送，利用監(jiān)測裝置的地址和桿塔的對應關系實現(xiàn)對閃絡故障桿塔的定位。由此可見，所設計的雷電定位系統(tǒng)可實現(xiàn)對雷擊點的可靠定位，具有較高的實際應用價值。