基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)

黃新波，張斌，石杰，陳小雄

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安市 710048)

基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)

黃新波，張斌，石杰，陳小雄

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安市 710048)

研發(fā)了基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路雷擊故障點(diǎn)的精確定位。重點(diǎn)介紹了導(dǎo)線互感取能單元的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及特性，該系統(tǒng)采用羅氏線圈作為電流互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電電流信號(hào)的捕捉，采用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端和監(jiān)控中心的通信及報(bào)警，采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)三相監(jiān)測(cè)終端間的通訊。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸電線路雷擊故障點(diǎn)的精確定位。

雷擊故障點(diǎn)定位；導(dǎo)線互感取能；電流互感器；GSM；ZigBee

0 引 言

輸電線路是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈，將巨大的電能輸送到四面八方，是連接各個(gè)變電站、各重要用戶的紐帶，輸電線路的安全運(yùn)行，直接影響供電的可靠性和穩(wěn)定性[1]。雖然采取了各種防雷措施[2-3]，但雷擊故障依然是輸電線路的主要故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)輸電線路雷擊事故占電網(wǎng)總事故的70.6%。電力系統(tǒng)輸電線路距離長(zhǎng)、跨度大，受雷擊的幾率高[4-7]。當(dāng)架空輸電線路桿塔遭到雷擊后，塔頂電位瞬間升高，當(dāng)絕緣子串上的過(guò)電壓達(dá)到或超過(guò)絕緣子串的50%沖擊放電電壓時(shí)，便發(fā)生反擊，引起絕緣子串閃絡(luò)，導(dǎo)致線路發(fā)生跳閘事故。

雷擊故障發(fā)生后，需要線路維護(hù)人員盡快確定遭受雷擊的桿塔位置，迅速消除線路故障。但是由于雷擊事件的隨機(jī)性、破壞性和隱蔽性，使用傳統(tǒng)的查找方法不僅效率低、時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且有的故障點(diǎn)難以定位，極有可能成為以后發(fā)生線路事故的嚴(yán)重隱患。因此，研制一套可以快速、準(zhǔn)確定位雷擊故障點(diǎn)的裝置尤其重要。

同時(shí)，由于系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)終端安裝環(huán)境的特殊性，對(duì)供電電源的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電方式主要采用太陽(yáng)能和風(fēng)能等[8]，國(guó)內(nèi)少數(shù)公司應(yīng)用了導(dǎo)線互感取能的方式。但是，在沒(méi)有或無(wú)法利用電網(wǎng)供電的條件下，無(wú)論是太陽(yáng)能、風(fēng)能還是導(dǎo)線互感取能，其電源的產(chǎn)生都是間斷或不穩(wěn)定的。尤其是太陽(yáng)能，其來(lái)源于白天的太陽(yáng)光，當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能電池板是無(wú)法產(chǎn)生電能供系統(tǒng)使用的，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

為了提高雷擊故障點(diǎn)定位精度以及解決系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定供電的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)。采用導(dǎo)線互感取能加鋰電池的方式供電，即使電網(wǎng)停電，系統(tǒng)在鋰電池電能的供應(yīng)下仍能正常工作長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月，可繼續(xù)監(jiān)測(cè)輸電線路的雷擊故障點(diǎn)，將其精確定位到輸電線路桿塔的絕緣子串，為及時(shí)搶修爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

1 雷擊故障定位理論

1.1 傳統(tǒng)雷擊故障定位理論

傳統(tǒng)的雷電定位方法主要有雷電定向定位、雷電時(shí)差定位和這2種方法配合使用的綜合定位法3種[9-11]。而這3種方法的原理均是利用安裝在不同位置的各個(gè)探測(cè)站探測(cè)雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，或利用三角定位、GPS時(shí)鐘差定位，或幾種方法配合使用以達(dá)到定位雷電的目的。但傳統(tǒng)方法的劣勢(shì)也顯而易見(jiàn)：(1)頻譜豐富的雷電波，在傳播過(guò)程中因受地形等因素影響而產(chǎn)生衰減變形，導(dǎo)致到達(dá)探測(cè)站的波峰存在時(shí)間標(biāo)定誤差，或者定向定位方法中出現(xiàn)偽雷擊點(diǎn)等問(wèn)題，增加了確定雷擊點(diǎn)的分析難度[12]；(2)傳統(tǒng)的雷擊故障定位依托于雷電定位系統(tǒng)(lighting location system, LLS)，但精度只能控制在km級(jí)范圍，并且對(duì)于因?yàn)槔讚舳鴮?dǎo)致的閃絡(luò)以及繼而產(chǎn)生的危害電網(wǎng)的故障監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法快速主動(dòng)識(shí)別定位，仍需要人力巡線排查；(3)LLS需要建立大量的雷電探測(cè)站以提高定位精度，這樣就使得安裝成本大為增加。

1.2 本系統(tǒng)雷擊故障定位理論

基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)的原理，主要是通過(guò)在雷擊高發(fā)區(qū)的雷擊高發(fā)線路桿塔安裝本系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)致絕緣子串閃絡(luò)的雷擊電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)；并通過(guò)GSM、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將桿塔相別雷擊閃絡(luò)信息傳回至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心以屏幕直觀、聲光報(bào)警及以手機(jī)短信等形式將具體雷擊閃絡(luò)信息發(fā)送至執(zhí)勤人員，以完成對(duì)輸電線路雷擊故障點(diǎn)的精確定位。該系統(tǒng)相對(duì)于LLS具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)監(jiān)測(cè)對(duì)象不是雷電波，所以不涉及大量而復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和模型計(jì)算，從而避免了由此而產(chǎn)生的誤差；(2)因?yàn)槭菍?duì)3個(gè)相別的絕緣子串都進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以定位精度大為提高，其可定位至線路桿塔的某相絕緣子串；(3)因?yàn)椴恍枰惭b探測(cè)站、中心站等高成本設(shè)備，使得安裝成本大為降低，只需在雷擊高發(fā)區(qū)的雷擊高發(fā)線路擇塔安裝即可。

本系統(tǒng)雷擊故障定位理論示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)故障定位理論示意

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)主要分為三大部分，即監(jiān)控中心、無(wú)線通信(GSM、ZigBee)網(wǎng)絡(luò)和線路在線監(jiān)測(cè)終端，如圖2所示。線路監(jiān)測(cè)終端分為A、B、C三相監(jiān)測(cè)終端，分別對(duì)三相絕緣子串進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)各相線路遭受雷擊時(shí)，A、C相監(jiān)測(cè)終端通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向B相監(jiān)測(cè)終端發(fā)送信號(hào)；B相監(jiān)測(cè)終端微控制單元(micro control unit, MCU)進(jìn)行中斷響應(yīng)，調(diào)取GSM通信單元，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以手機(jī)短信的形式將報(bào)警信息發(fā)送至監(jiān)控中心上位機(jī)；監(jiān)控中心專家軟件對(duì)信息進(jìn)行分析后以手機(jī)短信的形式通知工作人員線路雷擊故障點(diǎn)詳細(xì)信息。工作人員配有手持巡檢儀，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信和線路監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行通訊，以方便工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后再次確認(rèn)雷擊閃絡(luò)信息[13]。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

3 互感取能設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

3.1 互感取能線圈設(shè)計(jì)原理

采用交流輸電方式的高壓輸電線路中有交變的大電流[14-15]，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線路周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如果將次級(jí)繞組放置在交變磁場(chǎng)中，則次級(jí)繞組上將產(chǎn)生電能，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 電流互感器結(jié)構(gòu)原理圖

穿心電流信號(hào)i0(t)和二次線圈兩端的感應(yīng)電壓，即輸出信號(hào)e(t)的關(guān)系為

(1)

(2)

式中：M為互感；N為二次線圈匝數(shù)；S為磁芯截面積；l為磁路長(zhǎng)度。

由式(1)、(2)可以得出，輸出信號(hào)e(t)的大小與i0(t)的變化率成正比[16]，變化率一定時(shí)，可得到穩(wěn)定輸出的電壓信號(hào)。

開合式導(dǎo)線互感取能線圈(可視為二次線圈)套在輸電導(dǎo)線上，將產(chǎn)生的電能引出經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、降壓等一系列處理后形成穩(wěn)定直流電壓，可向系統(tǒng)和鋰電池供電。導(dǎo)線互感取能如圖4所示。

圖4 導(dǎo)線取能示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及特性分析

基于上述原理，對(duì)整個(gè)導(dǎo)線互感取能供電單元進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及特性分析。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括升流器、導(dǎo)線互感取能供電單元(取能線圈、取能處理電路板、降壓控制板、8 V鋰電池組、負(fù)載功率電阻、測(cè)量?jī)x表等)。通過(guò)升流器和實(shí)驗(yàn)線路來(lái)模擬高壓輸電線路，升流器由220 V電壓供電，輸出電流可在0～2 kA間調(diào)節(jié)。

測(cè)試過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)選取范圍為50～500 A，每隔10 A測(cè)取1次數(shù)據(jù)。將輸出電流功耗、負(fù)載及空載時(shí)的輸出電壓等測(cè)試數(shù)據(jù)繪制成特性曲線，如圖5所示。

圖5 測(cè)試特性曲線

由圖5可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的導(dǎo)線互感取能供電單元具有功耗低、輸出直流電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)取電要求。將穩(wěn)定輸出的直流電壓經(jīng)過(guò)降壓控制板調(diào)節(jié)后，可向?qū)﹄妷阂蟛煌母鱾€(gè)模塊進(jìn)行供電。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的導(dǎo)線互感取能單元可滿足不同的輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電要求，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

4 硬件、軟件設(shè)計(jì)概述

4.1 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)主要由供電單元、信號(hào)處理單元、無(wú)線通信單元等部分組成。

4.1.1 供電單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是導(dǎo)線互感取能加鋰電池的供電方式，為了得到穩(wěn)定的電壓并滿足系統(tǒng)各部分的不同電壓要求，設(shè)計(jì)了導(dǎo)線互感取能控制電路及電源控制電路，整個(gè)供電單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 供電單元結(jié)構(gòu)

4.1.2 信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

信號(hào)處理單元包括雷電電流傳感器和信號(hào)處理電路2個(gè)部分。采用Rogowski線圈[17-18]電流傳感器，即雷電電流羅氏線圈來(lái)監(jiān)測(cè)流經(jīng)絕緣子串表面的雷電電流，它的原理是磁耦合原理，沒(méi)有磁飽和現(xiàn)象。根據(jù)安培定律，雷電電流流過(guò)絕緣子串表面時(shí)，會(huì)在絕緣子串周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。然后根據(jù)電磁感應(yīng)定律，由于雷電電流幅值大、時(shí)間短，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)增幅大，因此雷電電流羅氏線圈會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電流信號(hào)。羅氏線圈雷電電流感應(yīng)原理如圖7所示。

由于雷電電流很難捕捉，為了測(cè)試?yán)纂婋娏髁_氏線圈性能，利用大電流發(fā)生器產(chǎn)生8/20 μs沖擊電流來(lái)模擬標(biāo)準(zhǔn)雷電電流進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制出了雷電電流羅氏線圈的特性曲線，如圖8所示。

信號(hào)處理電路的作用是將雷電電流羅氏線圈感應(yīng)出的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成MCU可安全接收處理的小信號(hào)。為此，設(shè)計(jì)了TVS(transient voltage suppresson)保護(hù)電路、放大電路、比較電路、光耦隔離電路，輸出一個(gè)高電平作為MCU可接收并響應(yīng)的中斷信號(hào)，信號(hào)處理電路硬件框圖如圖9所示。

圖8 雷電電流羅氏線圈特性曲線

圖9 信號(hào)處理單元硬件框圖

4.1.3 無(wú)線通信單元

無(wú)線通信單元包括GSM網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)[19]。GSM網(wǎng)絡(luò)的作用是連接在線監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心和執(zhí)勤人員，以手機(jī)短信的形式通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)完成終端信息設(shè)置、報(bào)警等功能。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)A、B、C三相監(jiān)測(cè)終端之間的通信。因?yàn)锽相監(jiān)測(cè)終端是主監(jiān)測(cè)終端，所有的報(bào)警信息及報(bào)警動(dòng)作均由B相監(jiān)測(cè)終端完成，A、C相監(jiān)測(cè)終端則通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向B相發(fā)送報(bào)警報(bào)文，三相監(jiān)測(cè)終端間的通信如圖10所示。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心專家軟件是在Windows XP操作平臺(tái)下運(yùn)用Microsoft Visual C++和SQL Server 2000來(lái)設(shè)計(jì)的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)終端遠(yuǎn)程操控、直觀顯示線路雷擊信息并記錄等功能，其設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖11所示。

圖10 監(jiān)測(cè)終端間的通信

圖11 專家軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

5.1 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了大量的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)取系統(tǒng)工作時(shí)不同過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間。包括A、C相線路遭受雷擊閃絡(luò)時(shí)，從雷擊信號(hào)觸發(fā)監(jiān)測(cè)終端啟動(dòng)，到通過(guò)ZigBee向B相監(jiān)測(cè)終端發(fā)送中斷信號(hào)，并觸發(fā)其啟動(dòng)的時(shí)間t1、t2；從B相監(jiān)測(cè)終端啟動(dòng)，到監(jiān)控中心上位機(jī)收到雷擊報(bào)警短信的時(shí)間t3；從監(jiān)控中心上位機(jī)收到報(bào)警短信，到將詳細(xì)報(bào)警短信發(fā)送至工作人員手機(jī)的時(shí)間t4；從手持巡檢儀向B相監(jiān)測(cè)終端發(fā)送查詢，到收到反饋數(shù)據(jù)的時(shí)間t5。各個(gè)時(shí)間示意如圖12所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示(t1、t2、t5具體時(shí)間以實(shí)際距離為準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo)，t3、t4具體時(shí)間取決于實(shí)際GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo))。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行

本系統(tǒng)已經(jīng)在內(nèi)蒙古超高壓供電局成功安裝運(yùn)行，目前運(yùn)行狀態(tài)良好?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖14所示。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于導(dǎo)線互感取能的輸電線路雷擊故障點(diǎn)定位系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的輸電線路雷擊定位裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖12 測(cè)試時(shí)間示意圖

圖13 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖14 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

(1)采用在雷擊高發(fā)區(qū)的高發(fā)線路擇塔進(jìn)行小范圍安裝的方式，對(duì)三相絕緣子串進(jìn)行監(jiān)測(cè)，快速而精確地主動(dòng)定位閃絡(luò)故障點(diǎn)至某相絕緣子串。

(2)采用導(dǎo)線互感取能加鋰電池的方式供電，在效率、可靠性、穩(wěn)定性、續(xù)航性等方面均優(yōu)于“風(fēng)光互補(bǔ)”加蓄電池方式甚至同類供電方式。

(3)采用雷電電流羅氏線圈作為傳感器采集雷電電流信號(hào)，可以快速而準(zhǔn)確地捕捉瞬態(tài)雷電電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)以便電路可識(shí)別并進(jìn)一步處理。

(4)三相監(jiān)測(cè)終端之間的通信采用ZigBee技術(shù)組成小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的傳輸更加便捷。

(5)監(jiān)控中心對(duì)輸電線路的各相絕緣子串進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可直觀顯示故障點(diǎn)，將每次雷擊信息進(jìn)行記錄以便查閱。

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[20]楊征.基于ZigBee和GSM技術(shù)輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2012.

(編輯：張小飛)

TransmissionLineLightingFaultLocatingSystemBasedonConductorMutualInduction

HUANG Xinbo, ZHANG Bin, SHI Jie, CHEN Xiaoxiong

(College of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

A new location system of lighting faults in transmission lines based on mutual induction was designed by which the precise location of lighting faults in transmission lines could be realized. This paper focused on line mutual induction unit’s design, experimental verification and characteristics. The system used the Rogowski coil current transformer to capture the lightning current signal, realized the communication and alarm between monitoring terminal and control center by using GSM wireless network, and the communication among three phases monitoring terminal by using ZigBee wireless network. The results show that this system can precisely locate the lighting faults of transmission lines.

lighting fault location; conductor mutual induction; current transformer; GSM；ZigBee

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2009CB724507-3)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177115)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(2013JC13)；教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(NCET-11-1043)。

TM 755

： A

： 1000-7229(2014)09-0022-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.005

2014-03-15

：2014-05-22

黃新波(1975)，男，博士(后)，教授，碩導(dǎo)，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究，E-mail：huangxb1975@163.com；

張斌(1989)，男，碩士研究生，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究；

石杰(1990)，男，碩士研究生，主要從事智能電網(wǎng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究；

陳小雄(1988)，男，碩士研究生,主要從事智能電網(wǎng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究。