关键词：配电网 在线监测装置 相电压 相电流
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1引言
随着配电自动化系统的建设，配电网的故障处理水平有了一定提高。基于馈线自动化技术的单相接地故障处理得到了应用，但将故障区段隔离后查找故障点具有一定的难度，所以恢复故障区段的供电时间依然较长。为了帮助运行维修人员快速查找故障点，一些故障指示设备逐渐开始使用于配电网中，其中最典型的就是在线监测终端。但是，国内的在线监测终端及其使用也存在诸多问题：首先是不具备暂态录波性能，对高频信号的传变能力较差，因而会丢失有用的故障分量信息，无法准确判出故障线路和故障区段；第二是安装条件受限制，一些在线监测终端由于需要借助线路电压信息，而它本身又无测量它们的手段，因此只能在有电压互感器的地方安装；因此研究配电网线路的故障特征信息的准备提取具有实际意义。
2技术实现方式
2.1非接触式相电压测量法
目前，国内外对线路电压信号获取方式展开了大量的研究，并在一定程度上取的了较好的效果。现有的10kV架空线路电压信号获取方式主要分为以下两种：
（1）接触式电压传感器，主要由高压分压器及与高压设备直接接触的传感器组成，如电磁式电压互感器、电阻分压器、电容分压器；
（2）非接触式电压传感器，主要基于空间电场效应和电容耦合原理，利用位移电流来测量物体表面或自由空间的电压。
前者需与高压设备以及大地相连接且体积大，重量重；后者具有体积小、重量轻。本项目根据非接触式电压传感原理进一步提出一种10kV架空线路零序电压测量方法，其示意图如图1所示。
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图1电容分压测量原理示意图
利用架空输电线路与传感器感应板之间的接触杂散电容CX和取样电容C1作为高压臂电容，架空线路感应板对大地的非接触等效电容C2作为低压臂电容。电压信号从取样电容C1两端经过匹配电阻引出，通过同轴电缆传输到数据采集系统。
由于杂散电容大地等效电容C2的值将直接影响传感器的分压比，因此对杂散电容CX和大地等效电容C2的估算以及传感器分压比的准确标定是传感器设计的关键。利用本文提出的数值算法，由传感器距架空导线距离、传感器物理尺寸估算出杂散电容Cx的值，并根据需要选择适当数值的传感器高压臂电容C1来确定分压比。
2.2电容式电压传感器二次部分设计
因信号幅值小、输出阻抗小，本方案中采用有源低通滤波、信号放大设计。如图2所示，电压信号传输模块主要由两个隔离电源系统、电压信号前端调理、差分比例电路、线性光耦、电压信号后端调理、AD采样模块以及两个保护电路构成。
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图 2 电容式电压传感器二次部分原理示意图
两个隔离电源系统有效保证了一二次系统的电气隔离。防过压浪涌保护电路保证高压一次侧通过高压电容、取样电路板而来的大电流或强信号干扰的泄放，同时也使得电压信号传输模块的安全运行得到保证。电压信号前端调理电路完成电压信号的滤波、跟随、差分比例电路完成电压信号的线电压矢量合成，并对该信号进行适当的放大（或缩小）。线性光耦隔离电路完成线电压信号的光电隔离，使得电压信号前后端真正意义上得实现了电气隔离，有效保护后端数字信号处理单元系统。电压信号后端调理电路完成隔离后电压信号的滤波跟随。
2.3基于罗氏线圈的相电流测量法
采用电子式互感器原理实现电流采集，可抗电磁饱和、有效频带宽且精度高，同时重量轻，较传统电流互感器，可大幅度降低成品探头的重量。罗氏线圈二次输出电压伏值（感应电动势）与垂直于穿心电缆的线圈面积成正，空间存在的各种磁场均对罗氏线圈二次输出电压有贡献（但相当微弱）线圈二次输出是电压信号且正比于一次电流的导数，需对输出信号作积分还原处理，积分原理如上图2所示。
基于上述原理，并考虑到低功耗，选择TI公司的OPA2333运放作为核心元件设计一款积分电路如下图5所示。
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图2 积分电路
积分电路主要可分为如下几大部分：
（1）相位校正电路，校正后面积分电路的相角误差，放大倍数：，这里为0.995；
（2）积分电路，对输入信号进行积分，放大倍数：，这里为8.946；
（3）隔直电路，保证输出端电压的偏置准确放大倍数：，设为1；
（4）放大电路，进一步放大输出信号，使之满幅输出，放大倍数：，这里为3.4。
综合上述分析，电路总放大倍数为：0.995*8.946*3.4=30.26，若需要修改放大倍数，建议修改如下几个参数：（与相等）、和。
如图3所示，X轴为所加一次电流6A递加至90A，Y轴为经调理后二次电压值。通过图分析可得：罗氏线圈二次侧输出电压随着一次电流的增加而线性增加。
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图 3 罗斯线圈二次侧输出电压
3结语
分析了中性点非有效接地配电网单相接地暂态特性，获得了具有普适的配电网单相接地故障特征模型；根据电容参数模型制定出了特征分量的定值范围及带宽要求；最后根据交流电气采集精度设计在线监测终端智能探头的交流传感器元件，包括基于电容分压的相电场传感元件和基于罗氏线圈的相电流测量元件。
参考文献
[1]严凤，陈志业，冯西政．检测与隔离配网单相接地区域的微机装置[J]．华北电力大学学报，1996，23(3)：13-17．
[2]李刚, 周洁琼, 代征,等. 基于故障指示器的10kV系统单相接地故障选线及实验[J]. 电气技术, 2015, 16(11):114-117.
[3]苏浩益, 贺伟明, 吴小勇,等. 10kV电缆故障指示器应用研究[J]. 南方电网技术, 2014, 8(1):85-88.
[4]刘树德, 郑琰, 杨凤民. 基于GIS的故障指示器实现线路快速故障定位[J]. 供用电, 2006, 23(6):33-35.
作者简介：
杨志祥（1985-），男，硕士研究生，电力工程师，主要从事电力系统继电保护和配电网自动化等方面的研究工作。
论文作者:杨志祥, 冯喜军,孙勇卫,曹奇 李强 贺露露
论文发表刊物:《中国电业》2019年22期
论文发表时间:2020/4/7
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