（云南电网有限责任公司大理供电局 云南大理 671000）
摘要：输电线路故障暂态电流包含了丰富的故障信息，准确的获取输电线路故障暂态电流是对输电线路故障进行精确定位和诊断的关键。本文提出采用PCB罗氏线圈作为暂态电流传感器，实现对故障暂态电流的低成本传感，通过窗口比较器实现对触发阀值的动态设计，利用总线复用技术实现对暂态故障电流的实时监测，最终实现100-20kA暂态故障电流的精确采集。
关键词：PCB罗氏线圈；输电线路；暂态电流；数据采集；高速采集
输电线路故障原因的准确辨识，是指导输电线路采取针对性防护措施降低线路跳闸率的基础。由于输电线路在发生不同类型的跳闸故障时，其线路上的故障电流行波呈现出不同的电磁暂态特征，因此，通过在线监测并提取输电线路故障电流行波数据，分析其电磁暂态特征，可以达到对输电线路雷击与非雷击故障原因准确辨识的目的。
1输电线路故障原因辨识原理
输电线路遭受雷击故障时，流经线路的故障电流主要由两部分叠加而成，一部分是雷电流分流后直接进入线路的电流，另一部分是雷电流经杆塔入地后的反射波进入线路的电流。
标准雷电流的波尾时间为50us，由于与大地反射波极性相反，两者叠加后其峰值衰减加快，波尾时间变短。因此，雷击线路的故障电流行波波尾时间小于50μs，实测一般在40ws以内。
而输电线路在遭受污秽闪络、树木闪络等闪络及外力破坏等非雷击故障后，其闪络过程与交流电流的变化密切相关，电弧呈现熄灭重燃、延伸收缩的变化，相比于雷击故障其电流暂态行波频率较低，这类故障的故障电流行波波尾时间较长，一般远大于40μs。
2分布式输电线路故障精确定位及诊断系统原理
电力系统故障定位的方法主要有阻抗法和行波法两种。阻抗法由于受故障电阻、线路负荷、互感器误差和电源参数等因素的影响较大，实际应用效果不理想。目前电力系统中投入使用的多为行波法，即根据行波在传输线路上波阻抗不连续节点的反射特性来确定故障点距离。行波法原理简单，理论上不易受系统运行方式、过渡电阻、线路分布电容的影响，测距精度较阻抗法高，但在实际应用中由于受工程因素的制约，如导线参数、行波波速变化、行波在线路中传播的衰减畸变等，该法的精度有所降低。
采用分布式监测方式，在输电线路上布置若干个现场监测终端，将输电线路分解成若干个区间，通过记录工频故障电流和电流行波，利用工频故障电流先确定故障区间，然后再进行区间内的行被定位，从而实现对输电线路故障的精确定位。当输电线路跳闸故障发生在两个设备安装监测点终端之间时，故障点同侧的设备安装监测点终端记录的工频故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的工频信号方向相反。
通过在输电线路上布置若干个现场监测终端和系统，将输电线路划分为若干个区间，分别监测并记录各区间的故障数据和信号。这种在线路中分散布局而非在两端变电站集中布局的监测方式，不仅对输电线路长度、导线弧垂等影响测量误差的固有参数进行了离散化监测，同时由于每个监测装置监测区段的缩短可有效减小行波波速变化以及传播衰减畸变等因素对故障定位精度的影响，从而大幅提高输电线路故障定位的精度。
3系统框架
采集系统主要由电流传感器采集端、主控MCU、高速采样模块、数据存储模块、外部总线、CT取电等部分构成。系统框图如下图1所示。CPLD产生采样时钟，实时采集线路电流，窗口比较器分别监控不同量程通道电流的大小，一旦超过设定阀值，主控CPU将故障前后一段时间的波形数据打上时间标签后存入Flash中，然后通过ZIGBEE或者GPRS上传采集暂态电流波形[4]。
4 电流传感模块
电流传感模块分为罗氏线圈和积分器两部分，二者需根据不同的应用需求以实现不同的设计方案。
4.1 PCB罗氏线圈设计
PCB罗氏线圈组成分为两部分，一部分是非导磁材料（磁导率可近似视为真空磁导率μ0）制成的质地均匀的骨架，通常骨架的截面为矩形，另一部分为紧密且均匀地缠绕在骨架上的线匝，两者组成线圈。测量时，通有待测电流的导体从线圈中心垂直穿过，待测电流的变化反映在其产生的磁场的变化上，罗氏线圈从磁通的变化中感应出表征待测电流的电压信号。
图5中DA1和DA2为DA转换器，CPU根据不同线路的情况设置不同的DA输出，以变化窗口比较器的上下限，一旦输入信号超过窗口比较器的门限时，产生一个触发信号，触发CPU读取故障前后的数据并处理。
6 高速采集电路
对于高速数据采集系统，如用MCU 控制采样，则会大大降低MCU 的处理能力，因此采用 CPLD 专门负责高速AD 转换器采样时序的产生。每当ADC 转换一次完成后，转换结果通过32 位数据总线写入高速存储器SRAM 某单元中，再由CPLD 使地址加1，当采样时间到时，由MCU 通知CPLD 结束采样。
故障暂态电流行波采样速率高达10MHz，数据量较为庞大，而故障电流数据存储的完整性将直接影响故障测距的精确性，因此存储系统必须有足够的容量且有较高的可靠性。分布式故障测距方法需要故障电流行波及其折反射行波之间的时间差来确定故障点位置，但是在进行数据处理时还需故障点前后一段数据以保证数据处理的准确性，本文中采用两块容量为1M×16bit 的SRAM（IS61WV102416BLL）可存储包含故障点在内的5 个周波，这对于行波法故障测距已经足够，并且两片SRAM 交替工作，可大大缩短两次高速采样的间隔时间。
本系统中采样速度高达10Mb/s，而CPU 对采样数据读取的数据传输速度较低。为解决这一矛盾，本文采用MCU+CPLD 复用总线的方式实现系统高速数据采集存储并低速数据读取功能。AD 转换器AD9235，采样时序控制芯片CPLD，SRAM，FLASH 和主控CPU LPC2292 共用数据、地址总线。总线系统由CPLD 对总线使用进行控制和分配。常态下CPLD 输出10MHz 的方波作为AD9235 的时钟信号控制AD9235 以10M/s 的速度进行预采样，并以循环存储的方式保留最近5 各周波的数据，当触发模块启动后，AD9235停止采样，同时CPLD 将总线控制权交还给主控CPU，主控CPU 通过总线系统读出采样数据，传给后台主站。
高速采样框图如图6所示。
结束语：
综合本次课题的相关研究，能够得出如下结论：
（1）分布式输电线路故障精确定位及诊断系统，通过在输电线路上每隔30km安装一个监测终端，就近监测故障电流暂态行波，以完整反映故障电流的电磁暂态特征，同时通过区间定位的方法提高了故障定位的可靠性和准确度，减小了弧垂、波速、波形衰减以及干扰信号的影响。
（2）通过监测输电线路上的故障电流行波，分析其电磁暂态特征，可以实现输电线路雷击与非雷击、绕击与反击等故障性质的准确辨识。
（3）输电线路分布式故障监测系统采用分层分布式体系设计，由现场监测终端、数据中心和工作站3个部分组成，同时提供了WEB服务查询功能。通过故障精确定位有效地帮助快速完成巡线及输电线路故障查询工作，还为故障原因的诊断提供了智能化工具。
参考文献：
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[2]苏进喜，罗承沐，解子风，等.基于GPS双端同步采样的输电线路故障定位的研究[J].清华大学学报：自然科学版，1999，9（39）
[3]文武.感应雷电磁干扰及其防护研究[D].武汉大学，2004
[4]何正友，钱清泉.电力系统暂态信号分析中小波基的选择原则[J].电力系统自动化，2003，10（27）
[5]钱冠军，王晓瑜，汪雁，等.输电线路雷击仿真模型[J].中国电机工程学报，1999.8（19）
论文作者:王宗明,杨畅贤,李彦锋,杨波,苏洪羽,张棋维,张
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/21
标签：故障论文; 电流论文; 线路论文; 数据论文; 线圈论文; 总线论文; 输电线论文; 《电力设备》2019年第14期论文;