故障點直流電壓補償法在配電線路故障測距裝置中應用

趙會新

（吉林市北華大學 后勤管理處，吉林 132013）

0 引言

輸電線路發生故障造成停電，對國民經濟中的各個行業均造成較大影響，對于一級負荷，一般設有后備電源，如果后備電源也失去，將會造成重大的財產損失和人生傷亡事故，或者造成重大的政治影響；對于二級負荷，將會造成較大的經濟損失和較大政治影響，停電也會對人民生活造成諸多不便。由于城市街道、院校、醫院、工廠等利用電力電纜供電的情況越來越普遍，因找不到故障點而導致整條電纜線路報廢的情況，在供電區域中時有發生。這種情況不僅造成難以估計的停電損失，而且還帶來重新更換，敷設電纜的巨大經濟損失[1,2]。因此，故障點的快速、準確定位對提高供電可靠性具有重要的實際意義。有的農網線路甚至翻山越嶺，延伸十幾公里，多處“T＂型連接，使查找工作更為困難。因此，如果能快速定位故障點的大致位置，將大大減少查找故障點的工作量，也將減少停電時間。現有的低壓電力電纜故障檢測裝置存在一些不足，無法滿足低壓電力電纜故障檢測的需要，配網架空線路故障測距裝置也是一項急待研究的領域[3]。本文主要針對故障點直流電壓補償法在配電線路故障測距裝置中應用問題進行分析討論。

1 配電線路故障測距的故障點直流電壓補償法

1.1 低壓電力線路數學模型的建立

要測量輸電線路故障距離，首先應做模擬試驗，而模擬試驗應先建立低壓電力線路的數學模型。輸電線路的模型可用圖1表示，線路的參數分別有電阻、電抗、電導和電納，這些參數是沿線路長度均勻分布的，為了計算方便，當線路長度在300 km以內時，常將常將分布參數用集中參數R、X、G、B表示，中、低壓電力線路與高壓電力線路相比，有以下特點：

1）電壓等級較低，不存在電暈損耗，故可以認為電導G≈0，可以忽略不計；

2）線路長度較短，一般為幾公里到十幾里，電容很小，對應的電納B≈O，可以忽略不計；

3）中低壓架空配線路參數一般可用簡化等值電路模型表示，用集中參數電路模型來計算架空線路的故障距離，可以反映配電線路故障的真實情況。

1.2 直流電壓補償法及誤差分析

圖1 高壓架空輸電線路模型及誤差分析

故障點直流電壓補償法就是在測量故障點的距離時，利用數學計算的方法，補償故障點的電壓，使故障點存在的電阻電壓降不對測量結果構成影響的一種方法。

理論上分析，直流電壓補償法故障測距產生誤差的原因，主要有下列幾種：

1）故障點電阻太大，測距電流過小，故障線路上的壓降過小，使測距造成誤差。

2）故障點太近，線路電阻太小，故障線路上的壓降過小，使測距造成誤差。

3）線路上存在感應的交流電，使測距造成誤差。

4）測量時，環境溫度不等于250C而造成的誤差。

5）測量時，元件參數變化造成誤差。

1.2.1 故障點電阻過大造成的誤差及消除方法

測距時的外加電動勢E一定，若故障點電阻Rf很大時，電流I很小，故障線路的電壓Ir0Lx=UBA≈0，很難測出故障參數。解決辦法就是增加電源電壓，使線路電流增大，從而使故障線路電壓降增大，測量出故障距離。另外，使用高靈敏度的測量裝置，也是解決辦法之一。

1.2.2 故障距離太近造成的誤差及解決措施

故障點太近時，線路電阻很小， Ir0Lx≈0，而測距裝置電源提供的電流是有限的，因而故障線路的電壓Ir0Lx=UAC-UBC=UAB≈0，很難測出故障參數。解決辦法就是出現這種情況時，直接判斷故障點就在距測量點10米之內。

1.2.3 線路存在感應交流電造成誤差的解決措施

目前，我國的農村和城市的配電線建設步伐加快，電網星羅棋布，每條線路都有機會與其他同電壓等級或不同電壓等及的線路交叉，以及同桿架設，這會造成當一條線路由于故障退出運行后，雖然經過放電，仍會存在一定的感應交流電壓，這對線路故障測距造成較大誤差，因此必須想方設法消除感應交流電對測量誤差的影響。解決的措施有兩種：一種是采用模擬的低通濾波電路，濾掉交流感應電壓，另一種是采用數字濾波技術，濾掉交流感應電壓。采用模擬的低通濾波電路時，其優點是原理簡單，容易實現，但由于需用到電容和電阻，使整個裝置的體積變大，電路結構也變得復雜。如果采用數字濾波技術，會提高測量的精度，同時也會裝置的結構得到簡化，因而應優先考慮采用這種方法。

1.2.4 溫度變化對測量誤差影響及解決措施

溫度變化對測量誤差的影響有兩方面：一方面是由于環境溫度變化，使得線路參數隨之發生一定的變化，造成測量誤差，這部分誤差可以通過查線路的電阻溫度系數，在編寫程序加以考慮，計算的時候加以補償，測量時，只需輸入即時溫度，測距裝置便可自動補償。另一方面是由于儀器在使用時，溫度變化，造成一些元件的參數發生相應的變化，從而影響到測量結果，對這部分誤差，在實際中，主要是通過開機預熱，使儀器溫度達到穩定溫度后再進行測量，從而減小溫度變化對測量的影響。

2 故障點直流電壓補償法的配電線路故障測距裝置研制

2.1 故障測距裝置的構成

基于故障點直流電壓補償法的配電線路故障測距裝置，主要由測距部分和電源部分組成，測距部分包括信號輸入、Atmegal6單片機、顯示器、按鍵等組成。故障測距裝置的電源主要是由兩部分組成，一部分是提供測量用的加在故障線路上的電源電壓，另一部分是給測距部分提供的工作電壓。測距部分的單片機、顯示屏以及測量電源的控制電路均由5V電源供電，測量用的電源電壓主要由12V直流蓄電池供電，經變換后得到連續可調的0-200V的直流電壓，以滿足測距的需要。測距部分由信號輸入、低通濾波、Atmegal6單片機、顯示屏、按鍵等組成。

2.2 測距部分

2.2.1信號輸入

由于Atmegal6單片機只能接受0-+5V之間的電壓，必須把測量的輸入量變換后才能送到單片機。測量時，線路的電壓降可通過裝置的電壓表來監測，保證其值不超過5v。電流量必須變換成電壓量，才能輸入。

為了減小測量誤差，標準電阻可以實測，然后再通過按鍵輸入到單片機，易于修改。另外，建立了輸電線路各種規格型號電阻的數據庫，在測量時，只須輸入線路型號，程序即可調出該型號導線電阻r0，當然，也通過按健直接輸入電阻值，在程序中計算出線路的電阻及相應故障點的距離，測量結果可顯示在液晶屏上。

2.2.2 低通濾波

因離線測量時，線路大多數存在50Hz感應交流電，這對測量造成很大干擾，使測量造成誤差。因此，要考慮把感應交流電過濾掉的低通濾波電路。傳統的低通濾波電路，針對某一頻率，一般選50Hz。

直流電壓衰減很小。采用傳統的低通濾波電路時，具有容易實現的優點，但電路結構復雜，同時由于采用到電容和電阻，這將會使裝置體積增大，且不能濾除50Hz以上頻率的感應交流電。如果采用數字濾波技術，用軟件的方法在單片機中實現濾波，這樣會提高測量的精度，同時也會減小裝置的體積和重量，因而本裝置采用數字濾波技術。

由于交流感應電壓的頻率一般為50Hz，與無線通信的感應電阻遠大于50 Hz，即在停電線路上，交流感應電壓頻率一般均在50 Hz以上，因此，要將交流感應電壓完全過濾，而對直流分量沒有衰減，可設計低通濾波器的指標為：

采樣周期：T=0.00166666(采樣頻率；600Hz)：

模 擬 指 標：fc=1Hz：δc≤ 3dB，fst=10Hz：δst≥ 40dB

數 字 指 標：ωc=0.0033Π；δc≤ 3dB，ωst=0.033Π，δst≥ 40dB

如果頻超過50Hz，則衰減的分貝更大。可見，經過數字低通濾波后，50Hz及以上交流電壓基本可以過濾，交流感應電對測量結果幾乎沒有影響。

2.2.3 ATmegal6型單片機

ATmegal6有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端EIA的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以OV(GND)為基準。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADCI、ADCO與ADC3、ADC2)有可編程增益級，在A/D轉換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(ADCl)，而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入至UADC的電壓保持恒定。

2.2.4 抗干擾措施

裝置采取了一些抗干擾的措施，這些措施分為硬件措施和軟件措施。干擾竄入系統的渠道主要有三條，即空間干擾(場干擾)，通過電磁波輻射竄入系統；過程通道干擾，干擾通過與主機相聯的前向通道、后向通道及與其它主機的相互通道進入。抗干擾措施有硬件措施和軟件措施。硬件措施如果得當，可將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會有少數干擾進入微機系統，故軟件措施作為第二道防線必不可少。由于軟件抗干擾措施是以CPU為代價的，如果沒有硬件消除絕大多數干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴重影響系統的工作效率和實時性。因此，一個成功的抗干擾系統是由硬件和軟件相結合構成的。

硬件抗干擾措施中，空間干擾可用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以解決。主要是電源抗干擾、光電隔離抗干擾、配置去耦電容等措施，電源抗干抗措施是采用獨立的直流電池供電。在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進行信息傳輸是很有好處的，它將微機系統與各種傳感器、開關、執行機構從電氣上隔離開來，很大一部分干擾將被阻擋。軟件抗干擾采用了人工復位、指令冗余、采用Watchdog等措施。對于失控的CPU，最簡單的方法是使其復位，程序自動從0000H開始執行。為此只要在單片機的RESET端加上一個高電平信號，并持續10ms以上即可。

3 結束語

本文分析了低壓架空配電線路和電纜線路參數特點，提出了低壓配電線路故障測距的新方法一故障點直流電位補償法。并在此基礎上，制定出了低壓配電線路相間短路和接地短路故障點的測距方法，對于裝置各個部分進行詳細設計分析，指出測距裝置不僅可用于低壓輸電線路故障測距，也可用于高壓輸電線路電阻參數的測量，且帶有數字低通濾波，可抵抗線路感應電壓的影響，測量精確度較高。

[1] 周雪松, 張書瑞, 馬幼捷.靜止同步補償器(STATCOM)原理及性能分析研究[J].機械設計與制造, 2009(12).

[2] 李維贊, 王吉岱, 孫愛芹.輸電線路巡檢機器人的設計與控制系統研究[J].制造業自動化, 2008, 30(11).

[3] 谷俊婷, 馮碩.配電線路導體對接9要點[J].制造業自動化, 2009, 31(10).