電壓互感器低壓回路接地電流實時預警系統

孟 星，夏海飛，陳生學

（1.昭通學院物理與信息工程學院，云南昭通 657000；2.昭通供電局，云南昭通 657000）

變電站電壓互感器二次回路發生多點接地，易造成距離保護、零序保護拒動、誤動現象，甚至引起高低壓繞組間絕緣擊穿造成設備故障和人身事故。常規測試方案為定期測量其接地線上通過的電流，當電流超過某數值時人為判定為異常狀態。但現有方法不能滿足電網動態監測要求；開口型鉗形表測量微小電流時有極大漂移；因測量原理的限制，不同型號表計測量數據之間誤差大；周期性對該數值進行人工測試記錄，增加人力成本。迫切需要能夠滿足實時監測、集成度高、價格低的在線系統。電壓互感器低壓回路接地電流實時預警系統主要針對電網中存在的這一類問題進行研究。

1 總體設計方案

電壓互感器低壓回路接地電流實時預警系統主要由Arduino 主控板、電流檢測模塊、顯示模塊、報警模塊、閾值設定模塊和電源模塊組成，如圖1 所示。Arduino 主控板負責對電流檢測模塊采集到的數據進行監測，并進行數據處理，實時顯示實際電流值和設定的電流閾值，當檢測到的電流值高于閾值時發出預警信息，一方面，使現場工作人員通過聲光快速定位，另一方面，繼電器動作后輸出無源接點信號至站內測控裝置用于后臺系統告警。同時增加電流閾值調整按鈕，使設備參數可整定，針對小感應面積變電站變更設備參數即可準確測量。

圖1 總體方案圖

2 硬件方案設計

2.1 電流檢測模塊

通過檢查電壓互感器二次回路N600 只有一點接地的方法發現，若電流發生變化，則二次回路發生多點接地，若電流不發生變化，則只有一點接地[1-2]，根據經驗得出一般電流大于50 mA 時提示多點接地，因此在實際工作中，通過實時測量電流值與50 mA 閾值相比較，當大于閾值時提示多點接地。故在選擇電流傳感器時需考慮能夠準確測量50 mA的交流電。

最基本的電流測量方法是基于歐姆定理選取電阻串在電路中進行電流測量，測量小電流時響應速度快，但需與被測電路產生直接的硬件連接，若產生故障，將導致電壓互感器二次回路失去保護接地點。霍爾傳感器、電流互感器和羅氏線圈無需與被測電路直接接觸，能夠避免系統受到強信號的干擾，提高系統的可靠性[3-4]。考慮到實際應用場景和安全性問題，主要選擇與被測回路無直接接觸的測量方式，根據測量信號為交流小信號，選擇閉環電流互感器。在通信方面，RS485 采用差分信號傳輸，具有很強的抗干擾能力，支持遠距離傳輸[5]，接口信號電平比RS232 低，不易損壞接口電路芯片，而且與TTL 電平兼容[6-7]，綜合考慮，選擇交流漏電流傳感器JLA-4，量程范圍為0～500 mA，RS485 輸出。如圖2 所示，將要測量的線路以穿孔方式接入傳感器，傳感器將測量信號直接通過RS485 半雙工通信輸出。

圖2 電流檢測模塊圖

通信模塊選用具有自動選向控制功能的485 芯片MAX13487[8]，其連接如圖3 所示，該模塊用于傳送傳感器數據。為了使電源接近理想電壓源，在電源和地之間并聯0.1 μF 無極性電容和10 μF 電解電容，使其為低阻抗；2、3 管腳接電源，使芯片工作在正常工作模式下，實現自動定向電路控制；6、7 管腳間為了防止信號反射，接120 Ω 電阻；為了保護元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞，分別在6、7 管腳與地間接雙向瞬態抑制二極管[9]。MAX13487 的6、7 引腳分別與交流漏電流傳感器JLA-4 的輸出2、3 接口相連接，1、4 引腳分別與Arduino 主控板中的11、10 管腳相連接，通過Arduino 主控板的軟串口功能實現主控板與電流傳感器的通信。

圖3 通信模塊原理圖

2.2 閾值設定模塊

閾值設定模塊選用兩個獨立按鍵[10]，將其接到Arduino 主控板的2、3 管腳，分別表示閾值加和閾值減，當鍵按下，即進入外部中斷[11]。由于機械彈性的作用，觸點式按鍵存在抖動現象，若在抖動期間檢測其通斷，會被誤認為多次操作，導致判斷出錯，故采用硬軟件方式消抖。硬件方面選用0.1 μF 電容“濾波”消抖，軟件方面采用延時和多次判斷消抖[12]。

2.3 顯示模塊和報警模塊

顯示模塊選用OLED 顯示屏SSD1306。SSD1306采用方形的發光點陣列組成，分辨率為128×64。可用于顯示英文、數字和漢字。其中嵌入了對比度控制器、顯示RAM 和晶振，減少了外部器件，具有自發光、重量輕、厚度薄，結構簡單、節約接口、價格低廉、功耗低等特點[13]。SSD1306 的SDA、SCL 接口分別與Arduino 主控板的A4、A5 管腳相連，實現Arduino 主控板通過I2C 總線對SSD1306 的控制。

報警模塊如圖4 所示。報警模塊選用有源蜂鳴器[14]，直流電供電，當Arduino 主控板讀取到電流傳感器檢測的實際電流值高于閾值電流值時，使管腳8和9 輸出高電平信號，蜂鳴器發出聲響、報警燈亮、繼電器動作。現場工作人員能通過聲光快速定位，繼電器動作后輸出無源接點信號至站內測控裝置，用于后臺系統告警。

圖4 報警模塊原理圖

2.4 電源模塊

根據所選用的元器件的特點，需要12 V 和5 V電源，原理圖如圖5 所示。三端穩壓器具有輸出穩定性好，使用方便，輸出過流、過熱自動保護等優點，因此選用三端穩壓器LM7805 實現5 V 電壓輸出[15]，LM7812 實現12 V 電壓輸出[16]。考慮到三端穩壓器有2.5 V 左右的“壓損”，所以將220 V 市電通過變壓器降壓到15 V，橋式整流之后輸出脈動直流電，并采用3 300 μF 的電解電容器進行濾波，輸出21 V 左右的直流電，依次作為兩個三端穩壓器的輸入端電壓。三端穩壓器的3 腳均反接一個二極管用來避免其受到反壓損壞。在輸出端并接一個信號燈，用于電源模塊運行指示。

圖5 電源模塊原理圖

3 軟件設計

3.1 主程序流程

主程序流程圖如圖6 所示。首先，將系統初始化，對相關參數進行賦值，如原閾值initialcurrent=50（可根據實際情況賦值）、閾值設定值setcurrent=0，將initialcurrent 存入存儲器，設置中斷服務，SSD1306 開像素點發光、清屏、設置字體，開啟串口通信，Arduino 發出測電流命令等；然后，從串口讀取傳感器JLA-4 的數據進行處理，計算出實際電流值Current，并與initialcurrent 一起送到SSD1306進行顯示；最后，比較實際電流值Current 與閾值initialcurrent，當Current 大于initialcurrent 時，表示存在多點接地，報警開出（蜂鳴器響、報警燈亮、繼電器動作）。

圖6 主程序流程圖

3.2 中斷服務程序

采用Arduino 的外部中斷，流程圖如圖7 所示。當add 或minus 鍵按下，即進入中斷。在中斷中對setcurrent 賦值，add 鍵按下，setcurrent 加1；minus 鍵按下，setcurrent 減1。將setcurrent 存入寄存器，最后讀取寄存器值并賦值給initialcurrent，中斷結束。

圖7 中斷程序流程圖

4 系統測試

如圖8 所示，通過實驗模擬輸入30～115 mA 電流，閾值設定電流值為50 mA，當實際測得電流大于50 mA 時，蜂鳴器發出聲音、告警燈亮、繼電器動作，且閾值可以通過按鍵進行調節，滿足預設要求。

圖8 系統調試圖

5 結束語

電壓互感器低壓回路接地電流實時預警系統實時檢測電壓互感器低壓回路的電流值，當電流值高于閾值電流，提示存在多點接地問題，告警輸出，解決了常規測試方案中不同型號鉗流表誤差大的問題，并節省人力成本，而且設置電流閾值調整按鈕，使設備參數可整定，針對小感應面積變電站變更設備參數后亦可準確測量其接地電流。所選用器件從低功耗、低成本方面考慮，從實驗結果來看可以滿足要求。但目前搭建的電路比較粗糙，后期將繼續優化電路結構和程序，并進行外觀設計，以便將該設備接入變電站二次運行系統內。