400V交流智能剩余電流監測系統設計與應用

摘 要：針對變電站400 V交流系統剩余電流保護器頻繁跳閘的問題，設計了一種智能化的分布式剩余電流監測系統。該監測系統使用CT傳感器采集400 V系統各負載端上的剩余電流，經運算處理后傳輸給交流絕緣監測裝置，并通過交流絕緣監測裝置傳輸至智能微機監控模塊，智能微機監控模塊可以設置每個點位的保護閾值，當超過保護閾值時會發出聲光報警，為變電站400 V交流系統剩余電流監測提供可靠參考。

關鍵詞：變電站；400 V交流系統；剩余電流；監測系統

中圖分類號：TM76" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0049-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.012

0" " 引言

變電站交流系統用于為變電站一次在線監測設備、二次保護設備供電，是保證變電站可靠供電不可或缺的環節。交流系統如若發生異常情況，將會直接影響電力系統的安全運行[1]。剩余電流是變電站交流系統常見的安全隱患，會給變電站交流系統的正常運行造成重大風險。目前，預防剩余電流過大主要使用剩余電流動作保護器，當剩余電流增大到某個閾值時，會啟動跳閘保護來保護電力系統的安全。然而，剩余電流動作保護器經常會因為多種原因發生誤操作而跳閘，影響供電服務的可靠性。此外，在剩余電流動作保護器跳閘后，故障排查主要由技術人員人工手持鉗形電能表進行分段排查[2]。這種測量方法不僅耗時耗力，且會因技術人員的主觀偏差而造成疏漏[3]。

因此，對變電站交流系統設計智能化監測系統，實時監測系統內剩余電流大小，對保障變電站的安全穩定工作有著非常重要的價值[4]。為保障變電站低壓交流系統的安全穩定運行，以變電站400 V交流系統為例，國網浙江建德市供電公司設計了智能化的剩余電流監測系統來實時監測剩余電流變化，并將剩余電流信息傳送至監控主機，當用戶端存在風險時予以保護和報警，能有效縮小斷電范圍，提高變電站供電服務的可靠性。

1" " 低壓電網剩余電流產生的原因分析

剩余電流又名漏電流，是指低壓交流系統中各相電流的矢量和[5]。在正常供電條件下，以單相電為例，相線流入電流和中性線流出電流應大小相等、矢量和為0。然而，當導電體通過用電設備接觸到相線時，會導出部分電流經用電設備而進入大地，導致相線電流和中性線電流不相等，并形成剩余電流。剩余電流形成的原因主要如下。

1.1" " 輸電線路老化

輸電線路老化后會導致絕緣層損壞，致使相線接觸到導體、潮濕空氣或大地等產生剩余電流[6]。

1.2" " 輸電線路安裝不規范

輸電線路安裝不規范會導致導線與其他金屬導體、潮濕空氣或與大地短接而產生剩余電流。

1.3" " 用電設備內部存在質量隱患

當用電設備內部的元件質量不合格或長期使用老化，用電設備內部絕緣性降低時，會通過外殼或水等導電體與大地短接而產生剩余電流。

1.4" " 操作人員無意識形成產生剩余電流

操作人員無意識地接觸用電設備的金屬外殼，或電氣維修時維修工具因擺放不當而接觸到相線，產生剩余電流。

2" " 400 V交流智能剩余電流監測系統的設計

2.1" " 系統結構

本文所述400 V交流智能剩余電流監測系統總體結構如圖1所示。圖中，在線監測IED子系統通過RS485串口連接上CT傳感器和采集終端，對不同位置的交流電流進行測量。在測量完成后傳輸至站端監控系統，并發送至主站系統，由主站系統進行響應和決策。

2.2" " 硬件系統設計

本文所述400 V交流智能剩余電流監測系統是基于分布式設計，其工作原理如圖2所示。分布式采集終端安裝在400 V母線段與負載端之間，通過CT傳感器采集400 V系統各個節點上的剩余電流信號，數據運算處理后傳輸到交流絕緣監測裝置，通過交流絕緣監測裝置把每路剩余電流信號傳輸給智能微機監控模塊，智能微機監控模塊可以設置每個用戶端的保護閾值，如果剩余電流值超出閾值則發出聲光報警，提醒技術人員到現場檢查處理。

剩余電流有效值采集電路如圖3所示，主要由運放DPA604、運放OP27、芯片AD637JRZ和芯片ADS1286組成。芯片AD637能根據波峰因數補償方案，實現誤差小于1%的任意波形均方值的計算功能。芯片ADS1286是一款12位20 kHz的模數轉換器，僅消耗250 μA的電源電流就能實現差分輸入和采樣保持的放大功能。在圖3中，輸入信號經運放DPA604放大后，由AD637芯片測量剩余電流的均方值，再經運放OP27進行放大，隨后經ADS1286芯片采樣、保持后得到剩余電流值。ADS1286不僅具有良好的精度，還具有低功耗特點，使本設計克服了頻繁更換電池的不足。

2.3" " 軟件系統設計

本設計的軟件系統采用Java語言進行開發，并使用Oracle數據庫對節點數據進行存儲管理。軟件系統的功能模塊組成如表1所示，主要分為數據監測、實時監控、運行管理和控制面板四個模塊。

2.3.1" " 數據監測

數據監測模塊主要負責每間隔5 min對變電站400 V交流系統的運行狀態參數進行監測，主要包括系統的實時電壓/電流值、剩余電流、實時漏電壓和漏電流，并實時監測系統中設備的運行狀態。

2.3.2" " 實時監控

實時監控模塊主要承擔著系統的遠程試跳、遠程分合閘、線路異常警報和總保復位等功能。

遠程試跳既可以通過人工進行試跳，也可以通過定時來完成試跳。

遠程分合閘具備對總保進行遠程分合閘的功能。若保護器突發分閘停電，將對供電連續性產生負面影響，通過遠程分合閘可以解決這一難題。遠程分合閘既可以在剩余電流過大時立即分合閘，也可以在情況不嚴重時通過預約實施分合閘，方便同一線路上的電力用戶做好停電準備。

線路異常警報是指當保護器監測到線路發生異常時，能夠實時向主站發送警報信息，告知主站異常線路的位置，方便運維人員立即處理。

總保復位是指當保護器發生故障時，能夠對保護器實施復位操作，保障保護器的正常運行。

2.3.3" " 運行管理

運行管理模塊承擔著本系統的設備校對、短信通知、試跳定時設定和剩余電流警報等運行管理功能。

設備校對是指對保護器等電力設備制定恰當的時間校準方案，以確保保護器等電力設備的定時校準，保障相關電力設備的可靠運行。

短信通知是指主站系統會實時將線路異常警報、剩余電流警報等信息傳送至運維人員手機上，以提醒運維人員立即響應處理相關警報。

試跳定時設定是指根據剩余電流保護器的運行管理要求，每間隔30天進行一次試跳，以確保保護器能有效實現線路剩余電流保護的功能。運維人員也可以根據需要自行設置定時試跳的時間。

2.3.4" " 控制面板

控制面板承擔著本系統信息查詢、記錄檢索的功能。

跳閘記錄查詢是指當保護器成功跳閘后，系統會記錄保護器成功跳閘時的運行參數，如跳閘時間、三相電壓值、三相電流值和剩余電流值等，供運維人員分析跳閘的原因。

漏電記錄查詢是指系統會記錄剩余電流超過預設門限值的情況，并向運維人員提供查詢權限。

剩余電流查詢是指系統會記錄剩余電流取值并繪制曲線，供運維人員分析使用。

設備運行記錄查詢是指系統會記錄變電站交流系統關鍵設備的運行狀態，供運維人員查詢分析使用。

3" " 400 V交流智能剩余電流監測系統的應用效果

本文所述400 V交流智能剩余電流監測系統在國網浙江建德市供電公司數個變電站進行了測試使用。

3.1" " 故障定位測試

經測試，在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發生剩余電流故障時，系統均能精確定位，方便技術人員及時定位和維修，有效縮短了跳閘時間。

3.2" " 剩余電流采集誤差測試

在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發生剩余電流故障時，對一次側加載剩余電流值和監測系統顯示值記錄如表2所示。

測試結果表明，與一次側加載剩余電流值相比，監測系統顯示值具有較高的精度，測試誤差均小于1.5%，能夠滿足剩余電流保護的要求。

4" " 結束語

本文所述400 V交流智能剩余電流監測系統，通過實時監測剩余電流變化，并將剩余電流信息傳送至監控主機，當用戶端存在風險時予以保護和報警，能有效縮小斷電范圍，不僅提高了變電站供電服務的可靠性，還能在剩余電流超限時減少人力、物力投入，降低電力公司的運營成本。

[參考文獻]

[1] 曹坡，王二偉，任成偉，等.變電站站用交流電源系統設計分析[J].通信電源技術，2021，38（22）：68-70.

[2] 陳長根，王建偉，殳菊明.剩余電流動作保護器遠程智能監測系統的設計和實現[C]//浙江省電力學會2012年年會優秀論文集，2012：51-58.

[3] 張長營，袁雯雯.農村剩余電流動作保護智能終端設計方案探討[J].供用電，2015，32（12）：54-57.

[4] 李銘，黃申茂.一種具有剩余電流實時監測功能的新型智能電能表設計方案[J].電力需求側管理，2015，17（5）：54-57.

[5] 劉炬，廖玄，羅皓文，等.變電站站用交流電源典型配置及剩余電流保護問題研究[J].東北電力技術，2022，43（7）：16-19.

[6] 伍丹.基于短距無線通信的農網用戶剩余電流在線監測技術研究及應用[D].南京：東南大學，2016.

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：鈕月峰（1994—），男，浙江湖州人，工程師，研究方向：繼電保護和交流系統。