CN107255744A - 输电线路接地故障地电压分布立体式监测实验系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路接地故障地电压分布立体式监测实验系统与方法，信号采集模块置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形。本发明可测量地表下感应电压梯度，能预测接地故障时跨步电压大小，保护人身安全；该装置和方法能够有效抑制主频电磁干扰。实验和应用结果表明该装置和方法可行，检测系统有效，可以用于工程实际。

Description

输电线路接地故障地电压分布立体式监测实验系统与方法

技术领域

本发明涉及电力系统测量技术领域，特别是涉及一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法。

背景技术

输电杆塔接地装置起着快速排泄故障电流、雷电流，降低杆塔电位，保证附近设备和人身安全的作用，是电力系统可靠运行的一个重要保证，同时由于大地具有一定电阻率，电流入地点及电流流经的地方会出现一定的电势。雷电流入地点附近的地表将会呈现一定的电位分布，若此时雷击点附近正好有人或动物，由于站立或行走于地表的不同两点，这两点之间的电位差作用在人或动物身上，可能会造成伤亡。当发生雷击或者接地短路时，可能造成严重的经济损失和社会影响。因此，找到一种能快速方便地对接地故障时地中电压分布进行检测的装置及方法，进而采取相应的防护措施已成为电力行业现有输电线路运行维护工作中亟待解决的问题。

目前，对地表的电位分布没有有效的监测方法，通常只能测得某一方向上的地中散流，通过地中散流情况推断地表电位分布，操作过程复杂，精确度低，在具体实施过程中很不方便。针对以上的问题，本发明针对地中电压分布监测提出了一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法，对输电线路杆塔周边安全的判断提供了一种新的方法。

发明内容

鉴于以上已有方案或相关技术的不足，本发明针对克服现有技术存在的缺陷，提供一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法，该装置集发生、采集、分析于一体，结构简单，操作方便且安全可靠，通过设计的测试及分析方法得到接地故障时地中电压分布，能够实现对输电线路杆塔周边安全的高效、准确判断。

其技术方案如下：

一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统产生幅值可调工频电压的工频电压调节模块100的输出端通过接地装置120铜棒电极130构成回路，铜棒电极130离电流注入点较远处，作为零电位点；所述接地装置120为待测输电杆塔接地装置；信号控制平台210与分别与工频电压调节模块100和数据处理模块240信号连接；图形处理模块230与数据处理模块240信号连接；信号采集模块300置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形，并通过信号处理模块260和无线通信模块250将所测信号输入到信号控制平台210；所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成：固定单元由绝缘杆件构成，每组铜极板由绝缘杆呈直角支撑；测量单元由三组双极板构成，每组铜板由两片方形铜板经夹持螺母支撑相对而立，每片铜板上方焊接有绝缘导线；双极板电流采集装置放在地表以下，铜片所在平面与地面垂直，放置角度任意。

本发明的目的还在于为上述装置提供一种便捷正确的应用方法，其主要内容为：

采用如上系统的输电线路接地故障地中电压分布立体式监测方法，布置电压注入点和用于回流的铜棒电极；信号采集模块置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形；感应电压信号经信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号，采集到的三个方向的电压信号u_1(t)、u_2(t)、u_3(t)，经过下式处理得到双极板电压采集模块放置位置处地表电压梯度变化与时间关系：

其中l为单组双极板电压采集模块两块铜极板的间距；利用电压梯度直接得到任意点的跨步电压值，指导人身安全距离的范围；得到放置位置处地表电压梯度变化与时间关系并传输至图形处理模块显示。

上述所有模块组成一个完整检测评估系统。

上述输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法通过所述工频电压调节模块调整通电时间及供应电压大小经电缆注入接地装置，利用所述信号采集模块测量感应电压信号波形，经过信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号，最后显示在上位机上并对输电线路杆塔周边安全进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

下面对技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，所述工频电压调节模块可输出幅值、通断时间可调的电压，由信号控制平台控制；与接地装置、电缆、铜棒电极和大地构成回路；

在其中一个实施例中，所述控制平台有通讯接口，通过信号线与工频电压调节模块连接，向工频电压调节模块发出电压幅值与通电时间指令；所述信号控制平台通过所述的无线通信模块与所述的信号采集模块通信，用于控制和接收所述的信号采集模块的感应电压信号波形以及无线通信模块发出的处理过的数据信息；

在其中一个实施例中，所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成。所述固定单元由绝缘杆件构成，每组铜极板由绝缘杆呈直角支撑；所述测量单元由三组双极板构成，每组铜板由两片方形铜板经夹持螺母支撑相对而立，每片铜板上方焊接有绝缘导线；双极板电流采集装置放在地表以下，铜片所在平面与地面垂直，放置角度任意。绝缘杆呈直角的作用是固定X、Y、Z方向，增加检测的准确度。

在其中一个实施例中，所述信号处理装置由放大器、带通滤波器、示波器组成。感应电压信号经信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号。所述放大器采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率fc可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

在其中一个实施例中，所述的数据处理模块有通讯接口，通过通信接口与所述的信号控制平台进行数据交换，根据采集数据，结合数学处理手段写入所述上位机，得到所述双极板电压采集模块放置位置处地表电压梯度变化与时间关系并传输至图形处理模块显示。

在其中一个实施例中，通过采集到的三个方向的电压信号u_1(t)、u_2(t)、u_3(t)。经过下式处理得到双极板电压采集模块放置位置处地表电压梯度变化与时间关系，其中l为单组双极板电压采集模块两块铜极板的间距；利用电压梯度可直接得到任意点的跨步电压值，能指导人身安全距离的范围。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块和图形处理模块由LABVIEW软件编程实现。利用上位机进行数据的存储、提取、数据编程计算和绘图显示，所述上位机独立供电，具有较强稳定性，服务器外壳由金属覆盖，进行电磁屏蔽；此实验系统可用于户外测试。

与现有技术相比，本发明可以在不改变输电线路接地装置结构的前提下，对接地故障时地中电压分布进行较为准确的判断；同时，能任意检测一个待测点的电压梯度而不需要锁定电位零点测量电位，突破了原有地电位测试的方法，现场测试工作量大幅减少。因此本发明能在大幅减少现场测试工作量的前提下，有效地、准确地检测出输电线路杆塔附近电压分布，从而可及时采取有效措施，提高输电线路的运行可靠性。

附图说明：

图1为本发明实施例所述的输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法的系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述的输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法的双极板电压信号采集装置结构示意图；

图3为本发明实施例所述的输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法的信号处理模块的电路结构图；

附图标记说明：

100、多频激励电源，110、电缆，120、接地装置，130、铜棒电极，210、信号控制平台，220、数据线，230、图形处理模块，240、数据处理模块，250、无线通信模块，260、信号处理模块，261、放大器，262、带通滤波器，263、示波器，300、信号采集模块，310、双极板电压信号采集装置，320、差分线圈，311、信号线，312、铜板，313、铜质垫片，314、环氧树脂支架，315、盘头螺丝，316、六角内螺纹隔离柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图2所示，一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法，包括：工频电压调节模块100；所述工频电压调节模块100为产生幅值可调，通断时间可调的工频电压发生装置；电缆110；所述电缆110用作注入电流的导线以及各模块信号传输的数据线220；接地装置120；所述接地装置120为某输电杆塔接地装置120；铜棒电极130；所述铜棒电极130离电流注入点较远处，作为零电位点；信号控制平台210、数据处理模块240、图形处理模块230；无线通信模块250、信号处理模块260；所述无线通信模块250、信号处理模块260用电力电子器件设计于开发板上；及信号采集模块300；所述信号采集模块300置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形；上述所有模块组成一个完整检测评估系统。

上述输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统与方法通过所述工频电压调节模块100调整通电时间及供应电压大小经电缆110注入接地装置120，利用所述信号采集模块300测量感应电压信号波形，经过信号放大和带通滤波处理后，用示波器263采集并提取信号，最后显示在上位机上并对输电线路杆塔周边安全进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

实施例1中，考虑到空气中电磁场的干扰，信号控制平台210放置在屏蔽腔内，同时所有数据线220传输数据以及激励电流注入均采用强度高且屏蔽性能佳的电缆110。上述工频电压调节模块100可以是工频电源等，调整通电时间及供应电压大小。此外，为了使设备方便携带，无线通信模块250、信号处理模块260均利用电力电子器件设计在开发板上；同时为了该装置以及检测方法的普及，数据处理模块240、图形处理模块230是基于LABVIEW软件编制上位机，后台连接MATLAB完成数据处理，上位机软件窗口进行图形可视化。

实施例1中，所述信号采集装置300由双极板电压信号采集装置310和差分线圈320两部分构成。差分线圈320包括磁芯、开合装置、外包绝缘漆铜线；磁芯有两个半圆形磁性通过开合装置组合而成，材料相同，导磁性能一致，两半圆磁芯闭合成内直径20mm外直径30mm的环形磁芯，设计成可开合式，最大张口为10mm；将磁芯打开放入信号线311，闭合磁芯；信号线311与数据存储转换器连接，数据存储转换器中CPU控制A/D转换芯片对输入信号进行采样，转换成数字信号存入存储芯片中。差分线圈可以实现两块板上不同电压波形的矢量差，得到待测点的时变波形。

实施例1中，所述双极板电压信号采集装置310包括BVR14mm²规格信号线311、5cm*5cm*0.2cm规格铜板312，M3铜质垫片313，直角端部带螺纹环氧树脂支架314，规格M3*8的十字盘头螺丝315，规格M3*10双通尼龙柱六角内螺纹隔离柱316；六片铜板分成三组，每组两片，两铜板312之间需要保持一定绝缘空隙l，使用绝缘固定件进行加固；两铜板312通过两个平行的规格M3*10双通尼龙六角内螺纹隔离柱316绝缘隔离，端部由M3*8的十字盘头螺丝315拧入六角内螺纹隔离柱316，使之形成相距10mm的相互平行的一组受流板，上端规格M3*8的十字盘头螺丝315下面垫M3铜质垫片313，M3铜质垫片313与BVR14mm²规格信号线311相连；另两组铜板使用同样的固定方式做成另外两个方向的受流板；两组受流板通过直角端部带螺纹环氧树脂支架314连接，形成一个牢固整体；将此双极板电压信号采集装置310埋入所要测量位置的地表下，铜板312垂直于地表面，角度任意；

实施例1中，所述信号处理模块260由放大器261、带通滤波器262、示波器263组成，如图3所示。差分线圈320测得感应电压信号，经信号放大和带通滤波处理后，用示波器263采集并提取信号。所述放大器261采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器262利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率f_c可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器263对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

优选的实施例1中，具体实施步骤为，先根据图1按要求布置电压注入点和用于回流的铜棒电极130。根据输电线路杆塔接地装置120现场情况，设计信号采集装置300的检测路径。应用信号控制平台210，控制工频电压源100通过电缆110向输电线路杆塔接地装置120注入幅值在200-1000V的工频电压，根据检测路径用双极板电压信号采集装置310检测接地装置120地表下感应的电压，通过信号处理模块260、无线通信模块250将电压信号传回信号控制平台210。应用信号控制平台210，控制数据处理模块240提取多点检测的接地装置120的电压梯度波形，结合数学处理手段写入所述上位机，得到所述双极板电压采集模块放置位置处地表电压梯度变化与时间关系并传输至图形处理模块显示。根据每个点的电压梯度乘以人的跨步距离，即可得到该电压强度下人的跨步电压值，从而保护人身安全。

以上所述实施例的各技术环节可以进行任意的组合，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种输电线路接地故障地中电压分布立体式监测实验系统，其特征在于，产生幅值可调工频电压的工频电压调节模块(100)的输出端通过接地装置(120)铜棒电极(130)构成回路，铜棒电极(130)离电流注入点较远处，作为零电位点；所述接地装置(120)为待测输电杆塔接地装置；信号控制平台(210)与分别与工频电压调节模块(100)和数据处理模块(240)信号连接；图形处理模块(230)与数据处理模块(240)信号连接；信号采集模块(300)置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形，并通过信号处理模块(260)和无线通信模块(250)将所测信号输入到信号控制平台(210)；

所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成：固定单元由绝缘杆件构成，每组铜极板由绝缘杆呈直角支撑；测量单元由三组双极板构成，每组铜板由两片方形铜板经夹持螺母支撑相对而立，每片铜板上方焊接有绝缘导线；双极板电流采集装置放在地表以下，铜片所在平面与地面垂直，放置角度任意。

2.采用权利要求1所述系统的输电线路接地故障地中电压分布立体式监测方法，其特征在于，布置电压注入点和用于回流的铜棒电极；信号采集模块置于待采集路径上，记录三个方向信号电压波形；感应电压信号经信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号，采集到的三个方向的电压信号u_1(t)、u_2(t)、u_3(t)，经过下式处理得到双极板电压采集模块放置位置处地表电压梯度变化与时间关系：

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其中l为单组双极板电压采集模块两块铜极板的间距；利用电压梯度直接得到任意点的跨步电压值，指导人身安全距离的范围；得到放置位置处地表电压梯度变化与时间关系并传输至图形处理模块显示。