CN111521919A - 一种低压台区零线带电故障诊断装置及诊断与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压台区零线带电故障诊断装置及诊断与定位方法，其装置包括传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块、无线传输模块和人机交互模块；所述的传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块依次相连接；所述的数据采集及处理模块通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。本发明的装置结构简单、使用成本低，可以实现零线带电故障的精确分析与诊断。本发明的诊断与定位方法主要是使用二分法对发生故障的低压台区线路波形进行诊断与定位，通过对零线电流相位的检测与比对，可以精确定位放电故障点位置，定位点少，操作方便；同时，通过数据库对比判断，可以判断放电类型与严重程度，故障诊断与定位准确度高。

Description

一种低压台区零线带电故障诊断装置及诊断与定位方法

技术领域

本发明属于电气设备检测技术领域，尤其涉及了一种低压台区零线带电故障诊断装置及诊断与定位方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展和国家出台的一系列农村家电下乡优惠政策，农村电器化水平不断提高，但在农村低压台区中零线带电故障发生的次数也在急剧增加，零线带电事故的发生严重威胁了居民正常的生产生活。由于低压配电台区用户较多，台区出线及走向复杂，且零线故障发生时居民家中照明、电器还在工作中，供电公司在日常的运行维护中很难发现零线带电故障。

长期以来，对于低压台区架空线路零线带电故障没有有效的检测方法，多采用分相法、电压法、拉闸法等停电排除的方式。当低压供电台区出现零线故障时，首先判断是否剩余电流断路器故障，如果没有故障，分别对各分支线试送电，以判断是哪一分支出现接地故障，找出故障分支后，把该分支线上所有负荷全部断开，再试送电，如试送正常，证明故障点在用户端，如试送不正常，证明故障点在低压线路。这种处理方式既费工又费时，而且还存在极大的安全隐患。

还可通过测量绝缘电阻的方法来检测零线带电故障，如兆欧表连接测量法、比较测量法等。但这些方法都需要可靠的直流稳压电源和对精度要求相当高的仪器仪表，操作较麻烦，不易实施。如果故障部位处于用户或设备的进线开关以后的配电线或电器中，故障比较容易判断。但如果故障点在变压器组成的配电网中，其接地线又并联在一起形成公共接地方式，则使用此方法检测困难。

钳形电流表在一定程度上能解决上述问题，使用钳形电流表测量漏电故障时，如果漏电故障的开关无法合上，此时要先检测是漏电开关本身发生了漏电故障，还是在线路上发生了漏电故障。如果是在线路上发生了漏电故障，并且引起了跳闸，此时只要将漏电开关暂时关闭停止其运行即可。先将漏电开关的进线中性线进行拆除，然后再将发生漏电故障的开关关闭，再将钳形电流表调整到毫安档测量相线电流，这时在电流表上所显示的数值就是发生漏电的电流数值。使用这种方法在发生漏电的导线上继续进行，直到检查到线路的末端，就能通过分析漏电电流数值的大小找出发生漏电故障的位置。这种方法相比于传统方法更加安全，但钳形电流表仅能给出此时漏电电流的数值，还需要工作人员进一步的分析和定位，不利于工作人员及时开展故障排查。目前市面上出售的钳形电流表测量范围小、精度低、检测效率低下、无法及时判断是否存在故障，导致很难满足对于架空线路零线带电故障诊断的需求。

因此，如何及时发现并诊断低压台区架空线路零线带电故障，提高架空线路的运行和管理水平是多年来线路维护中存在的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种低压台区零线带电故障诊断装置及诊断与定位方法。本发明的诊断装置结构简单、使用成本低，可以实现零线带电故障的精确分析与诊断。其诊断与定位方法主要是通过对零线电流相位的检测与比对，可以精确定位放电故障点位置，定位点少，操作方便；同时，通过数据库对比判断，可以判断放电类型与严重程度，故障诊断与定位准确度高。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种低压台区零线带电故障诊断装置，包括传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块、无线传输模块和人机交互模块；所述的传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块依次相连接；所述的数据采集及处理模块通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

本发明通过引入针对三相电线和零线的电流互感器同步进行电流的测量，并将其波形图像同步展示，可方便应用于零线带电故障的现场诊断。

本发明可以实现低压台区零线带电故障电流的采样、展示、储存和分析；传感器模块可同步测量三相和零线上的电流；通过预处理电路的处理，提取有效频段的波形；经数据采集及处理模块的处理，将数据通过无线传输模块上传至上位机的人机交互模块进行展示，用于测试人员的分析与诊断。

本发明中的传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块可以集成为一体，成为一个智能传感器，该智能传感器和人机交互模块再通过无线传输模块进行数据传输，避免了现场检测时的繁琐接线。

本发明进一步说明，所述的传感器模块包含四路电流互感器，分别套接于A、B、C三相电线和零线上，用于感应A、B、C三相电流和零线电流。本发明的诊断装置可同时读取四路电流互感器的电流值，然后对A、B、C三路电流互感器数据求相量和，与零序电流值进行比较。由于是带电测量，本发明需使用绝缘材料，具有足够的绝缘强度。

本发明进一步说明，所述的信号预处理电路采用有源带通滤波器。该滤波器的元器件少、稳定性好、参数调节方便。其工作原理为：

传递函数：

由虚短虚断得到，R2和C2之间的节点电压为0，电流合为0：

消除V_A得到传递函数：

那么H(ω)的幅值为：

假设带通滤波器中心频率为f₀则ω₀＝2πf₀，在ω₀处|H(ω)|取得最大值。从数学函数可观察到分母前一项为0时候，|H(ω)|取得最大值。则

传递函数取最大值：

中心频率：

增益：

实际工程实践中为简化计算和设计令R＝R1＝R2，

中心频率f₀＝1/2πRC，增益A_v＝|H(ω)_max|＝C₁/2C₂。

本发明进一步说明，所述的数据采集及处理模块包括AD芯片、FPGA芯片、ARM处理器和FIFO存储器；所述的FPGA芯片通过AD芯片与信号预处理电路相连接；所述的FIFO存储器与FPGA芯片相连接；所述的ARM处理器与FPGA芯片通过AXI总线相连接；所述的ARM处理器通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

本发明中FPGA可以通过AXI总线访问ARM的内存，并进行读写操作。FPGA通过接收ARM下发的命令，控制对前端互感器数据的采集，将检测数据先保存在FIFO中，再通过AXI总线发送给ARM进行数据分析和处理。采用AXI总线控制传输，AXI协议支持支持高性能、高频率系统设计，适合高带宽低延时设计，无需复杂的桥就能实现高频操作，满足大部分器件的接口要求。

本发明中所涉及的电子元器件(例如AD芯片、FPGA芯片、ARM处理器等等)均为常规使用的元器件，根据所需功能均可在市场购买获得，无需特别限定型号。

本发明进一步说明，所述的无线传输模块采用基于Zigbee技术的无线传输模块。Zigbee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，安全性很高，且协议简单、成本低。传感器和人机交互模块(检测主机)之间通过无线方式进行通信，降低现场接线复杂度。

本发明进一步说明，所述的人机交互模块采用液晶触摸屏。人机交互模块通过液晶屏幕显示测试数据，通过触屏进行操作；可用于展示测试数据的波形并进行分析及辅助定位；数据可以存储及回放，用于对线路的长期分析及预警。

本发明还提供了一种低压台区零线带电故障诊断与定位方法，主要是应用上述的低压台区零线带电故障诊断装置并使用二分法对发生故障的低压台区线路波形进行诊断与定位，具体包括以下步骤：

1)在线路故障段首端和末端分别采集A、B、C三相及零线电流，确保四路电流同步采集；

2)在线路中部选点测量四路电流波形，通过零线电流相位与首端和末端对比，判断故障位置；确认首末端中与中点相位不同的一端，故障位置位于该端和中点之间，将该端和中点作为下次测量的首末端；

3)重复第2)步，直到将故障位置定位到一个确定的位置；

4)分析四路电流波形结果，根据零序电流和三相电流的相位关系判定接地故障发生相别，同时与数据库中波形进行比对，判定故障类型及严重程度。

进一步说明，所述的步骤4)中零序电流和三相电流的相位关系通过使用MATLAB进行接地故障仿真获取。

上述的使用MATLAB进行接地故障仿真具体为：

假设各支线均存在重复接地点，分别在第0、1、2、3号位置测量零序电流，所有线路均可做等效电路图，忽略导线电阻，对于变压器出口的0号位置，后端所有支线重复接地点可等效为重复接地1至3，其余以此类推，则有以下等式：

R_{重复接地点1}＝R_a//R_b//R_i//R_h

R_{重复接地点2}＝R_c//R_d

R_{重复接地点3}＝R_g//R_f//R_e

假设故障发生在2号位置和3号位置之间，故障为单相接地故障，故障电流为I_f，流过中性点电流为I_zx，三相负荷电流为I_A、I_B、I_C，则有：

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1-I_cf2

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N-I_cf3

使用MATLAB进行仿真，中性点接地电阻取10Ω，重复接地点电阻随机选取6Ω、1Ω、10Ω，故障点接地电阻为10Ω，设置A、B、C三相分别接地，分别生成零线不同位置处的电流波形仿真图，通过电流波形仿真图可知，无论哪一相线路发生接地故障，在故障点前后零序电流相差180°相位，该特征明显；同时，零序电流在故障点前后和故障相电流同相位或相差180°，由此可以判定接地故障发生的相别。

本发明的优点：

1.本发明的诊断装置结构简单、使用成本低；使用无线连接方式，接线简单，安全性高；可以同步测量三相和零线电流，测试数据同步性好，波形展示清晰明确，易于对比分析，可方便应用于零线带电故障的现场诊断。

2.本发明的诊断与定位方法主要是通过对零线电流相位的检测与比对，可以精确定位放电故障点位置，定位点少，操作方便；同时，通过数据库对比判断，可以判断放电类型与严重程度，故障诊断与定位准确度高，对低压台区架空线线路故障的排查与维护有很重要的意义。

附图说明

图1为本发明一实施例的装置结构示意图。

图2为本发明一实施例中传感器模块的检测原理示意图。

图3为本发明一实施例中信号预处理电路的电路原理图。

图4为本发明一实施例中数据采集及处理模块的系统功能结构图。

图5是台区网络拓扑图。

图6是台区等效电路图。

图7是MATLAB仿真电路图。

图8是A相接地短路在零线不同位置处的电流波形仿真图。

图9是B相接地短路在零线不同位置处的电流波形仿真图。

图10是C相接地短路在零线不同位置处的电流波形仿真图。

图11是本发明中低压台区零线带电故障诊断与定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种低压台区零线带电故障诊断装置，包括传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块、无线传输模块和人机交互模块；所述的传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块依次相连接；所述的数据采集及处理模块通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

进一步的，如图2所示，所述的传感器模块包含四路电流互感器，分别套接于A、B、C三相电线和零线上，用于感应A、B、C三相电流和零线电流。

进一步的，所述的信号预处理电路采用有源带通滤波器。其电路原理图如图3所示，主要由电阻R1、R2、R3、电容C1、C2和运算放大器U1组成。

进一步的，如图4所示，所述的数据采集及处理模块包括AD芯片、FPGA芯片、ARM处理器和FIFO存储器；所述的FPGA芯片通过AD芯片与信号预处理电路相连接；所述的FIFO存储器与FPGA芯片相连接；所述的ARM处理器与FPGA芯片通过AXI总线相连接；所述的ARM处理器通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

本实施例中所述的无线传输模块采用基于Zigbee技术的无线传输模块。所述的人机交互模块采用液晶触摸屏。

下面结合附图详细阐述本发明的低压台区零线带电故障诊断与定位方法。

以火线不完全接地故障为例，如图5所示结构，各支线均存在重复接地点，分别在第0、1、2、3位置测量零序电流；所有线路均可做如图2所示的等效电路图，忽略导线电阻，对于变压器出口的0号位置，后端所有支线重复接地点可等效为重复接地1至3，其余以此类推，则有以下等式：

R_{重复接地点1}＝R_a//R_b//R_i//R_h

R_{重复接地点2}＝R_c//R_d

R_{重复接地点3}＝R_g//R_f//R_e

假设故障发生在2号位置和3号位置之间，故障为单相接地故障，故障电流为I_f，流过中性点电流为I_zx，三相负荷电流为I_A、I_B、I_C，则有：

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1-I_cf2

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N-I_cf3

为便于分析，使用MATLAB进行仿真，中性点接地电阻取10Ω，重复接地点电阻随机选取6Ω、1Ω、10Ω，故障点接地电阻为10Ω，设置A、B、C三相分别接地，仿真电路图如图3，仿真结果如图4、图5、图6。由仿真结果可见，无论那一相线路发生接地故障，在故障点前后零序电流相差180°相位，该特征明显；同时，零序电流在故障点前后和故障相电流同相位或相差180°，由此可以判定接地故障发生的相别。

因此，可以使用二分法对发生故障的低压台区线路波形进行诊断与定位，如图7所示，步骤如下：

1)在线路故障段首端和末端分别采集A、B、C三相及零线电流，确保四路电流同步采集；

2)在线路中部选点测量四路电流波形，通过零线电流相位与首端和末端对比，判断故障位置；确认首末端中与中点相位不同的一端，故障位置位于该端和中点之间，将该端和中点作为下次测量的首末端；

3)重复第2)步，直到将故障位置定位到一个确定的位置；

4)分析四路电流波形结果，根据零序电流和三相电流的相位关系判定接地故障发生相别，同时与数据库中波形进行比对，判定故障类型及严重程度。

故障的诊断结果准确性，依赖于诊断算法的准确性。因此，需要针对多种零线带电故障建立放电类型数据库，用于辅助算法的判定。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种低压台区零线带电故障诊断装置，其特征在于：包括传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块、无线传输模块和人机交互模块；

所述的传感器模块、信号预处理电路、数据采集及处理模块依次相连接；

所述的数据采集及处理模块通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的低压台区零线带电故障诊断装置，其特征在于：所述的传感器模块包含四路电流互感器，分别套接于A、B、C三相电线和零线上，用于感应A、B、C三相电流和零线电流。

3.根据权利要求1或2所述的低压台区零线带电故障诊断装置，其特征在于：所述的信号预处理电路采用有源带通滤波器。

4.根据权利要求3所述的低压台区零线带电故障诊断装置，其特征在于：所述的数据采集及处理模块包括AD芯片、FPGA芯片、ARM处理器和FIFO存储器；所述的FPGA芯片通过AD芯片与信号预处理电路相连接；所述的FIFO存储器与FPGA芯片相连接；所述的ARM处理器与FPGA芯片通过AXI总线相连接；所述的ARM处理器通过无线传输模块与人机交互模块进行数据传输。

5.根据权利要求1所述的低压台区零线带电故障诊断装置，其特征在于：所述的无线传输模块采用基于Zigbee技术的无线传输模块；所述的人机交互模块采用液晶触摸屏。

6.一种低压台区零线带电故障诊断与定位方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的低压台区零线带电故障诊断装置并使用二分法对发生故障的低压台区线路波形进行诊断与定位，具体包括以下步骤：

1)在线路故障段首端和末端分别采集A、B、C三相及零线电流，确保四路电流同步采集；

2)在线路中部选点测量四路电流波形，通过零线电流相位与首端和末端对比，判断故障位置；确认首末端中与中点相位不同的一端，故障位置位于该端和中点之间，将该端和中点作为下次测量的首末端；

3)重复第2)步，直到将故障位置定位到一个确定的位置；

4)分析四路电流波形结果，根据零序电流和三相电流的相位关系判定接地故障发生相别，同时与数据库中波形进行比对，判定故障类型及严重程度。

7.根据权利要求6所述的低压台区零线带电故障诊断与定位方法，其特征在于：所述的步骤4)中零序电流和三相电流的相位关系通过使用MATLAB进行接地故障仿真获取。

8.根据权利要求7所述的低压台区零线带电故障诊断与定位方法，其特征在于：所述的使用MATLAB进行接地故障仿真具体为：

假设各支线均存在重复接地点，分别在第0、1、2、3号位置测量零序电流，所有线路均可做等效电路图，忽略导线电阻，对于变压器出口的0号位置，后端所有支线重复接地点可等效为重复接地1至3，其余以此类推，则有以下等式：

R_{重复接地点1}＝R_a//R_b//R_i//R_h

R_{重复接地点2}＝R_c//R_d

R_{重复接地点3}＝R_g//R_f//R_e

假设故障发生在2号位置和3号位置之间，故障为单相接地故障，故障电流为I_f，流过中性点电流为I_zx，三相负荷电流为I_A、I_B、I_C，则有：

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N+I_f-I_zx-I_cf1-I_cf2

I₀＝I_A+I_B+I_C+I_N-I_cf3

使用MATLAB进行仿真，中性点接地电阻取10Ω，重复接地点电阻随机选取6Ω、1Ω、10Ω，故障点接地电阻为10Ω，设置A、B、C三相分别接地，分别生成零线不同位置处的电流波形仿真图，通过电流波形仿真图可知，无论哪一相线路发生接地故障，在故障点前后零序电流相差180°相位，该特征明显；同时，零序电流在故障点前后和故障相电流同相位或相差180°，由此可以判定接地故障发生的相别。

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