一种接地地线的检测系统

张作宇，李燕青

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

挂接地线是保护检修人员的一道安全屏障[1]，是电力员工的生命线，可防止突然来电对人体的伤害。但实际工作中，由于接地线使用频繁且操作看似简单，容易使人产生麻痹思想，其重要性也往往被人忽视，经常出现不正确的使用情况，以致降低甚至有时失去了接地线的安全保护作用，必须引起足够重视。

目前防止带此类接地线合闸的主要办法是加强管理，作好记录和验收工作，操作人员只能依靠记录判断和肉眼观察才能发现遗漏的接地线。为了防止带接地线合闸，各电网公司都制定了有关规定并实施了严格的考核，但带接地线合闸还是屡有发生。原因在于实际工作中防止带接地线合闸有效环节太少，每次事故后总结，只要操作人员进行认真检查就能避免。事实说明，每个人都有失误的可能，虽然谁都不想失误。防止带接地线合闸光靠制度管理是不行的，还必须建立技术措施，关键是在充电前能及时发现线路存在接地点。研究一种新型接地地线的检测系统，可以在挂接地线和拆接地线时，给现场的工作人员音响信号及灯光信号，并且可以将该操作信号通过GSM（全球移动通讯系统）网络发送到电力调度、变电所以及需要传送的地方。该系统可以解决目前线路检修作业中存在的地线检测难题，防止由于带接地线合断路器（或隔离开关）等误操作所造成的人身和设备事故。

1 检测地线系统的实现

该系统采用高频信号施加到线路上，同时增加一个固定对地支路，利用电流的支路分流原理，将总电流与分支电流作比值。当比值较高时可判断有地线存在，此时可通过GSM给调度相关人员（可设定）及计算机发出线路上有地线的信息；当比值较低时，通过GSM给调度相关人员（可设定）及计算机发出线路上无地线的信息。检测系统示意图见图1。

图1 检测系统示意图

2 高频电流检测地线原理

2.1 基于NE555的高频电源

利用NE555集成电路可以把直流电压变换成交流电压，555定时器外接一个电容充放电电路即可构成一个无稳态多谐振荡器，在3端产生方波信号，且频率可调。

555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式见式（1）

运用Proteus进行仿真，真正实现了虚拟物理原型功能，在印制电路板还没有做出来之前就可以对所设计的系统进行硬件仿真，来检验系统的各项功能，并可以在没有硬件电路的情况下，进行相应的程序设计与调试，可以直接由原理图导出印制电路板（PCB）。

基于NE555的高频电源仿真电路如图2、图3所示。

图2 高频电源电路图

图3 高频电源输出波形图

2.2 基于高频电流的地线检测

高频电流是指频率大约1 kHz的交流电[2]。把高频电流注入到检修线路上，将在线路上形成闭合回路，假如有接地地线存在，交流电会在各支路上分流，可以运用钳表对固定支路的电流进行测量，把测量值与总电流作比，进而判断是否有地线存在。

高频电流检测地线装置原理如图4所示。

图4 装置结构示意图

高频电源选取电压12 V，频率1 kHz。由于在实际的线路检修中，电压互感器的存在是不可忽略的，选取1 kHz的交流电通过电压互感器时形成的等值阻抗大约1 000 Ω以上，而接地地线的规定值仅为4 Ω，考虑实际阻抗将大些，也肯定远小于1 000 Ω，所以在支路的分流计算中，电压互感器支路可以视为断路。

钳表选用灵敏度高的、频率特性好的小电流数字钳表，并且掌握钳表的正确使用方法。

固定支路的电阻选择接地地线的标准阻值4 Ω，这样可以有效判断电流值。

运用钳表测量总电流，并记录其值i0，对固定支路进行测量记录电流值i1，计算k值见式（2）。

对k值进行记录，并且根据k值的大小判定地线是否存在，在记录过程中务必做到不遗漏。检测流程如图5所示。

图5 检测地线流程图

3 数据传输子系统

接地检测系统与调度监控中心的通信是依靠GSM公网。传输系统的主要工作方式是通过远端设备采集线路检修的信息。由远端GSM通信模块将编码信息发送给监控中心的信息接收终端，同时接收终端还将所收到的短信息原样返回给发送终端，由发送终端判断所发内容是否准确，不准确将重发，直到正确为止[3]。

SMS（短消息业务）是GSM提供的不需要建立端到端连接的业务，是GSM中最简单、最方便的数据通信方式。短消息由短消息中心存储和转发，在手机之间进行中、英文信息交流。共有3种方式来发送和接收SMS信息：Block Mode，Text Mode和PDU Mode。其中PDU Mode被所有的手机支持，可以使用任何字符集，也是手机默认的编码方式。

3.1 传输系统的硬件设计

通信模块采用西门子的TC35i模块，TC35i由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成[4]。其作为TC35i的核心基带处理器，主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

TC35i模块有40个引脚，通过一个零阻力插座（Zero Insertion Force，ZIF）连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。

模块的供电电压如果低于3.3 V会自动关机，同时模块在发射时，电流峰值可高达2 A。在电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4 V，所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC联接线的电阻必需小于200 mΩ。

3.2 传输系统的软件设计

首先设置TC35i模块的工作方式，AT+CMGF=n，n=0为PDU模式；n=1为文本模式。通常设置PDU模式，在这种模式下能接受和传送透明信息。具体的相关AT指令可查询相关资料[5]。

数据传输的可靠性是该系统运行的关键，本系统从以下3个方面进行考虑：防止接口电路受到强电磁干扰而导致丢失数据或发生错误；防止通信网络中其他信号源对传输系统进行干扰；防止GSM公网繁忙时数据传输受阻导致短信发送失败。

本系统从以下3个方面保证传输的可靠性。

1）采用合理的电源滤波电路和可靠的接口电路，避免强电磁信号干扰的影响。

2）为了避免通信网络中各种短信对系统造成的影响，传输系统在发送SMS信息时，要在短信内容最前面加几个特殊字符，这样可以避免其他短信的干扰，快速准确地发送到调度终端[6]。

3）为了保证短消息能够快速准确发送成功，在短消息发送后一定要等到终端回传原短信，否则继续发送确认，以保障系统传输的可靠性。

4 结论

本系统采用GSM网络，建立快捷、有效、经济的数据传输网络。通过GSM网络将地线检测装置的检测结果发送至调度端，能够有效地避免实际过程中因操作不当而带来的安全隐患；同时采用了高频电流分流的方法来检测接地线的状态，有效避免了因现场电磁干扰过大而带来的误报信息。本系统可有效避免线路带接地点合闸送电故障的发生，对于确保操作人员生命安全和设备安全，确保电网安全稳定运行，减少事故损失等方面都将产生重要的意义。

[1]王理金，李金雄．接地线使用注意事项[J]．电力安全技术，2005，4（7）:43．

[2]刘胜利，严仰光．现代高频开关电源实用技术[M]．北京：电力工业出版社，2004．

[3]李从容．利用GSM短消息实现远程监控[J]．电子工程师，2005，31（4）：34-25．

[4]Siemens.TC35i Cellular Engine Hardware Interface Descriptionr[Z]．3rd ed.Germany:Siemens,2002:46-70.

[5]Siemens.Siemens Cellular Engine AT Command Set[Z]．3rd ed.Germany:Siemens,2007:54-71．

[6]刘涛，张春业．基于手机模块TC35的单片机短消息收发系统[J]．电子技术，2003，30（3）：36-38.