配电网直流定位法探测器的研究与实现

张 欣，李宝兰，曹 盛

(1.湖南省电力公司常德电业局，湖南常德 415001;2.湖北省宜昌市供电公司调度通信中心，湖北宜昌 443000;3.华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003)

配电网担负着向用户直接供电的任务，随着国家经济的发展，人民生活水平逐渐提高，人们对于供电的可靠性和持续性也随之提高。配电网单相接地故障是发生几率最高的故障，由于瓷瓶绝缘子击穿比较细微肉眼几乎无法识别，一旦发生故障，如果能在第一时间发现故障并找到故障点，可以使配网系统及时安全运行。所以配电网单相接地故障的快速、准确定位，将大幅降低电气维护人员的工作难度和工作量，缩短因故障造成的停电时间，降低由于停电造成的损失，这将带来巨大的经济效益和社会效益［1］。

1 直流法检测步骤

直流定位法的主要思路是由选线装置选出故障线路，在停电离线状态下从变电站向故障相注入直流信号100 mA，为保证能将水泥杆击穿，电源的输出电压0～5 000 V可调，采用脉宽调制通过改变电压的大小调节注入电流。手持信号检测器用二分法沿故障线路进行地面巡测。对于直流来讲，配电线的电感、电容都不起作用，线间电导非常小，可以忽略不计。

如图1所示，注入直流电流只能通过路径0123f流入大地，并由大地返回电源点。电流从0点注入，在节点1处，分别对15支路和12支路进行电流测量，结果是支路15的电流为0，支路12的电流为100 mA，由此可知支路12是故障回路的一员，继续向前巡测，支路23也是故障回路的一员，到节点3进行检测，支路34有电流，支路37无电流，说明故障点在34分支或在下游，检测到4点，支路34的电流为0，说明支路34为故障分支，到此，0123为故障路径，故障点必在故障分支34的某一点上［2］。经过以上几步完成了故障路径和故障分支的检测任务。继续用直流法检测下去，最后即可找到故障点。

图1 直流法示意图

直流定位法的主要优点包括［3］:(1)直流电流信号在中途没有衰减，为准确测量提供了条件。(2)线路允许长度不受限制。(3)不怕线路有分支，对直流来讲，分支和它的下游若没有接地故障，就相当于开路。(4)不怕故障点接地电阻，通过调整电源输出电压的大小可以保证直流信号的指定数值，只要信号电流保证了，沿线路寻迹就不会出错。(5)配电变压器对定位没有影响，因为配电变压器的高压侧是不接地的，相当于一个集中电容，对稳态直流电路，电容相当于开路。(6)线路的分布电容不影响定位效果。(7)无功补偿电容也不影响定位效果。(8)架空线路中有一段电缆或多个电缆段都不影响直流法的定位效果。

2 直流信号探测器的原理与组成

直流信号探测器利用霍尔检零原理，采用闭环系统。众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出［4］。100 mA直流在霍尔元件上产生的磁感应强度由公式B=μrμ0I/2πr可以得出。理论估算B约为3.3 mT，霍尔输出的电压为2.7 mV。经放大电路可以放大约3 V，输出到电阻R1获得一个补偿电流I2。电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场刚好相反，因而可以补偿原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减小。传感器输出电压UR=(Rn1/n2)与主、次线圈的匝数比成正比，不受霍尔元件最大灵敏度、霍尔元件非线性以及聚磁环非线性的影响。

直流信号探测器的结构如图2所示，主要由原边电路、聚磁环、霍尔元件(次级线圈)和放大电路4部分组成。

图2 钳形传感器原理图

其中聚磁环要求气隙比较小，故选用高导磁率的CD形铁芯，在两个C形铁芯间隙中加霍尔元件。霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏半导体元件，具有尺寸小、成本低、性能好的优点。电路采用两块霍尔元件，一块为工作元件，固定置于闭合磁路中。另一块作为补偿元件，它也可以激励电流，但不置于磁路中，以起到温度补偿和消除霍尔元件不等位电势误差的作用，这可采用恒流驱动或恒压驱动来实现［5］。因为霍尔元件的输出约在1 mV，所以需要采用两级运放，第一级放大100倍，第二级放大20倍，可使输出达到约2 V。

在实际应用中，如果大地磁场穿过霍尔元件，则其输出电压VH中必定有大地磁场产生的分量，使得被测信号微弱，故该影响不得不考虑。为消除地磁影响，可采取如下措施［6］:

(1)采用一对灵敏度相同的霍尔元件。由于两霍尔元件灵敏度相同，并且控制电流也相同，两个霍尔元件的电压增加端相并联，因此大地磁场产生的总霍尔电压输出为零，从而消除大地磁场的影响。

(2)采用屏蔽法。在钳子外壳包一层导磁材料，大地磁场被融离在屏蔽层上，因而不通过霍尔元件，消除了大地磁场的影响。

3 直流信号注入的仿真

配电线路中的分布电感，分布电容，分支点数等都有可能对注入信号产生一定的影响。这里对线路是否存在分支电路进行综合分析。

在无分支线路中，线路总长24 km，在18 km处经1 kΩ过渡电阻接地，首端加200 mA直流电流，通过ATP进行仿真，如图3和图4所示，可以清晰地区分出故障点前后电流，能够实施定位。

在无分支线路中加上分支进行仿真如图5和图6所示，分支线路对注入的电流有一定的影响，但是仅在刚开始很短暂几μs时间内，稳定以后可以清晰地区分出故障点前后电流。