一种新型配电网雷击点定位装置的研制

崔椿洪

(国网安徽省电力公司芜湖供电公司，安徽 芜湖 241000)

配电网输电线因耐压水平较低，在直击雷和感应雷作用下易发生击穿接地故障，引起跳闸停电事故的发生，这已成为配电网主要的事故类型之一[1-5]。配电线路在雷击过程中发生闪络产生的能量较小、形成的痕迹不明显，尤其是单相接地故障，这对故障点的快速查询和修复带来了极大困难[6-7]。由于无法掌握配电线路绝缘子的运行状态，因此存在缺陷的绝缘子，影响了配电网的可靠运行。为此寻求一种雷击点定位装置，成为保障配电网安全运行急需解决的问题。

针对配电线路存在的雷击点定位难的问题，结合故障点雷电流释放过程，本文提出采用耦合线圈的方式，利用高频电流传感器实现对接地过程中雷电流的监测，将监测的数据通过4G网络上传给监测软件，然后结合各监测点传感器的地址，实现对雷击点的精确定位。

1 配电网雷击点定位系统原理框架

在雷击过程中，当配电网输电线路的绝缘子因无法承受电压而发生闪络时，杆塔的接地线上将流过雷击电流。由此可见，通过对杆塔接地线上的电流进行监测可实现对雷击点定位，整个配电网雷击点定位系统由现场的雷电流监测装置和监测平台组成，整个系统结构如图1所示。

图1 雷击点定位装置示意图

配电网雷击点系统的工作原理为：首先将监测雷电流的高频电流传感器耦合于杆塔接地线，利用该监测装置对杆塔雷击闪络过程中接地线流过的雷电流进行监测，当检测到雷电流时，装置点亮装置指示灯，并通过4G通信网络将监测到的雷电流信息上传给监测平台，结合监测装置的地址信息和对应的杆塔编号信息，实现对雷击点故障的定位，从而使落雷的故障点得到及时、快速的修复，减少停电时间，提高配电网的供电可靠性。

2 雷电流监测终端设计

基于上述雷击点定位定位系统工作原理的描述，雷电流监测装置是整个系统的重要组成部分，是触发整个系统正常工作的关键所在，可见雷电流监测装置性能的好坏直接关系到整个定位系统的性能。罗氏线圈电流传感器具有结构简单、频率范围宽、线性度好等优点，为测试罗氏线圈的灵敏度和线性度，分别使用设计的罗氏线圈和圆管式分流器测试相同的冲击电流波(8/20 μs)进行误差比较，测试波形如图2所示。图2中，波形1为罗氏线圈所测，波形2为分流器所测。通过比较可见，罗氏线圈测得的波形和传统分流器测量的波形基本一致，波形失真度较小，说明罗氏线圈满足被测雷电流信号频带宽度的要求，可实现对雷电流的监测。故本文采用罗氏线圈实施对配电网雷击闪络雷电流的监测。

图2 罗氏线圈和圆管式分流器测试8/20 μs冲击电流的波形

根据罗氏线圈对雷电流监测的原理，结合现场实际的需求，对整个雷电流监测装置进行了设计，其结构如图3所示。由图3可以看出，整个雷电流监测装置由电流传感模块、信号预处理模块、A/D数据采集模块、微处理器模块、数据通信模块和太阳能电源系统组成。

图3 雷电流监测装置原理框图

(1)雷电流监测单元设计。雷电流监测装置长期处于野外工作环境，为了确保整个系统实时工作，设计过程中采用低功耗方案。整个硬件系统由高速A/D、FPGA和MSP430构成了数字系统的核心部分。系统选用EP1C12Q240作为逻辑的芯片，超低功耗单片机MSP430F5438作为控制芯片，高速A/D选用了10位并行芯片ADS822，该A/D的采样率可达40 MS·s1，功耗典型值为200 mW。在系统工作过程中，当杆塔发生闪络时，接地线上流过雷电流，罗氏线圈通过耦合感应得到输出电压波形，波形通过信号预处理模块，当处理后的信号幅值达到触发系统的阈值时，系统启动高速数据采集模块，对监测到的雷电流进行高速采集，并通过微处理器对波形进行分析，实现对雷电流参数的测量。由于系统采用硬件比较器触发，在采集的过程中会丢掉小于触发阈值之前的波形数据，系统在FPGA中内嵌了预采样FIFO，以实现雷电波形的全波采集。

(2)无线数据传输系统搭建。雷电流监测模块应用于线路杆塔雷击电流大小的测量，处于野外的杆塔与监控中心之间的距离通常在十几公里，甚至几十公里，传统的Wi-Fi、Zegbee等无线传输技术通信距离短，无法满足系统数据传输距离的要求，而传统的有线通信因需敷设线缆更加不适合监测系统的布置。受条件的限制，采用GPRS通信技术来实现对雷击电流监测模块数据的传送。本文采用的GPRS模块支持TL、RS-232、RS-485接口电平，无需在使用过程中对底层设备的开发，大大简化了系统。

雷击点定位装置由1个监测平台和多个雷电流监测装置构成，在数据通信上为一点对多点的网络拓扑结构，监测平台为中心节点，雷电流监测装置为子节点。在数据传输过程中，监测平台终端和雷电流监测装置均通过RS232串口和GPRS模块相连，监测平台和雷电流监测装置配置不同的物理地址。当监测节点发生雷击时，雷电流监测装置能够将信号完整地记录下来并通过无线通信模块将数据主动上传至监测平台；当未发生雷击时，雷电流监测装置每天定时发回一个数据给监测平台，确保通信链路正常工作。

(3)触发电路设计。为了使系统能在野外长时间工作，雷电流监测装置在平时处于节电模式，当监测到有雷电流时，唤醒系统，通过对罗氏线圈耦合电流波形的采集，实现对雷电流的测量，并将测量的结果和地址传送到监测平台，实现对雷电流的监测和定位。系统采用电平唤醒模式，为了实现对雷电流的可靠监测，避免外界干扰对系统的误动作，采用峰值电路和滞回比较器相结合的电路，利用峰值电路保持雷电流的幅值，利用滞回比较器电路防止波形抖动导致的触发失灵。

由图4可知，整个峰值检测电路在工作过程中，首先通过U1，U2放大器作为缓冲隔离，利用二极管D1，D2的单向导通性对电容器C1进行充电，R2作为放电电阻，其阻值选择大的，确保C1，R2延时的长度，在本设计中采用1 ms的时延。

图4 峰值检测电路原理图

通常采用运算放大器在开环状态下可以用作比较器来实现对雷电流的识别。然而，在利用放大器组成的比较器的过程中，一旦输入的信号中有少量的噪声或干扰,都将会在两个不同的输出状态之间产生不期望的频繁跳变。为了克服信号的跳动，确保比较器在一个状态向另一个状态之间的变化，本文采用正滞回电路来实现。

上下阈值的计算公式如下：

(1)

(2)

式中UR——参考电压；UOL——下限阈值；UOH——上限阈值。

电压比较滞回电路如图5所示。考虑到避免外界干扰信号对系统的误动，本次设计采用两者之间的差值为3 V，下限阈值为2 V，上限阈值为5 V，供电电源电压为12 V。

图5 电压比较滞回电路

3 系统定位软件设计

上位机监测平台采用C++语言进行编写，当雷电流监测装置监测到雷电流幅值达到一定程度时，单片机相应外部中断唤醒系统，开始对雷电流波形进行采集，将采集的数据打包，通过MQTT协议将监测的雷电流数据及装置的地址上传给上位机监测平台。监测平台利用数值比较的方法实现对雷电流幅值的测量，利用过零点比较的方法对波形时间进行测量，并将测量结果显示于界面上，如图6所示。

图6 监测平台界面图

雷击点定位采用编码识别的方式，对每个雷电监测装置设计编码，将编码和杆塔的编号一一对应。在雷击点定位的过程中，当雷电监测装置监测到雷击电流时，监测装置动作，并通过无线通信网络(GPRS)将雷击信息和装置的编码发送到监测软件，监测软件根据接收到的编码，通过查询的方式对应到杆塔编号，实现对雷击点的定位，整个监测平台的程序流程如图7所示。

4 系统测试

在系统搭建完成后，为了了解系统的测试效果，利用雷电流模拟试验对雷电流监测装置和监测平台的定位进行测试。在模拟试验过程中采用0～40 kA冲击电流发生器对其进行试验，试验数据如表1所示。从表1的测试数据可以看出，本文所设计的雷电流监测模块可实现对雷电流的测量，测量精度优于5%，满足工程现场测试要求。

图7 监测平台程序流程框图

表1 雷电流模拟试验测量值

5 结语

根据雷电流波形特点，雷击点定位装置利用罗氏线圈实现对杆塔闪络过程中雷电流的测量，通过GPRS通信模块实现远距离的数据传送，利用监测装置的地址和杆塔的对应关系实现对闪络故障杆塔的定位。由此可见，所设计的雷电定位系统可实现对雷击点的可靠定位，具有较高的实际应用价值。