李燕青，范環(huán)宇

(華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

目前，同塔雙回輸電線路帶地線合閘事故時有發(fā)生［1－5］，為了避免人為誤操作對設備造成的損壞，文獻［6］采用由電子鈕扣、電子鈕扣識讀器及無線通信模塊構成了線路檢修和接地線狀態(tài)監(jiān)視預警系統(tǒng);文獻［7－8］在變電站內(nèi)投用了基于紅外光電傳感監(jiān)測器的臨時地線閉鎖裝置。但這些檢測裝置均為低壓供電裝置，同塔雙回線路存在較大的感應電壓和電流，會干擾檢測裝置正常工作。因此，本文針對雙回線間存在較大的靜電耦合和電磁耦合問題，通過比較裝置上電流的幅值以判斷其極性、線路上是否存在未拆除的臨時接地線，研究了一種同塔雙回輸電線路接地安全防御裝置。在拆除接地線時，該安全防御裝置給現(xiàn)場的工作人員發(fā)出音響信號和燈光信號，將該操作信號通過GPRS發(fā)送到調(diào)度中心的管理主機，并與五防系統(tǒng)配合實現(xiàn)強制閉鎖保護，避免了人為誤操作帶來的人員傷亡和設備損壞危機，同時也擺脫了人工巡視的缺點。

1 檢測裝置的系統(tǒng)設計

考慮到同塔雙回輸電線路兩回線間存在較大的電磁耦合和靜電耦合，該安全防御裝置采用如下設計方案:作業(yè)人員按原來的方式掛接和拆除地線，在檢修完成后、合閘送電之前，使用安全防御裝置檢測是否存在漏拆的臨時接地線。安全防御裝置的結構如圖1所示。裝置包括一組經(jīng)過改造的檢測用臨時地線、感性參考信號單元、控制芯片、電源模塊以及無線模塊。在合閘送電前，管理主機發(fā)送查詢信號給無線模塊，查詢線路上是否還有未拆除的臨時地線，并根據(jù)查詢結果將“閉鎖操作”以及“允許合閘送電”操作信號發(fā)送給五防機。

圖1 檢測裝置結構示意圖Fig.1 Monitoring device structure schematic diagram

安全防御裝置的檢測判據(jù):檢測地線上的電流與感性參考信號單元的電流其幅值若小于兩者之間較大的電流幅值，則可判定臨時接地線已全部拆除;反之其幅值若大于兩者之間較大的電流幅值，則判定線路上存在漏拆的臨時接地線，同時通過GPRS網(wǎng)絡傳輸給調(diào)度中心，實現(xiàn)強制閉鎖保護。

2 檢測原理及裝置硬件設計

2.1 檢測原理

同塔雙回輸電線路一回正常運行，另一回停電檢修時，兩回線間同時存在靜電耦合和電磁耦合，停運線路上存在較大的感應電壓和電流。為了確保檢修人員的人身安全和設備的正常工作，需要在停運線路上掛接臨時地線。檢修工作完成后、合閘送電之前，為了確保掛接的地線全部拆除，將裝置的檢測地線掛接在停運線路上。若線路上掛接的臨時地線已全部拆除，則相當于停運線路單端接地，此時由于停運線路上的感性感應電流沒有通路，所以感性感應電流為0，檢測地線上的電流主要為靜電感應電流呈容性;若線路上存在漏拆的臨時接地線，則相當于同塔雙回輸電線路雙端或多端接地，停運線路上的容性感應電流通過停運線路雙端接地線流入大地，停運線路因為電磁感應將形成感性感應電流，檢測地線上的電流以感性電流為主［9］。

同塔雙回輸電線路接地安全防御裝置結構如圖2所示。

圖2中Ⅰ回線正常運行，Ⅱ回線停電檢修。S為遠端接地刀閘，用來模擬未拆除的地線，在實際中并不存在。檢測地線上裝設電流互感器，感性參考信號單元用于提供標準的感性電流，由感性元件與運行回線上的電壓互感器二次側(cè)電壓產(chǎn)生，單片機的輸出端與蜂鳴器、“存在漏拆地線”指示燈LED1、“無漏拆地線”指示燈LED2相連。參考電流產(chǎn)生電路與檢測地線互感器采用聯(lián)動開關，以確保兩者能夠同時閉合。R1、R2、R3為指示燈和蜂鳴器的限流電阻，其阻值為1 kΩ。

根據(jù)IEC標準，500 kV的B類接地開關開、合感應電流的額定參數(shù)為額定感性電流200 A、額定容性電流25 A(均為有效值)。安全防御裝置中采用電流互感器將地線上的大電流變換為數(shù)量級為10 A的小電流，防止地線上的大電流對人身安全和設備的正常工作造成傷害。安全防御裝置工作時，單片機的A/D轉(zhuǎn)換器將電流互感器的二次側(cè)模擬電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機的一個輸入端;標準感性參考電流經(jīng)過單片機的A/D轉(zhuǎn)換器也送入單片機一個輸入端，其數(shù)量級也為10 A。同塔雙回輸電線路上存在未拆除的臨時地線時，安全防御裝置地線上流過的電流與參考電流同為感性電流，其幅值大于檢測電流和參考電流的幅值，單片機根據(jù)這一判定結果，點亮“存在漏拆地線”指示燈LED1和蜂鳴器，信號指示燈和蜂鳴器互為備用，確保能夠可靠發(fā)出警報信號，檢修人員即可及時巡視，同時單片機驅(qū)動無線模塊將操作信息發(fā)送給調(diào)度中心的管理主機，管理主機與五防機通信以實現(xiàn)強制閉鎖保護，從技術層面避免帶地線合閘事故的發(fā)生。

圖2 裝置結構原理圖Fig.2 Device structure diagram

2.2 裝置硬件設計

該安全防御裝置檢測部分主要由單片機、電源模塊、指示燈、蜂鳴器以及 PWM輸出驅(qū)動電路組成。

單片機選用國產(chǎn)的STC12C5A60S2系列單片機，其運算速度快、可靠性高、功耗低、抗靜電能力與抗干擾能力強，工作電壓為5 V，工作頻率為0～35 MHz。STC12C5A60S2能夠通過串口直接下載用戶程序，具有10位精度的ADC，可實現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，能在－40℃ ～+80℃正常工作。

為了滿足便攜式測量的要求，所設計的安全防御裝置采用5 V可充電鋰電池作為單片機的直流供電電源?？紤]到安全防御裝置經(jīng)常用于戶外作業(yè)的特點，指示燈需要選擇亮度高、功率小的元件。某LED公司生產(chǎn)的有磷砷化鎵紅色發(fā)光二級管與磷化鉀材料做成的綠色發(fā)光二級管，最高可承受70 V的反向電壓，正常工作電流為2～20 mA，發(fā)光亮度較高，能夠滿足戶外使用的需求，安全防御裝置采用該公司提供的此類產(chǎn)品作為裝置的檢測結果指示燈。蜂鳴器選用某公司生產(chǎn)的5 V 12085蜂鳴器。指示燈供電的供電電源電壓為5 V，發(fā)光二極管的工作電流為2～20 mA，由此可知，限流電阻的最小值為250 Ω，最大值為2.5 kΩ。為降低功耗，最終選擇阻值1 kΩ功率1 W的電阻元件。

2.3 軟件設計

該安全防御裝置主要以電流幅值作為判據(jù)，檢測流程如圖3所示。地線電流和參考電流應嚴格實現(xiàn)同步采樣，否則會有較大誤差。聯(lián)動開關閉合后，采樣點應均勻分布在一個信號周期內(nèi)。閉合開關后，單片機對采集數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，并將檢測電流與感性參考電流進行求和計算。若幅值小于兩者中幅值的較大值，可判定參考電流信號與檢測信號反極性，則此時流過檢測地線的電流為容性的感應電流，說明臨時地線已全部拆除，單片機驅(qū)動“無漏拆地線”指示燈LED2發(fā)光同時驅(qū)動無線模塊發(fā)送信號給管理主機，管理主機發(fā)信給五防機允許合閘送電;若幅值大于兩者幅值的最大值，則認為兩者同極性，流過檢測地線的電流為感性，說明線路上存在漏拆的臨時地線，單片機驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲、“存在漏拆地線”指示燈LED1發(fā)光，同時驅(qū)動無線模塊發(fā)送操作信息至管理主機，管理主機發(fā)信給五防機實現(xiàn)強制閉鎖，避免因人為誤操作造成的帶地線合閘事故。

3 通信方式的選擇和實現(xiàn)

現(xiàn)場檢測終端與管理主機之間的通信依靠GPRS(General Packet Radio Service)。GPRS是通用無線分組業(yè)務的英文簡稱，基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端、廣域的無線IP連接。在原有GSM網(wǎng)絡上，GPRS網(wǎng)絡增加SGSN(GPRS服務支持節(jié)點)以及GGSN(網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點)兩種數(shù)據(jù)交換結點設備，用戶可以在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)，從而GPRS網(wǎng)絡能夠和因特網(wǎng)互相連接。

3.1 GSM網(wǎng)絡的可行性分析

圖3 檢測流程圖Fig.3 Test flow chart

將數(shù)據(jù)以分組的形式發(fā)送給目標用戶，可以最大程度地保證數(shù)據(jù)的傳送，各個數(shù)據(jù)包由不同的路徑到達目的地。與傳統(tǒng)的 GSM網(wǎng)絡相比較，GPRS網(wǎng)絡具有以下優(yōu)點［10］。

1)可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡，具有覆蓋面廣、接入范圍大、系統(tǒng)構建便捷、運行成本較低等特點。

2)傳輸速率高，理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達171 kbps，應用下一代的改進型 GPRS技術(EDGE)，甚至可以提供384 kbps帶寬的廣域數(shù)據(jù)通信服務。

3)GPRS登錄接入等待時間短，可快速建立連接。

4)提供實時在線功能，用戶將處于“永遠在線”狀態(tài)，不必頻繁建立連接，傳輸延遲相對穩(wěn)定。

5)收費合理，即使用戶一直“在線”，但只按流量收費，性價比較高。

對同塔雙回線進行檢修時，經(jīng)常需要多組接地線同時進行，接地線的懸掛地點分散，而且工作時間不固定。地域上的分散性決定了通信系統(tǒng)的覆蓋面要很大，工作時間的不固定則要求系統(tǒng)的通信方式能夠靈活地組網(wǎng)，快速進入工作狀態(tài)。GPRS的上述特點非常適用于間歇、突發(fā)、頻繁、小流量的數(shù)據(jù)傳輸，同時對偶有大流量數(shù)據(jù)傳輸也能承受，GPRS能夠很好的滿足裝置的通信任務。

3.2 通信模塊的硬件實現(xiàn)

無線模塊采用華為公司的GTM900C模塊，該模塊具有標準的AT命令接口，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用時不必編寫相關的IP協(xié)議程序，直接可以通過其內(nèi)嵌協(xié)議進行GPRS上網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)［11］。GTM900C模塊接口簡單，使用方便且功能強大，只需要單一的電源即可工作，電流最大峰值可達2 A。該模塊通信的最大速率可以達到15 200bps，支持800 MHz/900 MHz/1800 MHz頻段自動選擇，具有語音通信、短消息服務、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。GTM900C模塊工作溫度范圍大，抗干擾能力強，與單片機間通過標準RS232串行接口進行通信，能夠滿足防御裝置戶外工作的需要。

4 與微機五防系統(tǒng)結合

微機五防系統(tǒng)從結構上分為站控層、間隔層、過程層3個層次。每個層次負責不同的功能。站控層能夠完成操作票的模擬、防誤邏輯的判斷、實時狀態(tài)的采集等工作;間隔層用于有線、無線網(wǎng)絡的通信、解閉鎖控制等功能，主要元件包括分布式控制器、網(wǎng)絡控制器、無線路由器、無線電腦鑰匙等;過程層完成的是閉鎖各種設備的功能，由智能鎖具、普通編碼鎖等構成。

同塔雙回線接地安全防御裝置與微機五防系統(tǒng)的配合，相當于將防御裝置作為微機五防系統(tǒng)中站控層的一部分，負責接地情況的實時采集工作，通過五防系統(tǒng)間隔層，利用有線通信的方式將信息發(fā)送給微機五防系統(tǒng)，由五防系統(tǒng)根據(jù)接受信息的內(nèi)容完成解閉鎖操作。只要將信息按照微機五防系統(tǒng)的通信規(guī)約加以編譯，將編譯后的信息發(fā)送給微機五防系統(tǒng)站控層的五防主機，五防系統(tǒng)即可根據(jù)接收的信息完成相應設備的解閉鎖操作。

5 結論

1)同塔雙回線接地安全防御裝置通過檢測地線上電流的性質(zhì)來判斷是否存在漏拆的臨時接地線，可以有效地解決傳統(tǒng)檢測裝置受電磁干擾和靜電干擾而無法正常工作的問題，技術路線可行，靈敏度高。

2)使用該安全防御裝置進行地線檢測，仍可以按照原有的方法掛接和拆除接地線，只在合閘送電前使用本裝置進行“驗地”，幾乎不增加工作量，操作簡單，具有很強的實用性。

3)該安全防御裝置無需外加交流電源，只是利用運行線路的電壓互感器二次側(cè)電壓構成了參考電流產(chǎn)生回路，便于攜帶，耗材少，便于管理。

4)該安全防御裝置能夠與五防系統(tǒng)配合，實現(xiàn)強制閉鎖保護，從根本上避免帶地線合閘事故的發(fā)生。

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