提高小电网系统故障选线灵敏度的方法和实验

张国军，张强，于欢欢

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

提高小电网系统故障选线灵敏度的方法和实验

张国军，张强，于欢欢

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

为了解决小系统电网漏电故障存在故障信号微弱、检测困难的问题，提高小系统电网漏电保护的灵敏性，提出了应用可编程增益放大器对信号进行自适应增益调整，以Atmega64单片机作为微控制器，采用零序功率算法作为选线判据，设计并制作漏电故障选线装置，在实验室建立电力系统进行漏电实验。根据测试数据显示，应用可编程增益放大器对提高小系统电网漏电故障选线的灵敏性具有非常显著的效果。

电网小系统；可编程增益放大器；灵敏性；故障选线

漏电故障保护是电力系统保护中的重要环节，关系到工矿企业的生产安全和工作人员的人身安全。但是目前的各类漏电保护装置都存在灵敏度差和可靠性低的问题，尤其在中性点不接地的低压小电网系统发生单相接地故障时，由于小系统电网具有寄生参数小、漏电故障信号微弱和易受干扰等特点，给故障线路的检测带来很大困难[1]。

由于电力系统的复杂性，同一电网系统参数的多变性，以及单相接地故障时接地阻抗的随机性，使得零序电流不但微小，而且变化范围很大[2]。如果应用固定的处理电路，在发生直接接地故障时，尚可检测到故障时的较大幅值的电压和电流，而在临界电阻接地时，故障电压、电流值会很小，以至于被噪声信号淹没而无法准确检测，这就要求处理电路具有自适应调节的功能，以保证漏电保护装置的高灵敏度。

1 影响小电网系统漏电故障选线灵敏度的因素

1.1 处理电路的局限性

微处理器获得的数据都需要硬件电路的处理，因此信号采集后数据的处理过程是实现漏电可靠判断的关键。在采集零序电流和零序电压信号时，由于电力系统漏电故障的多样性，漏电时信号的变化范围很大，因此放大电路这一环节放大倍数的确定是个问题。

在单相金属接地故障时，故障信号幅值很大，基本能满足微处理器的处理要求；而在非金属接地故障时，接地电阻较大，信号幅值过于微小，需要调整为很高的增益值才能满足数据计算的需要。

因此，如果增益是固定不变的，则在设定的增益值过低时，对极其微弱的信号起不到放大作用；而设定值过高，对于幅值较大的信号，又会导致放大器饱和而产生失真，如图1所示。

图1 固定增益，信号处理前后的波形对比Fig.1 W aveform com parison of certain gain signalbefore and after processing

图1中，硬件放大器放大倍数固定设置为10，对于幅值为0.2 V的信号，经过放大调整后适合微处理器处理；而对于0.02 V的信号，幅值仍然很小，模数转换后采样精度低；对于幅值为0.3 V的信号，经过放大调整后，幅值超过了微处理器的测量范围，采集的数据就不能反映信号的实际情况。因此要求放大电路具有增益自适应调整的功能，对不同幅值的采样信号进行不同增益调节，以满足对采样信号精度和准确度的要求。

1.2 传感器精度低

小电网系统在发生漏电故障时信号十分微小，如果不能可靠地检测出故障信号，就不能做出正确、可靠的故障选线。因此，要选择精密的测量器件。普通的零序电流互感器检测的多是大电流信号，精度低，不适合检测微弱的零序电流信号。小系统接地故障时信号多为毫安级，因此选择ZTA120BT型零序电流互感器，可测量范围为20 mA～1 A，输出电流范围为0.2～10mA，满足小系统的零序电流检测要求。

2 应用可编程放大器处理信号

2.1 可编程增益放大器结构设计

针对处理电路的局限性，需要设计根据信号的幅值大小合理调整放大器的增益，并自动调整增益的高精度、高性能的数据采集电路，使输入模数转换的模拟电压信号接近模数转换的满量程值，得到高精度的模数转换结果。

系统采用硬件电路包括零序电压电流采集电路、前级放大电路、程控放大电路、滤波电路、信号调理电路和单片机系统，如图2所示。传感器检测故障信号，经过程控放大、滤波、整型处理后，传输到单片机，单片机经过分析运算处理，根据当前采集的信号幅值确定可编程增益放大器的增益调节值。如果信号幅值很小，则设置较大的增益值；如果信号幅值较大，则设置低增益值，以合理满足单片机模数转换器处理精度的需要。

图2 可编程增益放大器自适应调节框图Fig.2 Block diagram of programmable gain am plifier for adaptive adjusting

在进行零序电压和零序电流信号的采集时，信号的噪声是随机的，在程控放大的前后进行滤波处理。

对于前级信号放大电路，先对某些放大的噪声信号滤波，再进入程控放大器，最后应用后级滤波电路消除程控放大器带来的噪声，实现信号的可靠检测。

2.2 可编程增益放大器电路设计

可编程增益放大器的作用是提高系统在数据采集时的信号调节功能，系统采用的是可编程增益放大器PGA204/205，这两种芯片数字控制可编程增益，具有很高的精度，PGA204的放大倍数可以设置为G=1、10、100、1000，PGA205的放大倍数可以设置为G=1、2、4、8。将两种芯片结合起来使用，可达到理想的增益调节要求，满足此信号采集系统需要。应用电路如图3所示。

图3中，引脚PA0、PA1、PA2、PA3由单片机编程控制，IN为信号输入端，OUT为信号输出端，REF2.5接2.5 V参考电压。CPU采集信号后根据信号强弱调整可编程增益放大器的增益，将待处理信号调整到合适的量程范围，这样可以保证模数转换的转换精度。可以对变化范围较大的信号进行采集处理，测量精度高，通用性强。经程控放大器处理后，同样对于图1的信号，采集后的波形如图4所示。?

图3 可编程增益放大器应用电路Fig.3 Circuitof the programmablegain amplifier

图4 程控增益信号处理前后的波形对比Fig.4 W aveform comparison ofadaptiveadjusting gain signalbefore and after processing

同样对于图1中幅值分别为0.2 V、0.02 V、0.3 V的信号，首次单片机将以较小的增益值处理，根据转换后的数值，不断调整可编程增益放大器的增益，最后设置为合适的增益。对于0.2 V的信号，放大器增益可调节设置为10；而对于0.02V的信号，放大器增益可调节设置为100；对于为0.3 V的信号，放大器增益可调节为8，放大结果峰值都在5 V范围内，经过调理电路后适合单片机处理。

3 滤波器处理电路

有时可编程增益放大器设置的增益值较高，在对有用信号进行放大的同时，噪声信号同时被放大，这就要求系统具有高品质的滤波性能，能够可靠地去掉干扰信号，保留有价值的信号。

设计采用了集成滤波器芯片MAX260（如图5所示），它是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，可以采用微处理器来精确控制的滤波器函数，不需要配置外围元件，就可设置低通、高通、帯通、全通和带阻滤波器。

图5 MAX260应用电路Fig.5 Application circuitofMAX260

MAX260芯片含有2个二阶滤波器，每个滤波器可在程序控制下设置中心频率、品质因数、滤波器工作方式等。应用中将MAX260中的2个滤波器级联构成4阶帯通滤波器，实现对50Hz工频信号的有效可靠滤波。

4 漏电实验及实验数据分析

4.1 实验过程

在实验室条件下搭建模拟的电力系统，并分别在3条支路的出口处安装零序电流互感器以测量零序电流。零序电压是通过在中性点上加入电压互感器采集的。将采集的信号经硬件电路处理后传输到单片机，单片机经过运算处理，应用零序无功功率算法，进行漏电故障选线。

首次系统电容参数取2.5μF，分别对系统设置不同的漏电电阻使系统处于漏电故障状态，测量此时的零序电流、零序电压及零序无功功率，记录各个参数的数据和报警状态。再依次改变系统电容参数为1μF、0.1μF和0.05μF，分别进行测试并记录结果。

4.2 实验数据及分析

表1为系统电容为2.5μF，采样电阻为12Ω时，将系统三相中的一相分别通过0、2.5、3.4、5、10 kΩ电阻接地时的漏电数据。根据测得的数据可以看出，在对信号的增益设为固定值200时，只有在漏电电阻为0的情况下，采样信号失真，其他情况信号正常，尚可做出合理的漏电故障判断。

表1 系统对地电容为2.5μF时的系统数据Tab.1 System datawhen system capacitance to earth is2.5μF

表2为在系统电容为0.1μF，采样电阻为12Ω时，重复做同样的实验的测量数据。根据测得的数据可以看出，如果不改变对信号的放大倍数，仍设为固定值200时，只有在漏电电阻为10.0 kΩ的情况下，零序电压采样信号正常，其他情况零序电压信号都已失真，这时在2.5、3.4和5.0 kΩ接地电阻接地时，零序功率值接近，而且浮动范围较大，整定值确定很困难。

表3为采用可编程增益放大器后的实验数据，系统参数与表1相同，根据数据可以看出，此时采样数据正常，消除了信号的失真问题。零序功率分界值明显，设定合理的零序功率整定值，就可以正确地选择出漏电支路和非漏电支路。使选线方法的正确性得到保证，并且报警系统安全可靠。

表3 采用可编程增益放大器后系统对地电容为0.1μFTab.3 After using the programmable gain am plifier，the system capacitance to earth for 0.1μF

系统电容参数为1μF和0.05μF时，测试结果和分析结论与系统电容参数为0.1μF时的情况一致，不再赘述。

5 结语

本文分析了小电网系统漏电故障特点，以及在故障信号测量的灵敏性上需要解决的难点。应用可编程增益放大器对信号进行自适应增益调节，实验数据表明，扩大了信号的采集范围，提高了信号采集的精度和灵敏度，实现了对信号的自适应调节，弥补了小电网系统中零序信号微弱、变化范围大、难以检测的不足。

[1]徐靖东，张保会，尤敏，等（Xu Jingdong，Zhang Baohui，You Min，etal）.基于暂态零序电流特征的小电流接地选线装置（Fault line selection device fornon-solid earthed network based on transient zero-sequence current features）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2009，29（4）：101-105.

[2]田宏杰，汪华（Tian Hongjie，Wang Hua）.小电流接地系统单相接地故障选线的方案研究（Projectof fault line detection for single-phase-to-earth in small currentneutralgrounding system）[J].机电工程技术（Mechanic and Electric Engineering Technology），2009，38（1）：92-94，112，116.

[3]李孟秋，王耀南，王辉，等（LiMengqiu，Wang Yaonan，Wang Hui，etal）.小电流接地系统单相接地故障点探测方法的研究（A new approach on detecting the singleto ground fault location on power system with neutral unearthed）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2001，21（10）：6-9，23.

[4]李国富，陈维江（LiGuofu，ChenWeijiang）.配电系统零序功率选线法的可靠性分析（Analysison the reliability of the zero-sequence active power faulty line identifying method in distribution systems）[J].电力设备（Power E－quipment），2005，6（4）：14-19.

[5]陈志亮，范春菊（Chen Zhiliang，Fan Chunju）.基于5次谐波突变量的小电流接地系统选线（Fault line selection for small current neutral grounding system based on the fifth harmonic currentmutation in distribution system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedingsof the CSU-EPSA），2006，18（5）：37-41，69.

Method and Experimentof Im proving Sensitivity of Leakage Fault Line Selection in Small Power System

ZHANGGuo-jun，ZHANGQiang，YUHuan-huan
（SchoolofElectricaland Control Engineering，Liaoning Technology University，Huludao125105，China）

In order to solve the problem that the faultsignal isweak and difficult to detect in the leakage faultof small power system，it is important to improve the sensitivity of the fault line selection.This paper uses programmable gain amplifier to adjustsignal gain automatically.The system uses the MCU of Atmega64 and applied zero sequence power algorithm for line selection criterion.The leakage fault line selection device is produced and applied to an established electric power system forexperiment in the lab.The results show that themethod is feasible for leakage faultdiagnosis，and isgood for improving the accuracy of the fault line selection system.

smallpowersystem；programmablegain amplifier；sensitivity；fault line selection

TM733

A

1003-8930（2013）05-0100-05

张国军（1960—），男，博士，教授，研究方向为电机与电器专业。Email：zhangguojun_305@163.com

2010-10-25；

2011-11-30

张强（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动专业。Email：fenqingxiaoqiang@163.com

于欢欢（1986—），女，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动专业。Email：yuhuanhuan@163.com