电压互感器低压回路接地电流实时预警系统

孟 星，夏海飞，陈生学

（1.昭通学院物理与信息工程学院，云南昭通 657000；2.昭通供电局，云南昭通 657000）

变电站电压互感器二次回路发生多点接地，易造成距离保护、零序保护拒动、误动现象，甚至引起高低压绕组间绝缘击穿造成设备故障和人身事故。常规测试方案为定期测量其接地线上通过的电流，当电流超过某数值时人为判定为异常状态。但现有方法不能满足电网动态监测要求；开口型钳形表测量微小电流时有极大漂移；因测量原理的限制，不同型号表计测量数据之间误差大；周期性对该数值进行人工测试记录，增加人力成本。迫切需要能够满足实时监测、集成度高、价格低的在线系统。电压互感器低压回路接地电流实时预警系统主要针对电网中存在的这一类问题进行研究。

1 总体设计方案

电压互感器低压回路接地电流实时预警系统主要由Arduino 主控板、电流检测模块、显示模块、报警模块、阈值设定模块和电源模块组成，如图1 所示。Arduino 主控板负责对电流检测模块采集到的数据进行监测，并进行数据处理，实时显示实际电流值和设定的电流阈值，当检测到的电流值高于阈值时发出预警信息，一方面，使现场工作人员通过声光快速定位，另一方面，继电器动作后输出无源接点信号至站内测控装置用于后台系统告警。同时增加电流阈值调整按钮，使设备参数可整定，针对小感应面积变电站变更设备参数即可准确测量。

图1 总体方案图

2 硬件方案设计

2.1 电流检测模块

通过检查电压互感器二次回路N600 只有一点接地的方法发现，若电流发生变化，则二次回路发生多点接地，若电流不发生变化，则只有一点接地[1-2]，根据经验得出一般电流大于50 mA 时提示多点接地，因此在实际工作中，通过实时测量电流值与50 mA 阈值相比较，当大于阈值时提示多点接地。故在选择电流传感器时需考虑能够准确测量50 mA的交流电。

最基本的电流测量方法是基于欧姆定理选取电阻串在电路中进行电流测量，测量小电流时响应速度快，但需与被测电路产生直接的硬件连接，若产生故障，将导致电压互感器二次回路失去保护接地点。霍尔传感器、电流互感器和罗氏线圈无需与被测电路直接接触，能够避免系统受到强信号的干扰，提高系统的可靠性[3-4]。考虑到实际应用场景和安全性问题，主要选择与被测回路无直接接触的测量方式，根据测量信号为交流小信号，选择闭环电流互感器。在通信方面，RS485 采用差分信号传输，具有很强的抗干扰能力，支持远距离传输[5]，接口信号电平比RS232 低，不易损坏接口电路芯片，而且与TTL 电平兼容[6-7]，综合考虑，选择交流漏电流传感器JLA-4，量程范围为0～500 mA，RS485 输出。如图2 所示，将要测量的线路以穿孔方式接入传感器，传感器将测量信号直接通过RS485 半双工通信输出。

图2 电流检测模块图

通信模块选用具有自动选向控制功能的485 芯片MAX13487[8]，其连接如图3 所示，该模块用于传送传感器数据。为了使电源接近理想电压源，在电源和地之间并联0.1 μF 无极性电容和10 μF 电解电容，使其为低阻抗；2、3 管脚接电源，使芯片工作在正常工作模式下，实现自动定向电路控制；6、7 管脚间为了防止信号反射，接120 Ω 电阻；为了保护元件免受瞬态高能量的冲击而损坏，分别在6、7 管脚与地间接双向瞬态抑制二极管[9]。MAX13487 的6、7 引脚分别与交流漏电流传感器JLA-4 的输出2、3 接口相连接，1、4 引脚分别与Arduino 主控板中的11、10 管脚相连接，通过Arduino 主控板的软串口功能实现主控板与电流传感器的通信。

图3 通信模块原理图

2.2 阈值设定模块

阈值设定模块选用两个独立按键[10]，将其接到Arduino 主控板的2、3 管脚，分别表示阈值加和阈值减，当键按下，即进入外部中断[11]。由于机械弹性的作用，触点式按键存在抖动现象，若在抖动期间检测其通断，会被误认为多次操作，导致判断出错，故采用硬软件方式消抖。硬件方面选用0.1 μF 电容“滤波”消抖，软件方面采用延时和多次判断消抖[12]。

2.3 显示模块和报警模块

显示模块选用OLED 显示屏SSD1306。SSD1306采用方形的发光点阵列组成，分辨率为128×64。可用于显示英文、数字和汉字。其中嵌入了对比度控制器、显示RAM 和晶振，减少了外部器件，具有自发光、重量轻、厚度薄，结构简单、节约接口、价格低廉、功耗低等特点[13]。SSD1306 的SDA、SCL 接口分别与Arduino 主控板的A4、A5 管脚相连，实现Arduino 主控板通过I2C 总线对SSD1306 的控制。

报警模块如图4 所示。报警模块选用有源蜂鸣器[14]，直流电供电，当Arduino 主控板读取到电流传感器检测的实际电流值高于阈值电流值时，使管脚8和9 输出高电平信号，蜂鸣器发出声响、报警灯亮、继电器动作。现场工作人员能通过声光快速定位，继电器动作后输出无源接点信号至站内测控装置，用于后台系统告警。

图4 报警模块原理图

2.4 电源模块

根据所选用的元器件的特点，需要12 V 和5 V电源，原理图如图5 所示。三端稳压器具有输出稳定性好，使用方便，输出过流、过热自动保护等优点，因此选用三端稳压器LM7805 实现5 V 电压输出[15]，LM7812 实现12 V 电压输出[16]。考虑到三端稳压器有2.5 V 左右的“压损”，所以将220 V 市电通过变压器降压到15 V，桥式整流之后输出脉动直流电，并采用3 300 μF 的电解电容器进行滤波，输出21 V 左右的直流电，依次作为两个三端稳压器的输入端电压。三端稳压器的3 脚均反接一个二极管用来避免其受到反压损坏。在输出端并接一个信号灯，用于电源模块运行指示。

图5 电源模块原理图

3 软件设计

3.1 主程序流程

主程序流程图如图6 所示。首先，将系统初始化，对相关参数进行赋值，如原阈值initialcurrent=50（可根据实际情况赋值）、阈值设定值setcurrent=0，将initialcurrent 存入存储器，设置中断服务，SSD1306 开像素点发光、清屏、设置字体，开启串口通信，Arduino 发出测电流命令等；然后，从串口读取传感器JLA-4 的数据进行处理，计算出实际电流值Current，并与initialcurrent 一起送到SSD1306进行显示；最后，比较实际电流值Current 与阈值initialcurrent，当Current 大于initialcurrent 时，表示存在多点接地，报警开出（蜂鸣器响、报警灯亮、继电器动作）。

图6 主程序流程图

3.2 中断服务程序

采用Arduino 的外部中断，流程图如图7 所示。当add 或minus 键按下，即进入中断。在中断中对setcurrent 赋值，add 键按下，setcurrent 加1；minus 键按下，setcurrent 减1。将setcurrent 存入寄存器，最后读取寄存器值并赋值给initialcurrent，中断结束。

图7 中断程序流程图

4 系统测试

如图8 所示，通过实验模拟输入30～115 mA 电流，阈值设定电流值为50 mA，当实际测得电流大于50 mA 时，蜂鸣器发出声音、告警灯亮、继电器动作，且阈值可以通过按键进行调节，满足预设要求。

图8 系统调试图

5 结束语

电压互感器低压回路接地电流实时预警系统实时检测电压互感器低压回路的电流值，当电流值高于阈值电流，提示存在多点接地问题，告警输出，解决了常规测试方案中不同型号钳流表误差大的问题，并节省人力成本，而且设置电流阈值调整按钮，使设备参数可整定，针对小感应面积变电站变更设备参数后亦可准确测量其接地电流。所选用器件从低功耗、低成本方面考虑，从实验结果来看可以满足要求。但目前搭建的电路比较粗糙，后期将继续优化电路结构和程序，并进行外观设计，以便将该设备接入变电站二次运行系统内。