输电线路搭接处导通检测装置的研究与设计

输电线路是电力系统的重要组成部分[1-4]。线路搭接处连接是否可靠，导通性是否良好对于电能的有效传输具有重要意义。线路搭接处导通性能不良一般有以下几种原因[5-7]：一是线路搭接时没有选用合理的导体材料及截面积；二是线路搭接处的平整度不理想；三是线路搭接处表面处理不当或连接螺栓松动。如果导体连接处导通性不良，线路运行过程中会出现发热现象，尤其是在诸如工业用户负荷波动剧烈[8-9]、负载特性复杂的线路中，可能导致导通性能进一步恶化。随着运行时间的增加，线路搭接处导通状况有可能进一步恶化，以致导体可能因为过热或电动力作用发生断裂，给电网安全运行带来威胁[10-11]。

目前，常规检测方法是通过红外测温[6，12]等技术手段发现这种发热现象，进而申请停电检修或带电作业，消除缺陷。这种方式虽可消除缺陷，但依然将导致线路非计划停电或停用重合闸装置，给电网的安全运行带来了负担和不确定的风险[13]。

如果能在停电搭接过程中或尚处于在停电未投运的阶段发现搭接处导通性异常，有助于减少非计划停运。同时将测温异常后停电消缺的事后控制手段转为停电工作期间的事中控制，可以大幅提高工作效率。

检测搭接处的导通性能，可以参照变电检修专业测量回路直流电阻的方法，但是要兼顾输电专业的特点。首先，测量对象是微欧级的，需要高精度的测量方法；其次，输电线路距离地面的高度通常可达数十米甚至200 m以上，测量装置供电问题和携带操作的便携性需要特别考虑。本文基于输电线路运检实践经验，研制了一种便携式的输电线路搭接处导通检测装置，能可靠判断输电线路搭接处的导通性能，试验结果验证了装置的可靠性与实用性。

1 工作原理

1.1 计算原理

综合线路搭接处电阻测量以及等电位体连接处检测的特点，输电线路搭接处导通检测装置接线方式为四端引线法[14]，并基于开尔文电桥[15]原理测量线路搭接处电阻值。由于导体搭接处的电阻通常是非常微小的，这使得在检测时测量回路的接线电阻和接触电阻将不容忽视。因此，为精确测量线路导通处电阻值，采用四端引线法与电桥平衡法结合的开尔文电桥法，如图1所示。

图1 开尔文电桥法

对图1所示的开尔文电桥进行变换，将线夹接触电阻 r1′和 r2′以及测量回路的接线电阻 r3′和 r4′并入阻值较大的桥臂电阻中，由于阻值差别巨大，在后续计算中可以忽略线夹接触电阻的影响。同时，将r1和r4并到电源内阻中，将r2和r3视作电阻r，可得如图2所示的变换后的测量电路。

图2 变换后的测量电路

D、B两点的电位相等，故有：

由式 (1)至式 (3)可推导出：

若满足R1/R2=R3/R4，则测量电路中待测电阻值可按式 (5)求得。

1.2 干扰处理

线路搭接处电阻在实际检测时通常显著小于1 mΩ。对于这种低阻值的测量，采用前述的开尔文电桥法能够有效地消除测量装置的接触电阻带来的影响，提高了测量的分辨率。但与此同时，在测量时周围环境对测量系统带来的干扰也更为凸显。考虑到现场干扰以共模干扰为主，这里主要讨论共模干扰的抑制。对于此类共模干扰的处理方法就是采用差分处理方法，将开尔文电桥法测量电路中通过引线输入过来的干扰信号通过差分方式处理[16-17]，求其差值，对共模干扰进行有效抑制，从而提高信号的分辨率，进一步达到对线路搭接处低电阻精确测量的目的。

2 检测系统的设计

2.1 硬件设计

图3为输电线路搭接处导通检测装置的硬件结构，包括数控直流电源模块、I/V转换电路、差分放大器、A/D转换电路、处理器、通信输出模块、LCD显示模块和语音提示模块。其中，数控直流电源模块采用DC/DC变换将固定的直流电压变换成系统所需的各级直流电压，同时采用了前级预稳压、增大DC/DC变换器闭环增益、提高功率变换器的工作频率、输出侧加共模抑制电感及电容、减少布线长度等措施来对输出电压的纹波做了精密处理，使得输出电源纹波小于1 mV。A/D转换器为24位高精度转换芯片ADS1210。处理器采用STC12C5A60S2系列单片机。为保证可靠性与实用性，导通检测装置硬件电路有如下功能：

1)抑制干扰电流，提高信号分辨率。通过差分方式对共模干扰进行有效抑制，消除其对检测结果的不利影响。

2)实现语音提示、LCD显示以及打印功能，可以对检测结果进行语音提示和快速打印，便于现场数据的适时记录。

图3 输电线路搭接处导通检测装置的硬件结构

线路搭接处导通检测装置应结合被测线路搭接处的实际搭接方式选择适当的测量点。将检测装置的测试线夹分别夹在测量点两侧，然后启动检测装置进行测试，以检查测试线夹与测量点的连接是否可靠，确保导通性检测正常进行。数控直流电源模块开始工作后，由I/V转换电路获取测量量，并经差分方式抑制干扰信号后，由A/D转换电路将模拟量转换为数字量，然后由处理器根据事先编写好的程序进行导通电阻值的计算，最后由处理器将检测结果传至通信模块，并经由LCD显示屏显示，也可发出语音提示。为了使现场使用时方便快捷记录数据，通过内置打印功能将检测结果打印输出。

2.2 软件设计

根据线路搭接处导通检测装置的的软件系统主要包括：

1)数据处理。对测试数据进行采集、处理和分析，并计算线路搭接处电阻值。

2)按键输入。通过按键输入可控制各个功能模块。

3)导通性能判别。根据检测数据判别输电线路搭接处导通性的优劣。

4)结果输出。将检测结果传至通信模块，并通过LCD显示屏显示，同时也可进行语音提示和打印。

程序编写采用Keil C51进行程序编写，软件系统总体流程如图4所示。

图4 系统软件流程

从图4可知，开机之后的初始化，包括了对系统的I/O状态、内存空间分配等的初始化设置。然后，系统将进行测量和抑制干扰信号，并动态选取适当的测试电流档位。接着，数控直流电源开始工作，在检测装置采集电信号后进行计算得出被测线路搭接处的电阻值，并中断直流电源，将检测结果传至LCD显示屏上显示，同时可将检测结果进行打印或发出语音提示，同时对测试数据文件进行编号存储。最后，根据检测所得的线路搭接处电阻值对被测线路搭接处的导通性进行判别，将结果输出至语音提示电路。此后，系统将等待再一次测试的指示。若接收到再次测试指示，系统将重复上述测试过程。若未接收到，系统将完成测试工作。

2.3 具体功能

按图5连接好线路搭接处与导通检测装置，对被试电气设备线路搭接处引下线之间的连接电阻进行测量，导通检测装置将实现以下功能：

图5 输电线路搭接处导通检测接线

1)通过I/V转换电路采样电压信号，而后通过差分放大电路放大，再由A/D转换电路将该电压信号U0传入处理器。

2)基于处理器接收的经A/D转换的U0，算得干扰电流I0，并据此调整输出测试电流Is，以满足信噪比大于60 dB。

3)电流经过I/V转换电路采样到测试回路，采样小电阻上的电压信号和测量点的电压信号，经差分放大电路和A/D转换的电压信号Uin1和Uin2传入处理器。

4)基于处理器接收的经A/D转换的Uin1和Uin2，算得导通电阻值。

5)处理器将导通电阻值传送至LCD显示电路并通过语音播放将数据传送给线路检修人员。

3 调试与试验

在实验室环境下，运用导通检测装置对实验室用可变电阻进行了测量并进行了分辨度、准确度分析，见表1。可见被测电阻阻值越低，导通检测装置分辨度和准确度越高，对0.01～0.099 mΩ的电阻测量分辨度可达0.001，精确至0.01 μΩ。

表1 各类电阻测试数据

在南京地区500 kV汊王线停电搭接工作现场使用线路搭接处导通检测系统进行了试验。表2为现场线路汇流板连接处测试数据，分别在两基塔上选取了5处具有代表意义的数据进行了分析和判定。其中接头1、接头2和接头3的连接性能均为良好，而接头4和接头5存在连接不良的缺陷。在现场测试时，检查后判断接头4的螺栓未紧固到位(肉眼不可见，试紧螺栓时的实际扭矩感受验证了这一判断)，接头5的螺栓松脱 (肉眼可见)，造成连接不良。

表2 汇流板连接试验数据 uΩ

现场试验结果表明，所研制的输电线路搭接处导通检测装置性能良好，易接线，操作方便，能够检测线路搭接处电阻从而确定线路搭接处状态。该导通检测装置可以满足现场线路搭接处检测需求，能够有效地检测出接触不良或线路搭接处线路内部故障而导致的不通或导通不良现象，极大地提高了电力生产的安全性。

4 结论

针对电力线路搭接处导通性能检测的实际问题，研发一种基于开尔文电桥的输电线路搭接处导通检测装置，为线路搭接处导通性能判别提供依据。现场试验结果表明，该检测系统能够根据线路搭接处环境中的干扰电流调整测试电流，消除干扰电流的影响，保证测试数据的准确性，将测温停电的事后控制手段转为停电工作期间事中控制手段，提高了线路运检专业的工作效率和管理水平。