基于物联网的6–35 kV电缆线路单相接地故障检测技术——采用磁控触点电流传感器

《Eng》：An IoT-Based Technique for Detecting Single-Phase Earth Faults in 6–35 kV Cable Lines Using Current Sensors

　　

研究人员提出一种基于物联网的技术，用于检测中性点不接地6–35 kV电缆网络中的单相接地故障（single-phase earth faults, SEFs）。与基于传统电流互感器测量零序电流的现有方法不同，所提出的技术采用置于电缆磁场中的无源磁控触点（magnetically controlled contact，即磁簧开关reed switch），可在无外部供电条件下记录0.5–2.0 A的故障电流，并实现电气隔离。该技术的创新之处在于将磁簧开关电流传感器与物联网平台相结合：通过触点闭合持续时间测量电流瞬时值，随后数据经射频信道（LoRa 433 MHz、LoRaWAN或NB-IoT）传输至基于云的SCADA/EMS（supervisory control and data acquisition/energy management system，数据采集与监视控制/能源管理系统）进行远程监控。电流幅值根据吸合电流、释放电流及触点闭合持续时间计算得出，无需高频ADC（analog-to-digital converter，模数转换器）。研究人员对采用KEM-5磁簧开关和TZL-10电流互感器的样机进行实验测试，计算保护动作电流与实际值之间的偏差不超过10–15%。示波记录证实了该装置在启动、带负荷运行及1.6 A人工单相接地故障条件下的正确动作。装置响应时间为工频周期的若干分之一，显著缩短了紧急状态持续时间。所提出的系统通过选择性切除故障区段并防止级联故障，可降低系统平均停电持续时间指标（system average interruption duration index, SAIDI）和系统平均停电频率指标（system average interruption frequency index, SAIFI）。采用两个独立通道（电流互感器和磁簧开关）提高了单相接地故障检测的可靠性并降低了误动作风险。因此，所开发的基于物联网的技术提升了电缆网络运行的可靠性、安全性和经济性。

**研究背景与问题提出**

单相接地故障（single-phase earth faults, SEFs）是6–35 kV中性点不接地电缆网络中最常见的故障类型，占比高达80%–90%。该类故障的主要检测难点在于故障电流较小（0.5–10 A）、电弧过程不稳定以及零序电流通路不明确。现有的保护方法，如零序电压监测、零序电流保护及外加电源装置等，存在诸多局限：对高阻抗故障灵敏度低、需要现场供电电源、在分布式电容网络中难以实现选择性切除，以及故障定位耗时较长等。尽管分布式光纤传感（distributed temperature sensing/distributed temperature and strain sensing, DTS/DTSS）、局部放电传感器和同步相量测量单元（synchronized phasor measurement units, PMUs）等先进技术可提高检测可靠性，但这些方案往往设备昂贵、校准复杂且需要完善的通信基础设施，限制了其在配电网中的广泛应用。因此，开发一种低成本、非易失性的SEF传感器，能够在无需传统饱和电流互感器或高压区有源电子元件的条件下远程实时检测0.5–2.0 A级别的故障，具有重要的工程价值。

**研究目的与技术方案**

该研究旨在开发并实验验证一种基于物联网的6–35 kV电缆线路SEF检测技术，采用高灵敏度、非易失性的磁簧开关电流传感器实现远程监控。该技术将物联网理念引入工业资产管理，通过数据量化采集与处理实现实时自动化决策，提升系统运行管理质量。

研究的核心技术创新包括三个方面：一是采用置于电缆磁场中的磁簧开关作为被动传感元件，无需外部供电即可直接响应与短路电流成正比的磁场强度；二是提出通过磁簧开关触点闭合持续时间确定电流幅值的方法，无需高频采样；三是基于无线物联网（LoRa、LoRaWAN、NB-IoT）的数据传输至云平台实现集中监控。

**关键技术方法**

研究所采用的主要关键技术方法包括：基于磁簧开关的变压器电流传感器设计；建立故障电流、磁簧开关吸合/释放电流与触点闭合时间关系的数学模型；采用KEM-5磁簧开关和改装TZL-10电流互感器（带20匝偏置绕组）构建物理样机进行实验验证；开发基于LoRa 433 MHz射频（扩频因子SF=12，带宽BW=125 kHz）或NB-IoT的无线数据传输架构至SCADA/EMS云平台；在多电缆沟道和通道环境中实验确定传感器安装规则；通过双通道（电流互感器与磁簧开关）冗余设计提高可靠性。

**研究结果**

**磁簧开关电流传感器原理与建模**

研究人员提出了基于磁簧开关的变压器电流传感器，其工作原理为：当电流瞬时值增至吸合电流（pick-up current, p）时，磁簧开关触点在电缆电流产生的磁场作用下闭合；当电流降至释放电流（resetting current, r）时，触点断开。对于工频正弦电流，通过求解吸合和释放时刻的相位方程，可由触点闭合持续时间1计算电流幅值_m，即_m = f(p, r, 1)。该方法仅需测量时间参数，无需高频ADC。

实验研究确定了磁簧开关的关键工作特性：当电流比K = _m/p = 3–4时，闭合时间曲线趋于平坦，时间增量不显著；在K = 2–3的工作范围内，电缆电流至计算电流转换的非线性度约为5%–8%；对30只KEM-5磁簧开关的统计测试表明，同一批次中p的变化可达±3–5%，计算电流偏差为±7–12%。

**传感器设计与校准**

传感器采用带横向气隙的环形铁磁磁芯结构，磁簧开关固定于切向通孔中，使触点气隙对准横向气隙中心。偏置绕组（_bias=20匝）通以直流电产生偏置磁场。校准程序包括：以0.1 A/s速率递增交流电流测定p和r；计算恢复系数K_r = r/p（KEM-5典型值0.65）；对5–7个固定K值测量1并建立校准曲线；在?20°C、0°C和+20°C下测定温度漂移并存储修正系数。单次校准时间约15分钟。

对30只KEM-5的统计分析显示，p和r的皮尔逊相关系数r = 0.78，呈强正相关；p的批次内变化达±0.43 A（均值16%），证明个体校准的必要性。外部因素测试表明，空气温湿度及振动影响较小，而外磁场影响显著，无屏蔽时误差增至20%–25%。

**多电缆环境下的安装规则**

针对城市电缆沟道中多根电缆并行敷设的情况，研究人员实验确定了传感器安装规则：传感器轴线与相邻电缆的最小距离应至少为2–3倍电缆外径（10 kV电缆对应100–150 mm），此时邻近电缆磁场影响不超过控制电缆SEF磁场的5%–8%；建议将传感器固定于沟道边缘电缆或独立桥架中；对3–4根电缆束，可固定于中心电缆但需考虑背景磁场进行个体校准；邻近电缆电流超过10 A时，需采用1–2 mm厚坡莫合金磁屏蔽，可降低干扰3–5倍；密集管束中可采用两只反向磁簧开关的差分连接抑制共模干扰。

**数据通信架构**

系统采用三层架构：现场层（磁簧开关、Arduino微控制器、LoRa模块）、通信层（网关及4G/NB-IoT）和云层（SCADA/EMS）。现场Arduino读取磁簧开关状态并计算电流幅值，经LoRa 433 MHz传输。城市环境中LoRa实测覆盖范围为1.5–3 km，旷野条件下达12.5 km；对于深埋超过5 m或长隧道，建议安装200–300 m间距的中继器或采用NB-IoT。系统总决策延迟250–500 ms，适用于中性点不接地网络（传统保护时延0.5–2 s）。远程无NB-IoT覆盖区域可采用自有网关的LoRaWAN方案。

**保护动作实验结果**

实验在带人工中性点的异步电动机网络上进行，模拟启动、带负荷及SEF（_SEF = 1.6 A）等工况。示波记录证实了保护装置的正确动作。采用KEM-5磁簧开关和TZL-10电流互感器的样机测试表明：保护动作电流计算值与实验值偏差10–15%；系统灵敏度为传统保护的1.75倍；选择性达86%（与传统零序电流保护85%相比，差异无统计学意义，但无需额外方向继电器）；成本降低5–10倍；在完全断电条件下经20次循环验证能量独立性。

双通道（CT+RS）冗余设计的优势在于：两独立通道同时确认故障可降低误报风险；磁簧开关对磁场局部变化响应几乎瞬时，利于低电流接地故障快速检测；在短路电流不足以使传统继电器可靠动作时仍能检测；完全失电时可继续诊断；支持脉冲击穿电流或暂态过程的监测；可集成至远程监控系统实现智能电缆线路。

**最小可检测SEF电流**

研究表明，K = 1.2时（电流仅比p高20%），1约0.5 ms，与触点回跳时间相当，误差超过25%。推荐工作范围K ≥ 1.8，对应电缆电流≥4.9 A（p = 2.7 A时）。可靠运行的最小SEF电流为2.0 A（效率>90%），1.5–2.0 A时效率降至70%–85%，<1.5 A时不推荐使用（效率<50%）。故障持续时间需≥20 ms以保证可靠检测。

验证性测试（ = 5.0 A，p = 2.75 A，30次测量）结果表明：平均计算_m = 7.2 A（参考值7.07 A），相对误差+1.8%，标准差0.6 A（8.5%），95%置信区间为7.2 ± 1.1 A；86%的测量中误差在10%–15%范围内。主要误差来源为触点回跳（34%）和制造过程导致的p分散（28%）。

**讨论部分**

研究人员指出，基于磁簧开关触点闭合时间测量电流幅值的技术在物理原理上是成立的，但其精度和重复性受磁滞、触点回跳、温度不稳定性及工艺分散性的限制。实验确认的10%–15%误差对于6–35 kV网络SEF继电保护已足够，但需通过校准、回跳补偿和温度补偿提高可靠性。

该技术的优势显著：被动无源工作方式实现能量独立；无需高频ADC降低硬件复杂度；无线物联网集成实现远程监控；低成本（传统方案的1/5–1/10）；双通道冗余提高可靠性。局限性包括：需个体校准（同批次磁簧开关pr分散达16%）；最小可检测电流2.0 A的限制；对持续时间短于20 ms的间歇性故障检测能力不足。

**研究结论**

该研究提出并实验验证了一种基于物联网的6–35 kV中性点不接地电缆网络单相接地故障检测技术。与采用零序电流互感器或电压监测的传统方法不同，该技术使用置于电缆磁场中的被动磁簧开关传感器，通过吸合电流、释放电流和测得的触点闭合时间估计故障电流幅值，无需高频ADC。结果经LoRa射频信道（433 MHz，SF=12，BW=125 kHz）或NB-IoT传输至基于云的SCADA/EMS平台，实现远程监控与保护协调。

该技术采用KEM-5磁簧开关和带20匝偏置绕组的改装TZL-10电流互感器构建的样机，在10种不同场景（金属性故障和间歇性电弧故障、高阻抗损伤、谐波畸变、温度变化及外磁场）下进行测试。结果表明，86%的测量中故障电流幅值总误差不超过10%–15%：系统误差为?3.2%，随机误差（标准差）为9.4%。最小稳定记录的SEF电流（效率超过90%）为2.0 A，约为传统零序电流保护典型动作阈值的1/75。从SEF发生到报警信号的总时间（含本地处理和无线通信）对稳定金属性故障不超过2 s。传感器可在变电站完全断电条件下工作，这是其与需要操作电源的继电保护装置的本质区别。

该技术的主要局限在于需要个体校准（单批磁簧开关的吸合和释放电流分散性可达16%），以及最小故障持续时间应不小于20 ms以保证可靠检测。多电缆沟道和通道中传感器安装的实践建议为：与相邻电缆的最小间距150 mm；采用坡莫合金磁屏蔽（干扰降低3–5倍）；密集管束中采用两只反向磁簧开关的差分连接以抑制共模干扰。

所提出的解决方案成本低（比传统电流互感器保护低5–10倍）、能量独立且具有内置物联网支持。这使其能够集成到现有SCADA系统中，通过选择性切除受损区段提高SAIDI和SAIFI。未来研究应聚焦于：实际6–35 kV配电网中至少12个月的长期现场测试；统一IEC 61850通信协议的实现；以及降低高次谐波和间歇性电弧影响的数字滤波算法开发。