吳軍汝，李寶樹，梁仕斌，田慶生，代云洪

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

單相接地故障指示器的應(yīng)用

吳軍汝1，3，李寶樹1，梁仕斌2，田慶生2，代云洪3

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

通過(guò)研究現(xiàn)有應(yīng)用的 “暫態(tài)綜合判據(jù)法”和 “信號(hào)源注入法”檢測(cè)原理，發(fā)現(xiàn)這兩種方法適用于配電網(wǎng)常見的中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，且動(dòng)作準(zhǔn)確性高于其他檢測(cè)原理，應(yīng)結(jié)合故障指示器的原理及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇與配網(wǎng)相適應(yīng)的檢測(cè)原理及設(shè)備。然后通過(guò)對(duì)故障指示器的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，給出了故障指示器系統(tǒng)自身功能擴(kuò)展及該系統(tǒng)接入配電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向的建議。

接地故障指示器；故障檢測(cè)方法；故障定位系統(tǒng)

0 前言

中低壓配電網(wǎng)一般為小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障率占總故障率的85%以上，但由于故障特征復(fù)雜多變，選線和定位故障區(qū)段困難，嚴(yán)重影響著供電可靠性。故障指示器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)線路的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)線路故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，并發(fā)出報(bào)警指示。而且故障指示器與其他配電自動(dòng)化設(shè)備相比，具有體積小、成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。因此應(yīng)用單相接地故障指示器進(jìn)行故障定位作為故障選線與定位的一個(gè)重要技術(shù)手段，已經(jīng)在我國(guó)很多地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

早期的故障指示器檢測(cè)單相接地故障的方法原理主要有：零序電流法、電容電流法、首半波法、5次諧波法等。這些檢測(cè)原理都依賴發(fā)生故障前后配電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化，但是這些原理的適用范圍都有一定的局限性[1]，如零序電流檢測(cè)法，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，零序電流的幅值和相位隨消弧線圈補(bǔ)償度的大小變化；首半波法從理論上就有死區(qū)等，影響了這些方法的準(zhǔn)確性。因此，上述這些檢測(cè)原理的指示器在并未實(shí)際中得到有效應(yīng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)廠家和用戶的大量調(diào)查，現(xiàn)在投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的故障指示器檢測(cè)方法主要為暫態(tài)綜合判據(jù)法和信號(hào)源注入法。

1 暫態(tài)綜合判據(jù)法

在單相接地故障出現(xiàn)的短時(shí)暫態(tài)過(guò)程中，故障相電壓突然降低會(huì)引起線路的分布電容對(duì)地放電，非故障相電壓突然升高使線路的分布電容充電，因此具有豐富和顯著的故障特征量，暫態(tài)綜合判據(jù)法就是通過(guò)檢測(cè)多種故障特征量來(lái)判斷是否發(fā)生了單相接地。接地故障指示器檢測(cè)的暫態(tài)信息特征包括：故障相電壓降低；暫態(tài)電容電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電容電流幾倍到幾十倍；線路出現(xiàn)零序電流，在某個(gè)頻段內(nèi)故障線路零序電流方向由線路流向母線；接地瞬間出現(xiàn)高次諧波信號(hào)；接地瞬間暫態(tài)電容電流和相電壓有個(gè)固定的相位關(guān)系；線路不停電等[2]。根據(jù)這些故障信息制定相應(yīng)的判據(jù)：

1)線路中有突然增大的暫態(tài)電容電流，穩(wěn)態(tài)電流值不小于I0。發(fā)生接地故障時(shí)，40 km的架空線路會(huì)產(chǎn)生1 A的穩(wěn)態(tài)電容電流，3 A的暫態(tài)電容電流?？梢詫⒔拥貦z測(cè)的電容電流啟動(dòng)值I0設(shè)為1 A，則只要同一母線下10 kV線路超過(guò)40 km，指示器就可以有效動(dòng)作。

2)接地線路對(duì)地電壓降低幅值不小于△U?？紤]到系統(tǒng)經(jīng)過(guò)渡電阻接地的情況，電壓不會(huì)降為零。

3)可識(shí)別故障電流持續(xù)時(shí)間不小于△t。考慮瞬時(shí)接地的情況。

4)5次諧波電流突然增大。

5)暫態(tài)電流方向和瞬時(shí)無(wú)功功率方向相位比較。只有接地點(diǎn)之前的狀態(tài)能夠滿足設(shè)定值。

動(dòng)作判據(jù)不局限于以上幾項(xiàng)，要根據(jù)指示器所安裝線路的實(shí)際網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)確定具體的判據(jù)和啟動(dòng)值，如線路的長(zhǎng)短不同，指示器的靈敏度不同，因此要根據(jù)線路長(zhǎng)度設(shè)定啟動(dòng)值[3]。

暫態(tài)綜合判據(jù)法一般可檢測(cè)接地電阻小于200 Ω的瞬時(shí)性接地故障和永久性接地故障；由于消弧線圈的特性，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地與中性點(diǎn)不接地的暫態(tài)過(guò)程是相似的，因此兩種接地方式都適用；也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響。但要快速、準(zhǔn)確捕捉暫態(tài)量，終端必須具備較高的測(cè)量和處理能力；由于靈敏度高，誤動(dòng)的可能性較大一點(diǎn)?？傮w來(lái)講，暫態(tài)綜合判據(jù)法原理采集多種故障暫態(tài)信息作為判據(jù)，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向的比較，綜合分析出接地故障及故障位置，較早期的故障指示器提高了動(dòng)作的準(zhǔn)確率。

2 有源信號(hào)注入法

采用信號(hào)注入法原理是在發(fā)生單相接地故障后，由信號(hào)源裝置主動(dòng)向系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，安裝在故障通道上的單相接地故障指示器收到這一特殊信號(hào)后，做出報(bào)警指示來(lái)檢測(cè)單相接地故障。安裝在變電站的信號(hào)源可以安裝在10 kV開關(guān)室也可以裝在室外，它與故障指示器組成故障定位系統(tǒng)。此法不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)接地方式、以及故障隨機(jī)因素等的影響，適合于各種不同的小電流接地系統(tǒng)，不需要給故障指示器設(shè)定門檻值，對(duì)指示器的測(cè)量和處理能力要求不高。

2.1 “S”信號(hào)注入法

單相接地信號(hào)源裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓和中性點(diǎn)電壓，在故障發(fā)生后，利用此時(shí)原邊被短接，暫時(shí)處于不工作狀態(tài)的接地相PT人為向系統(tǒng)注入一個(gè)基波頻率位于工頻n次與n+1次諧波 (n為正整數(shù))之間特殊電流信號(hào)[4]。該信號(hào)只在故障相線路、接地點(diǎn)和大地之間形成通路，在非故障相及非故障線路則不流通，安裝在此故障通道上的故障指示器接收到這個(gè)特殊頻率的信號(hào)后就會(huì)發(fā)出動(dòng)作指示。通過(guò)線路出口和故障通道上的故障指示器指示可以判斷故障出線、故障區(qū)段及故障分支。

“S”信號(hào)注入法不受消弧線圈的影響，不要求線路上裝設(shè)零序電流互感器，不增加一次設(shè)備。因此不影響系統(tǒng)運(yùn)行，容易實(shí)施。但注入信號(hào)的強(qiáng)度受電壓互感器容量限制，當(dāng)接地電阻較大時(shí)線路上分布電容會(huì)對(duì)注入的信號(hào)分流，給故障定點(diǎn)帶來(lái)干擾，所以不適合檢測(cè)高阻接地。如果接地點(diǎn)存在間歇性電弧現(xiàn)象，注入的信號(hào)在線路中將不連續(xù)，給檢測(cè)帶來(lái)困難。

2.2 中值電阻投切法

中值電阻投切法原理的信號(hào)源需要增加一次設(shè)備，主要由熔斷器、電壓互感器、交流高壓接觸器、中值電阻、控制器、二極管等幾部分組成。當(dāng)信號(hào)源監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障 (一般為系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓超過(guò)設(shè)定啟動(dòng)值，應(yīng)與變電站絕緣監(jiān)視整定值一致)時(shí)，高壓接觸器閉合，向系統(tǒng)投入中值電阻，每隔幾秒進(jìn)行一次投切，這樣在故障線路故障相與系統(tǒng)母線間形成人為的故障工頻電流，且按中值電阻的投切規(guī)律變化，只在故障相的故障點(diǎn)上游和大地之間流通。安裝在故障通路上的指示器檢測(cè)到此故障工頻電流信號(hào)后就會(huì)發(fā)出動(dòng)作指示。控制器會(huì)對(duì)返回的電流值進(jìn)行判斷，投切過(guò)程中規(guī)定次數(shù)內(nèi)電流均大于設(shè)定值則會(huì)認(rèn)為投切成功，否則信號(hào)源要進(jìn)行重發(fā)，以保證指示器能夠更加準(zhǔn)確的動(dòng)作。值得一提的是，信號(hào)源會(huì)延時(shí)幾秒投入，目的是在這幾秒內(nèi)可以讓有消弧線圈的系統(tǒng)，在消弧線圈的作用下接地故障點(diǎn)自動(dòng)熄弧，從而消除瞬時(shí)性故障。

信號(hào)源可以安裝在變電站或開閉站的室內(nèi)或室外，二者的區(qū)別在于安裝于室內(nèi)的信號(hào)源的高壓端與站用變壓器或PT相連接，適合于中性點(diǎn)

圖1 戶內(nèi)型信號(hào)源故障指示示意圖

經(jīng)調(diào)查，國(guó)內(nèi)很多廠家生產(chǎn)的信號(hào)源為中值電阻投切注入信號(hào)。由于信號(hào)源是純阻性的，在接入系統(tǒng)后改變了接地時(shí)出現(xiàn)的諧振條件，這樣降低了發(fā)生單相接地時(shí)系統(tǒng)過(guò)電壓的幅值，也減輕了對(duì)信號(hào)源發(fā)出的特殊信號(hào)的干擾，增加了故障指示器動(dòng)作的準(zhǔn)確性。但畢竟人為增大接地電流，會(huì)增大對(duì)系統(tǒng)的安全隱患和對(duì)通訊系統(tǒng)的干擾。增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且原因同 “S”注入法也不能檢測(cè)間歇性接地故障。

暫態(tài)綜合判據(jù)法與信號(hào)源注入法有各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，單相接地故障成因多樣的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用信號(hào)注入法定位故障是比較可靠的。各用電部門需根據(jù)自身地理環(huán)境、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置管理機(jī)制等因素綜合考慮選用最適合的檢測(cè)方法。

3 故障指示器檢測(cè)的發(fā)展方向

隨著智能配電自動(dòng)化的發(fā)展，要求實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)定位、隔離和非故障區(qū)段的供電恢復(fù)[5]。集成新技術(shù)的智能型故障指示器是故障指示器技術(shù)的發(fā)展方向，故障指示器應(yīng)能主動(dòng)將故障信息上傳至故障定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)定位。根據(jù)大量實(shí)際調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用的故障指示器基本上已經(jīng)都帶有通信功能。當(dāng)線路發(fā)生接地故障后，動(dòng)作的故障指示器會(huì)通過(guò)短無(wú)線把故障信息傳給經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)；而安裝于室外的信號(hào)源高壓端與線路的出線端相連接，適合于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。根據(jù)信號(hào)源內(nèi)部所采用的算法不同，有的信號(hào)源需監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三相電壓，有的則只需監(jiān)測(cè)兩相電壓。兩種信號(hào)源故障指示示意圖如圖1、圖2所示。信號(hào)源的工作接地和外殼保護(hù)接地分開接入接地網(wǎng)，并保證與接地網(wǎng)的可靠連接。通信終端，再以GPRS/GSM等無(wú)線方式，把信息發(fā)送到監(jiān)控主站，主站對(duì)這些指示器地址信息進(jìn)行糾錯(cuò)、校正后，通過(guò)拓?fù)浞治龊陀?jì)算找出故障位置。但由于我國(guó)配電自動(dòng)化的總體水平不高，故障指示器系統(tǒng)尚不能接入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，通信系統(tǒng)仍為獨(dú)立的系統(tǒng)，調(diào)配中心不能對(duì)故障信息的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，指示器系統(tǒng)只作為故障定位的輔助判定裝置應(yīng)用。

圖2 戶外型信號(hào)源故障指示示意圖

應(yīng)尋求故障指示器系統(tǒng)在配電自動(dòng)化系統(tǒng)的接入方式，真正作為一個(gè)配電自動(dòng)化設(shè)備納入到生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，與其他饋線終端單元結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化起到一定的作用。故障指示器系統(tǒng)與配電自動(dòng)化其他系統(tǒng)的結(jié)合也是今后的一個(gè)發(fā)展方向，如與 GIS(地理信息系統(tǒng))和 MIS (管理信息系統(tǒng))結(jié)合[6]，監(jiān)控主站通過(guò)拓?fù)浞治鲇?jì)算出故障位置及故障通路后，可以直接顯示在GIS的地理背景上，便于電路的維護(hù)和事故搶修；又可用來(lái)對(duì)配電網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行管理，便于設(shè)施信息的錄入、查詢和統(tǒng)計(jì)。故障指示器系統(tǒng)以GIS為支撐平臺(tái)也可以集成在SCADA系統(tǒng)之中，形成故障定位/GIS/SCADA一體化平臺(tái)，實(shí)時(shí)搜集故障指示器動(dòng)作信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，還可以對(duì)配電網(wǎng)圖形包括電力線路、桿塔、開關(guān)、變電站、故障指示器進(jìn)行編輯，從而更快捷的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能。實(shí)現(xiàn)故障指示器系統(tǒng)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)的無(wú)縫集成。

就故障指示器系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)則向信息處理的全面性、一致性和可靠性方向發(fā)展。在短路接地 “二合一”指示器組成的一遙故障自動(dòng)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)的二遙系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得突破，即增加線路電流的測(cè)量和監(jiān)測(cè)功能，正常情況下監(jiān)測(cè)負(fù)荷電流并定時(shí)上送，將提高該自動(dòng)化方案的實(shí)用性，不需對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行改造。還可以在此基礎(chǔ)上發(fā)展三遙系統(tǒng)：由帶動(dòng)作信號(hào)和測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、可遙控翻牌復(fù)歸的指示器、可遙控開關(guān)和采集開關(guān)狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集器及其系統(tǒng)組成。能夠進(jìn)行本地遠(yuǎn)程雙向通訊，遠(yuǎn)程GPRS，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路的遙信、遙測(cè)和遙控，如響應(yīng)服務(wù)器發(fā)來(lái)的遠(yuǎn)程召喚指令，將線路的實(shí)時(shí)溫度、負(fù)荷信息傳送至服務(wù)器等。四遙系統(tǒng)采用的故障指示器還可以在線調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)線路的遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的微功耗化，近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的依據(jù)微功率無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)建立的通信自組網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，微功率無(wú)線組網(wǎng)指示器根據(jù)檢測(cè)的線路負(fù)荷、故障電流及功率方向，能夠自動(dòng)組成一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)路由，下游的指示器將采集信息上傳至上一級(jí)的指示器，最后上傳至遠(yuǎn)傳配變監(jiān)測(cè)終端，終端將故障信息實(shí)時(shí)上報(bào)到主站定位系統(tǒng)。這樣則不用再安裝大量的通信終端，遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了運(yùn)行費(fèi)用，提高了性價(jià)比。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)采用暫態(tài)綜合判據(jù)法和信號(hào)源注入法檢測(cè)原理的故障指示器能夠適用于配網(wǎng)常見的中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，適用范圍廣，動(dòng)作準(zhǔn)確性高于其他檢測(cè)原理。暫態(tài)法依賴于系統(tǒng)特征量的變化，可檢測(cè)瞬時(shí)、間歇性故障，但對(duì)于配電網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該法尚不能完全掌握接地故障的變化特征，此時(shí)信號(hào)源法可靠性更高一些，但費(fèi)用要高于前者。因此，應(yīng)根據(jù)具體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，選擇與系統(tǒng)相適合的檢測(cè)原理設(shè)備，使指示器的動(dòng)作準(zhǔn)確性更加可靠。

2)、故障指示器系統(tǒng)具有成本低，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。隨著其科技含量的提高和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，該系統(tǒng)其必將融合到配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，在故障發(fā)生后實(shí)現(xiàn)單相接地故障點(diǎn)的快速自動(dòng)定位、隔離，在指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)中得到更加廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張彩友.單相接地故障指示器技術(shù)現(xiàn)狀分析 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，12(31)：280-283.

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Analysis on Application Status of the Existing Single-Phase Grounding Fault Indicator

WU Junru1，3，LI Baoshu1，LIANG Shibin2，TIAN Qingsheng2，DAI Yunhong3
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.Graduate Workstation of Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Studying the exsiting application“transient synthesis criterion method”and“signal injection method”detection principle，found that the two methods is suitable for the common distribution network neutral point grounding and arc-supptession coil ground system.And the accuracy is higher than other principle.We shoud combine the principle of fault indicator with the complexity of the space truss structure to select appropriate principle and equipment to distribution network.Then through analyzing the present situation of fault indicator gives the proposal of development direction which is about system itself function extension and accsess to the distribution automation system.

grounding fault indicators；fault detection method；fault location system

TM75

B

1006-7345(2014)05-0062-04

2014-05-29

吳軍汝 (1989)，女，碩士研究生，華北電力大學(xué)，云南電網(wǎng)公司研究生工作站，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障在線監(jiān)測(cè)與定位技術(shù) (e-mail)wujunr7225＠126.com。