王 崗

（珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東 珠海 510800）

油田供電線路大多以直配方式供電，架空線路居多，部分線路延伸較長，特別是給偏遠(yuǎn)油井供電的線路；大多線路供電半徑比較大，分支線路多，線路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦線路發(fā)生故障，查找出具體故障所在的分支和故障點非常困難，少則幾小時，甚至數(shù)十小時，給原油生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如何快速定位故障區(qū)域，恢復(fù)送電，減少經(jīng)濟(jì)損失，是油田供電單位迫切解決的問題。

1 現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代，故障指示器逐步應(yīng)用到油田架空線路中，通過故障翻牌指示的方式縮短故障排查時間，提高工作效率，但是其方式任然依賴于人工現(xiàn)場沿線排查，帶來的效益有限，不能滿足配網(wǎng)對供電可靠性的要求，沒有獲得用戶的廣泛認(rèn)可。

隨著技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是無線通信的廣泛應(yīng)用，使得故障信息的及時上送成為現(xiàn)實。

具有無線通信的架空型故障指示器掛接于配電架空線路的不同區(qū)位，檢測到故障時，通過翻牌、指示燈就地指示，并通過無線公網(wǎng)通信將故障信息遠(yuǎn)傳至主站，在主站配合下判斷故障所在的出線、支線和區(qū)段。

近年來，國內(nèi)有的廠家推出了具有通信功能的故障指示器，故障指示器內(nèi)置短距無線通信模塊，與同樣具有短距無線通信模塊的專用通信終端通信，通信終端同時具有無線公網(wǎng)通信功能以連接主站，俗稱“3+1”模式，即3個故障指示器加一個通信終端，通信終端供電采用蓄電池或太陽能板，安裝在距離故障指示器較近的位置，如塔桿上。也就是說，這些廠家的故障指示器自身沒有遠(yuǎn)距離無線通信功能，數(shù)據(jù)信息先通過短距無線通信傳輸至通信終端，再由通信終端傳輸至主站。因為戶外運行環(huán)境惡劣，通信終端的供電、安裝存在一系列問題：蓄電池維護(hù)難度大，低溫情況下電池?zé)o法正常工作，太陽能板安裝繁瑣且受灰塵與陰雨天氣影響大、通信終端戶外塔桿安裝工作強度大且在防雨防塵防振防雷等方面要求高，因此，通信終端的制造成本、安裝成本、維護(hù)成本都較高，這種“故障指示器+通信終端”的模式在電力行業(yè)的應(yīng)用中存在較多的詬病。

因此研發(fā)“免維護(hù)”要求的高可靠性故障指示器提上日程，“免維護(hù)”特指現(xiàn)場裝置免維護(hù)，只要安裝調(diào)試完成，后期不需要進(jìn)行其他現(xiàn)場維護(hù)工作。

2 基于無線通信的免維護(hù)故障指示器應(yīng)用

秉承“免維護(hù)”的要求，UT-6111架空型故障指示器（下稱UT-6111）適用于35kV以下小電流接地系統(tǒng)的中壓配網(wǎng)架空線路，是一種具有無線公網(wǎng)通信功能的架空線路故障指示器，采用了無線短距（RF）通信及無線遠(yuǎn)傳一體化技術(shù)，掘棄了通信終端，無需蓄電池及太陽能板，實現(xiàn)了產(chǎn)品免維護(hù)，可簡稱為“3+0”模式。實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)架空線路的短路與接地故障檢測、上下電與斷線檢測、就地故障指示、負(fù)荷采集、高壓帶電指示功能，負(fù)荷信息和線路故障信息可通過無線公網(wǎng)通信遠(yuǎn)傳至配網(wǎng)主站，從而實現(xiàn)故障定位和數(shù)據(jù)采集的功能。

2.1 故障定位原理

1）短路故障檢測

短路檢測：如圖由2#線B相2、5、8指示器和C相3、6、9指示器翻紅牌顯示而11指示器和12指示器仍為白色，即可判斷出D點發(fā)生短路故障。

檢測方法采用過流速斷定值法，同時保留傳統(tǒng)的自適應(yīng)法，如圖1所示。

圖1

自適應(yīng)法的優(yōu)點是自動跟蹤負(fù)荷電流大小，不用整定參數(shù)。其缺點一：在兩相接地、過流或過負(fù)荷短路情況下，短路電流是逐漸增大的，指示器因無法檢測到電流突變而導(dǎo)致拒動；其缺點二：線路長，短路電流小，指示器因無法檢測到電流突變而導(dǎo)致拒動。

過流速斷定值法與變電站微機保護(hù)裝置的故障檢測原理一致，克服了自適應(yīng)法的缺點。

兩種方法都增加了充電判據(jù)和電壓條件，使線路送電、停電判斷更可靠，可防止重合閘期間，非故障線路（分支）因重合閘涌流導(dǎo)致的誤動，可防止空載合閘涌流導(dǎo)致的誤動，可防止負(fù)荷波動導(dǎo)致的誤動，可防止大負(fù)荷投切導(dǎo)致的誤動，可防止相鄰線路干擾導(dǎo)致的誤動，提高了短路檢測的正確率。

2）接地故障檢測

接地檢測：如圖由2#線C相3、6、9指示器翻牌顯示而12指示器仍未動作，即可判斷出D點發(fā)生接地故障，如圖2所示。

圖2

該方法的特點是能夠?qū)崟r監(jiān)測線路首半波尖峰電流、線路電壓的變化，并根據(jù)尖峰電流的方向區(qū)分是否接地。

為了防止人工合分閘（停電、投切負(fù)荷等）、保護(hù)跳閘和自動重合閘期間，非故障線路（分支）因三相開關(guān)動作不同期的單相暫態(tài)涌流導(dǎo)致誤動，指示器增加了“充電判據(jù)”，帶電穩(wěn)定運行數(shù)秒以后檢測故障；同時增加了“不停電判據(jù)”，只有檢測到線路不停電以后才會給出接地故障告警。

2.2 產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新點

1）CT取電技術(shù)

由取能 CT從母線上感應(yīng)取電，在母線一次側(cè)電流大于 5A時，二次側(cè)可有感應(yīng)電流流過，經(jīng)過全波整流之后得到直流，然后通過降壓型得到所需的電壓。該穩(wěn)壓器要求靜態(tài)工作電流小，轉(zhuǎn)換效率高。為了防止 CT飽和，增加輸出電壓取樣和能量泄放電路。

CT二次側(cè)輸出的是交流電流信號，還要經(jīng)整流回路輸出直流信號供穩(wěn)壓電源使用。為了防止 CT飽和以及過壓損壞器件，還需要增加過壓防飽和電路。

CT的防飽和，過電壓保護(hù)。在發(fā)生相間短路故障時，一次側(cè)出現(xiàn)大電流，容易引起 CT飽和。設(shè)計時要考慮能量泄放電路。原理是檢測二次側(cè)在負(fù)載上的壓降，當(dāng)該壓降大于 9V時，打開二次側(cè)回路開關(guān)，使得二次側(cè)形成短路，多余的能量通過二次側(cè)的短路得到泄放。

2）利用感應(yīng)方式測量電壓

利用磁芯和電路板的地兩者感應(yīng)電場形成的壓差來采集電壓。如圖所示，電容Cs是磁性和電路板的地之間形成的寄生電容，它與取樣電阻R串聯(lián)，電路板地平面對大地電容之間的寄生電容為C0。Vout為測量電壓。感應(yīng)測量電壓的大小與磁芯之間距離，磁芯面積大小，以及它們之間的絕緣介質(zhì)相關(guān)，感應(yīng)方式測量電壓示意圖如圖3所示。

圖3

3）低功耗技術(shù)

UT-6111在一次側(cè)停電的情況下由備用電池供電，在負(fù)荷電流大于5A時，CT開始供電保證系統(tǒng)的正常運行。為了延長裝置的使用壽命，必須要求UT-6111進(jìn)行低功耗設(shè)計。針對系統(tǒng)的低功耗，硬件設(shè)計時主要考慮以下幾個方面：

一方面，選用大功率大容量鋰亞電池作為備用電池。為了在停電狀態(tài)下，裝置還能正常工作，必須保證備用電池能夠提供足夠的功率給系統(tǒng)使用。因為停電時，CDMA（GPRS）需要和遠(yuǎn)端服務(wù)器通信，而CDMA(GPRS)工作時的平均電流較大，瞬間大電流可以達(dá)到 1.5A以上，而且還要求 CDMA（GPRS）正常通信保持5年以上，普通容量的電池?zé)o法滿足這個要求，所以，選擇大容量鋰亞電池作為備用電池。

另一方面，選用低功耗芯片。CPU選用超低功耗32位MCU芯片，負(fù)責(zé)信號采集處理、控制及通信部分，在低功耗模式運行時，降低主頻，關(guān)斷外圍I/O口。ZIGBEE模塊選用低功耗模塊。上、下拉電阻盡量選用100k以上的歐姆電阻。

3 建立故障定位系統(tǒng)

圖4

為解決運行人員故障查找費時費力的問題，建設(shè)基于無線通信的故障定位系統(tǒng)，實現(xiàn)線路故障信息的快速回送，通過系統(tǒng)快速定位故障位置，縮短故障查找時間，提高工作效率，提高配網(wǎng)的供電可靠性指標(biāo)。

故障定位系統(tǒng)可以幫助電力運行人員實時了解線路上各監(jiān)測點的電流（負(fù)荷電流、短路動作電流、首半波尖峰電流、接地動作電流、電纜線路穩(wěn)態(tài)零序電流、電纜線路暫態(tài)零序電流）、線路對地電壓（對地絕緣）、高壓線或電纜頭溫度的變化情況，在線路出現(xiàn)短路、接地、斷線、絕緣下降等故障或者異常情況下給出聲光或者短信通知報警，通知電力運行人員迅速趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理。故障定位系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

故障定位系統(tǒng)由主站軟件系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障檢測器、無線通信幾部分構(gòu)成。主站軟件工作站顯示配網(wǎng)線路的接線信息，當(dāng)線路發(fā)生故障時，故障檢測器會將故障類型、感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓等信息以無線的方式發(fā)送到主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)將這些信息顯示在接線圖上，并給出報警及可能的故障位置，同時將故障信息發(fā)送到故障排查人員的特定手持終端上，方便檢修人員現(xiàn)場故障排查，并為工作人員快速制定故障隔離計劃提供依據(jù)。

4 故障定位系統(tǒng)應(yīng)用的意義

油田采掘油井分布分散，供電線路也隨之延伸，因為成本原因，有線通信無法延伸到各個線路末端，同時難以獲取廉價戶外電源，大多數(shù)的自動化終端裝置無法得到很好的應(yīng)用，設(shè)備操作及故障排查等大多數(shù)工作任然依賴于人工，通過故障定位系統(tǒng)來提高故障排查效率是一個比較經(jīng)濟(jì)實惠的方式。