配電網低壓故障檢測儀的設計及應用

潘亦辰，周國良，賈 斌

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

配電網低壓故障檢測儀的設計及應用

潘亦辰，周國良，賈 斌

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

介紹了配電網低壓系統(tǒng)常見故障及相應處理方法，指出傳統(tǒng)的排除試送法和兆歐表檢測法存在弊端。針對上述問題，設計研制了能夠模擬工頻交流電并將之作為檢測信號的故障檢測儀，介紹了檢測儀的工作原理、電路設計、整體結構，通過實驗室驗證及現(xiàn)場使用，表明該故障檢測儀可以解決配電網隱性故障排查的難題。

配電網；故障檢測儀；隱性故障；短路；漏電

0 引言

近年來，我國配電網（以下簡稱配網）建設投入不斷加大，配網發(fā)展取得顯著成效，但供電水平相對國際先進水平仍有差距，供電質量有待改善。如今電力事故主要集中在配網，其中0.4 kV低壓網絡故障占到90%。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電力公司80%的搶修力量用于應對用電量20%的電力用戶。

配網低壓故障類型多樣，其中一些隱性故障由于處在墻體、井道中等處，具有很強的隱蔽性，也加大了搶修工作的難度。然而如今并沒有一個很好的方法來查找此類故障，導致浪費不必要的人力物力，因此亟待找到一個科學的辦法來應對此類低壓故障問題。本文在分析傳統(tǒng)處理方法存在弊端的基礎上，提出采用模擬工頻正弦波對故障線路進行檢測的新方法。

1 低壓配網常見故障分析

受設備老化、缺乏管理與線路升級不到位等因素的影響，低壓配網故障最為頻發(fā)且復雜多樣。

1.1 低壓配網常見故障分類

可按故障產生原理或故障點位置對低壓配網常見故障進行分類。

1.1.1 按故障產生原理分類

（1）短路故障。由于線路絕緣層破裂而導致的相線與相線之間的短路、相線與零線之間的短路，會造成劇烈的弧光甚至爆炸，空氣開關會因瞬間大電流而跳閘。

（2）漏電故障。漏電故障反應在四極開關因線路漏電而跳閘。常見的漏電故障有2種：一是相線與保護地線漏電，常見于用戶因將零線與保護地線混淆，致使用電器的電流經過保護地線而不經過零線，導致不平衡；二是零線與保護地線短路造成漏電，此時一部分電流經保護地線分流，導致漏電保護開關處不平衡。漏電故障相對于其他故障而言具有更強的隱蔽性與危害性。

（3）斷線故障。產生原因主要有：受不可控外力影響導致導線斷開，線路長期重載引起發(fā)熱并致使導線燒斷，因電氣連接點接觸不良致使導線或開關斷開。

1.1.2 按故障點位置分類

（1）故障點明確。此類故障點明確可見，如閘刀燒毀、線路起火等處，因而搶修人員只要根據(jù)故障原因及時修復好故障點，經測試合格后便可送電。

（2）故障點不明確（又稱隱性故障）。此類故障點位于墻體、井道中等處，具有較強的隱蔽性，搶修難度比較大。

根據(jù)杭州供電公司一線搶修班組的資料統(tǒng)計，2014年下半年低壓配網發(fā)生的隱性故障總共有240起，平均搶修耗時243 min。因此如何查找隱性故障成為重點工作。

1.2 隱性故障的傳統(tǒng)處理辦法

隱性故障存在很強的隱蔽性，在處理初期，由于無法確定哪條路線路故障而導致開關跳閘，所以需多次嘗試才能找到故障線路。

目前處理隱性故障主要有以下2種方法：

（1）排除試送法。即通過多次嘗試合閘送電來一一排查故障，直至找到故障所在區(qū)域并將故障隔離。這種方法要對大部分電力用戶進行多次試送電，速度慢，效率低，且難以精準定位。最重要的是有可能導致二次故障，造成爆炸、弧光等危險情況。所以一般情況下，不建議搶修人員采用這種方法。

（2）兆歐表檢測法。此方法又稱為絕緣電阻測量法，即通過測量線路絕緣性能來判斷電纜是否存在因絕緣受損而導致短路等故障的發(fā)生，具體檢測流程如圖1所示。若檢測到2根被測導線間的阻抗為零，說明線路存在故障；否則，若阻抗為無窮大，則證明2根線路絕緣性能良好，不存在短路現(xiàn)象。但這種方法也存在明顯的弊端，由于兆歐表輸出的是直流電，而所測線路中又附帶許多感性負載，對直流電而言，相當于一直處于通路狀態(tài)，即零阻抗狀態(tài)，容易干擾測試結果，導致?lián)屝奕藛T誤判斷。為了能夠準確對線路進行檢測，需要拆除所有可能影響檢測的直連感性負載，但現(xiàn)場難以實現(xiàn)，因此該方法失去了現(xiàn)實意義。

2 配網低壓故障檢測儀的設計

2.1 故障檢測儀工作原理

針對隱性故障的查找困難設計一款能夠模擬電網工頻交流電并將之作為檢測信號的故障檢測儀，既不影響對正常用戶的供電，也不會受到感性負載的影響，且能夠滿足安全方面的要求。

該故障檢測儀的工作原理如下：首先判斷故障類型，通過對線路施壓，根據(jù)反饋信息判斷是否存在故障；若被測線路存在短接情況，即被測線路阻抗為零，會產生瞬間電流極大值，可由此判斷線路存在故障且需要進一步檢測；在確定存在故障的情況下，對被測線路持續(xù)施壓一定大小的電流值，再利用鉗型電流表尋找電流流經的方向與位置，利用空氣開關的隔斷作用就可以準確找到故障點所在的線路段，將故障段隔離并修復。

結合實際情況，為了能夠準確判斷故障類型，并循跡到故障所在具體線路段，故障檢測儀整體電路需要電壓源與電流源結合切換輸出，其結構如圖2所示。

圖1 兆歐表檢測法流程

圖2 故障檢測儀整體電路結構

2.2 主電路設計

故障檢測儀主電路由2部分組成（見圖3）：

圖3 故障檢測儀主電路

（1）電源部分。以蓄電池作為電源，直流電源輸出12 V，經DC/AC逆變轉換成頻率為50 Hz的220 V交流輸出，從而模擬工頻正弦交流電。

（2）檢測部分。電源部分輸出的220 V電壓，經轉換雙極開關分2檔輸出，分別為電壓檔（220 V輸出）和電流檔。為了能夠方便一次側與二次側的轉換計算，設計一個變比為100∶1的小型變壓器，再經2.2 Ω的電阻限流，使得短接電流可以達到1 A。

2.3 小型變壓器的設計

小型變壓器的鐵芯常見的有C型與E型2種。E型鐵芯的主要優(yōu)點是繞組的初、次級可共用一個架，有較高的窗口占空系數(shù)，鐵心可對繞組形成保護外殼，使繞組不易受機械創(chuàng)傷；鐵心的散熱面積較大，本身磁場發(fā)散也較少，但存在磁路中氣隙較大、銅線多、漏感大和外來磁場干擾大的缺點。C型鐵心的氣隙可以做得很小，具有體積小、重量輕、材料利用率高等優(yōu)點，但它的制造工藝復雜，成本較高。

綜合考慮，選擇工藝較為簡單的E型鐵芯作為變壓器的鐵芯。該小型變壓器變比為100∶1，通過計算并結合導線直徑表，最終選取直徑為2 mm的漆包線。

3 故障檢測儀實物設計

3.1 整體結構

考慮到實際需求，故障檢測儀既要輕便小巧、便于攜帶，又要有一定硬度的外殼保護。最終設計的整體尺寸為270 mm×220 mm×130 mm，實物重量為2.5 kg，整體結構如圖4所示。

電池部分使用4.5AH，12 V輸出的鉛酸蓄電池作為電源。在正常工作情況下，僅計算逆變器功率以及儀表變壓器等損耗約為15 W。工作時間=12×4.5×0.8×0.9/20=2.6（其中0.8是電池的放電系數(shù)，0.9是逆變器的轉換效率），即正常情況下，充滿電可以持續(xù)使用約2.6 h。經計算，4.5AH容量的電池足夠多次搶修使用，能夠滿足現(xiàn)場需求。

圖4 整體結構圖

逆變器部分，考慮設備需要做到在線檢測，必須能夠承受一定的負荷，設定檢測儀能夠承載線路上直連的小負荷設備，因此選擇逆變器功率300 W。但這不包括承受居民用電負荷，因此在使用時應先切斷居民家庭用電負荷。

3.2 操作面板

故障檢測儀的面板設計遵循人性化設計的原則，操作面板由開關、表計及指示燈組成，采用了分區(qū)布置（見圖5），讓使用者能一目了然地找到所需功能鍵。

圖5 操作面板布局

4 故障檢測儀的試驗與應用

為檢驗故障檢測儀的可靠性，在實驗室分別模擬了線路的相間短路與漏電故障。

4.1 相間短路故障的查找

按以下步驟在實驗室模擬了相間短路故障的查找過程：

（1）在電纜分支箱出線側將A相與B相短接（模擬相間短路）。

（2）首先將負荷側開關全部斷開；打開檢測儀，搭好接線，將開關調至電壓檔位，在電表箱或者電纜分支箱中對被測線路進行測試；若測到A相與B相存在低阻抗狀態(tài)，判斷A相與B相短路。

（3）找到故障線路后，切換到電流檔位，對故障線路進行持續(xù)通電，利用鉗型電流表找尋故障的具體位置；隨著表箱前開關斷開，施加的1 A電流也隨之消失，即可判斷故障發(fā)生在電纜分支箱與電表箱之間這段電纜。

（4）最后使用兆歐表進行對比檢測，由于檢測時并未斷開電表，導致兆歐表讀數(shù)始終為0，無法檢測出故障。

4.2 漏電故障的查找

按以下步驟在實驗室模擬了漏電故障的查找過程：

（1）在實驗室中將一只四極開關斷開，并在其后側一處將零線與電表外殼短接。

（2）當檢測零線與地線絕緣性能時，觀測到零線與電表箱金屬外殼存在低阻情況，初步判斷零線與地線存在漏電故障。

（3）切換檔位，對故障線路施加1 A電流，利用鉗型電流表，迅速找到一戶電表的零線出線存在1 A電流。在拆除此零線后若故障消失，證明成功找到了故障位置，整個過程耗時僅5 min。

4.3 現(xiàn)場使用情況

根據(jù)班組實際搶修記錄，使用該故障檢測儀能準確查找到隱性故障，并大幅提升了故障排查速度，平均耗時從之前的243 min下降到20.6 min，達到了預期目標。

5 結語

通過對配電網常見故障進行分析，指出傳統(tǒng)的排除試送法和兆歐表檢測法存在的弊端，自行設計并研制以工頻交流電為檢測信號的故障檢測儀，經過實驗室試驗與現(xiàn)場實際使用證明，此設備成功解決了低壓隱性故障查找的難題。

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（本文編輯：方明霞）

Design and application of Fault Detector for Low-voltage System of Distribution Network

PAN Yichen，ZHOU Guoliang，JIA Bing
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

The paper introduces common faults in LV system of distribution networks and the corresponding handling methods.Besides，the paper indicates that there are disadvantages in traditional trial energization method and Megger detection method.Therefore，a fault detector that can simulate power-frequency alternate current and take it as detection signal is designed and developed.The paper introduces work principle，circuit design，and overall structure of the detector.Through verification in lab and field application，it is shown that the detector can help potential fault detection in distribution networks.

distribution network；fault detector；potential fault；short circuit；current leakage

TM76

：B

：1007-1881（2016）07-0069-04

2016-05-18

潘亦辰（1992），男，助理工程師，從事10 kV及以下電力系統(tǒng)故障搶修工作。