故障指示器綜述

李永剛 張書偉 張志軍

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，配電網(wǎng)自動化的重要性越發(fā)突出，對故障定位、切除以及恢復(fù)供電的快速性要求越來越高。為了快速定位故障區(qū)段，縮短故障時間，故障指示器現(xiàn)已大量應(yīng)用的現(xiàn)在智能配網(wǎng)中。但使用效果并未達到預(yù)期，存在單項接地故障判別準確率低等問題。本文根據(jù)冀北張家口地區(qū)所采用的不同原理的故障指示器，綜合闡述了各種故障指示器不同原理的優(yōu)缺點，總結(jié)了當前故障指示器所要解決的問題，探究了未來故障指示器的研究方向。

關(guān)鍵詞：故障指示器;通信;故障定位;單相接地

一直以來，電網(wǎng)的可靠運行一直是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障，人民對電網(wǎng)供電可靠性的要求越來越高，但是之前對配電網(wǎng)絡(luò)的重視程度不夠，無論是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還是智能化程度，都十分薄弱。

然而，配電網(wǎng)覆蓋范圍廣，線路復(fù)雜，單純依靠人工巡線的方式查找故障費時費力，無法滿足快速恢復(fù)供電的實際要求。為了實現(xiàn)故障的快速定位，部分故障指示設(shè)備投入到配電網(wǎng)中，而最有代表性的就是故障指示器。

1 故障指示器簡介

故障指示器用于故障發(fā)生后快速定位故障區(qū)段，它實時檢測線路的電氣量，通過一定的故障判別算法，當故障發(fā)生時發(fā)出警示。為了能夠快速定位故障地點，往往人為地將配電網(wǎng)分成多個區(qū)段，當某一區(qū)段發(fā)生故障時，該區(qū)段及該區(qū)段至電源側(cè)所安裝的故障指示器均會發(fā)生報警信號。故障指示器可配置的遠程通訊方式分別為光纖通信、GPRS技術(shù)、3G/4G寬帶技術(shù)和ZigBee。

2 故障指示器分類

國內(nèi)市場上銷售使用的故障指示器種類繁多，型號復(fù)雜，根據(jù)故障指示器單相接地檢測原理，故障指示器可分為三種類型：外施信號型、暫態(tài)特征型和暫態(tài)濾波型。

2.1 外施信號型故障指示器

外施信號型故障指示器需要增加信號注入設(shè)備，在變電站或線路上安裝專用的單相接地故障檢測外施信號發(fā)生裝置。發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)零序電壓和相電壓變化，外施信號發(fā)生裝置自動投入，連續(xù)產(chǎn)生不少于4組工頻電流特征信號序列，疊加到故障回路負荷電流上，故障指示器通過檢測電流特征信號判別接地故障，并就地指示。雖然通過在單相接地故障發(fā)生時刻人為增大接地電流，提高了故障指示器的判斷能力，但會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和安全隱患，在實際應(yīng)用中已經(jīng)很少使用。

2.2 暫態(tài)特征型故障指示器

在發(fā)生單相接地故障時，故障相電壓會突然降低，線路的分布電容對地放電;非故障相電壓突然升高，線路分布電容開始充電。因此，在故障過程中具有顯著的故障特征量。

暫態(tài)特征型故障指示器采用突變量法檢測短路故障，暫態(tài)綜合判據(jù)法就是通過檢測多種故障特征量來判斷是否發(fā)生了單相接地接地故障，實現(xiàn)線路短路和接地故障就地判斷。由于需要快速準確地捕捉暫態(tài)量，暫態(tài)算法對于終端設(shè)備的處理能力有較高要求，而且各暫態(tài)算法的單相接地故障準確率不同，受限于終端處理能力，目前使用暫態(tài)算法的單相接地故障判斷準確率較低。

2.3 暫態(tài)錄波型故障指示器

暫態(tài)錄波型故障指示器也稱為智能型故障指示器，由采集單元、匯集單元和主站系統(tǒng)構(gòu)成。采集單元采集故障特征數(shù)據(jù)等信息，并將采集到的信息上傳至匯集單元;匯集單元接收、處理采集單元上傳的數(shù)據(jù)信息，并與主站系統(tǒng)進行通信。指示器在線路狀態(tài)發(fā)生異常改變時觸發(fā)錄波并上傳至主站，主站通過錄波數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)故障區(qū)段定位。

3 故障判別

配電網(wǎng)的線路故障主要是相間短路和單相接地短路兩種。

配電網(wǎng)線路發(fā)生相間短路故障時，線路電流會發(fā)生較大變化，可以較為簡便地區(qū)分。而配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，如何快速判斷和定位，是故障指示器一直以來沒有解決好的問題。

根據(jù)不同的原理，單相故障判別方法有很多種，但無法實現(xiàn)準確定位的原因主要有以下兩點：

（1）一些故障判別算法是建立在可以準確獲取線路電壓電流信息前提下的，而對于故障指示器而言，難以配合其在每個線路上都安裝電壓傳感器等設(shè)備。

（2）一些算法過于理想化，對硬件設(shè)備要求高，如諧波分量法，信號注入法等。

因此，上述這些檢測原理的指示器在實際中并未得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)調(diào)查，實際應(yīng)用的故障指示器的算法主要為暫態(tài)綜合判據(jù)法和信號源注入法。

暫態(tài)綜合判據(jù)法是通過檢測多種故障特征量來判斷是否發(fā)生了單相接地。接地故障指示器檢測的暫態(tài)信息特征包括：故障相電壓降低;暫態(tài)電容電流突變;接地瞬間出現(xiàn)高次諧波信號;接地瞬間暫態(tài)電容電流和相電壓有個固定的相位關(guān)系等。

采用信號注入法原理是在發(fā)生單相接地故障后，由信號源裝置主動向系統(tǒng)發(fā)送信號，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后，做出報警指示來檢測單相接地故障。

4 故障定位的難點

配電網(wǎng)故障定位一直是亟待解決的難題，且近年來分布式電源（DG）的接入和配電網(wǎng)架的日趨復(fù)雜化，使得故障定位的難度越來越大，目前基于故障指示器的故障定位難點如下：

（1）環(huán)網(wǎng)供電的故障定位。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，為了保證重要負荷的可靠供電，線路常采用閉環(huán)的供電方式。故障點不同，接收到的故障電流方向不一樣，難以形成有效的判據(jù)，無法實現(xiàn)準確、快速定位。

（2）含DG接入配電網(wǎng)的故障定位。分布式電源的大量接入，使得配電網(wǎng)的網(wǎng)架發(fā)生變化，與傳統(tǒng)配網(wǎng)單一電源供電的方式存在較大差異。而分布式電源具有波動性和隨機性，造成線路中的保護裝置無法整定;發(fā)生故障后，故障電流的方向也不確定，所以含有DG的配電網(wǎng)，很難實現(xiàn)故障的快速定位與切除。

5 下一步研究重點及建議

隨著智能配電自動化的發(fā)展，要求實現(xiàn)故障的自動定位、隔離和非故障區(qū)段的供電恢復(fù)。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。

當線路發(fā)生接地故障后，檢測到故障的故障指示器動作，并且將故障信息傳遞到通信終端，然后再以無線的方式傳送到監(jiān)控主站，主站對接收到達數(shù)據(jù)信息進行處理，對動作的故障指示器的地址信息進行糾錯、校正，最終通過

拓撲分析和計算的方法定位故障位置。

但由于我國配電自動化的總體水平不高，故障指示器系統(tǒng)尚不能接入變電站綜合自動化系統(tǒng)，通信系統(tǒng)仍為獨立的系統(tǒng)，調(diào)配中心不能對故障信息的實時采集與監(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。將故障指示器以合適的接入方式納入到配電自動化設(shè)備的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，與其他自動化終端結(jié)合，實現(xiàn)饋線自動化，這將是未來一個重要的發(fā)展方向。

故障指示器系統(tǒng)與配電自動化其他系統(tǒng)的結(jié)合也是今后的一個發(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，監(jiān)控主站通過拓撲分析計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，便于電路的維護和事故搶修;又可用來對配電網(wǎng)設(shè)施進行管理，便于設(shè)施信息的錄入、查詢和統(tǒng)計。

故障指示器系統(tǒng)以GIS為支撐平臺也可以集成在SCADA系統(tǒng)之中，形成故障定位GIS/SCADA一體化平臺，實時搜集故障指示器動作信息和網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)，還可以對配電網(wǎng)圖形包括電力線路、桿塔、開關(guān)、變電站、故障指示器進行編輯，從而更快捷的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能。

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作者簡介：李永剛（1988），男，河北張家口人，助理工程師，主要研究方向為配網(wǎng)自動化及其應(yīng)用;張書偉（1986），男，河北廊坊人，工程師，主要研究方向為配網(wǎng)防誤操作、智能配電網(wǎng)及交直流系統(tǒng)運行管理;張志軍（1991），男，河北張家口人，助理工程師，主要研究方向為配網(wǎng)自動化。