逯懷東 呂 平 謝榮昆 向珉江

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低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法

逯懷東 呂 平 謝榮昆 向珉江

（國網(wǎng)濟南供電公司，濟南 250200）

本文在對比現(xiàn)有線路在線故障檢測方法基礎上，從低壓配電網(wǎng)重要性、場景復雜性以及線路大截面低阻抗特性出發(fā)，研究了適合于低壓配電網(wǎng)特性SSTDR檢測方法，針對低壓配電網(wǎng)的接線方法提出了多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，通過站室智能終端間的配合、檢測終端與阻波器配合，實現(xiàn)了低壓電網(wǎng)的故障檢測與定位。該方法利用站室配電終端對低壓線路量測數(shù)據(jù)監(jiān)測起動故障定位，在故障情況下通過擴展頻譜時域反射波發(fā)生器可快速實現(xiàn)故障測距，再加以阻波器的配合可實現(xiàn)多個擴展頻譜時域反射波發(fā)生器分區(qū)端定位，可有效適應低壓線路T型連接及分支箱多分枝情況的故障定位時間與定位精度。

低壓故障定位；多分枝線路；擴頻故障時域反射波；阻波器

電纜是電力傳輸?shù)闹饕锢斫橘|之一，其引導電流由電阻最低的通道以最低損耗進行傳輸，保證了廣大用戶持續(xù)安全供電需求。交流電纜應用的電壓等級由0.4kV至750kV不等，不同于輸電網(wǎng)電纜長距離傳輸?shù)木€路特點，在距離用戶最近的低壓電纜供電半徑小，線路長度短，導線截面范圍大。在高電壓等級的輸電線路中因為主干網(wǎng)的作用，輸電走廊具有重要價值，其故障在線監(jiān)測技術發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，但是隨著近年來用戶對供電可靠性要求的不斷提高，我國低壓電纜的故障定位技術備受關注，也成為研究的主要關注點，但電纜不同電壓等級特點不同，低壓電網(wǎng)需要根據(jù)自身特點進行設計故障檢測方法。

電纜是電力系統(tǒng)連通的物理通道，是電力系統(tǒng)重要的基礎設施，也是運維檢修的關鍵，國內(nèi)外學者對電纜故障檢測做了大量研究，而低壓電纜線路距離短，線徑較大，具有多分枝特點，一直是電纜故障定位的難點。

現(xiàn)有電纜故障檢測方法較為常用的是低壓脈沖反射法和沖擊高壓閃絡法，其他方法目前應用尚不成熟[1-7]。在高電壓等級研究較為深入，目前已經(jīng)開展了詳細地仿真計算分析，實現(xiàn)了線路關鍵參數(shù)的離線分析診斷，提高了在線分析計算的參數(shù)精度[8]。中壓線纜主要是針對電纜頭與線路的小電流接地選線[9-10]，方法上沒有取得突破。

低壓線路故障相對于高壓和中壓有著較大區(qū)別，使用場景多，如水下、飛機、高鐵車輛及常規(guī)配電線路[11-14]，同時線路的線徑較大，距離較短，故障過程更為快速，因此在檢測方法上較中高壓有著不同要求，需要在傳統(tǒng)方法上進行改進或提出更為快速的檢測方法。傳統(tǒng)方法的改進包括低壓脈沖反射法、故障沖閃測試方法和脈沖跨步法等[15-16]。同時，人工智能方法也在故障檢測中逐步采用，如包含復合權重的電纜模糊綜合預警模型和小波包分析方法[17-19]，此類方法在某些特定情況下提高了檢測的精度和速度，但適應性差。此外，新型注入式檢測方法，故障時域反射波技術得到應用[14]，該種方法可適應短線路至長線路的較寬距離范圍，具有相當潛力，但在解決實際生產(chǎn)問題中尚處在探索階段，對實際場景理解不足。

本文針對配電站室至用戶電纜分支箱的低壓電纜線路故障定位開展研究，比較國內(nèi)外現(xiàn)有低壓線路故障定位方法，采用基于擴頻故障時域反射波的低壓故障定位方法，并據(jù)此提出主動型低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法。

1 STDR/SSTDR工作原理

電纜故障信號的時域反射分析法（STDR）在對時域反射法（TDR）方法的基礎上，發(fā)射為脈沖信號，可免疫噪聲，它適合于低壓電纜故障的在線檢測與定位。

設STDR/SSTDR方法中的PN序列為()，則測量端檢測到的信號為

其具體檢測框圖如圖1所示。

圖1 電纜的相關檢測模型

圖2中選用較好溫度特性的晶振作為主系統(tǒng)的時鐘源，驅動偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生相應頻率的PN碼。

圖2 STDR/SSTDR方法的基本原理圖

2 SSTDR測距方法

故障定位的范圍則可如式（3）所示：

（3）

故障鑒別能力用最小測量距離來表示，即

從式（2）還可以看出系統(tǒng)的測距能力有限，即有一個最大的測量距離：

（5）

設要求的設計指標為：最大故障定位距離8km，定位盲區(qū)2m，由式（2）至式（5）計算得到，所有PN碼的碼片持續(xù)時間為1/200MHz，PN序列長度應大于1000。

3 主動型低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位

在擴頻故障時域反射波的基礎上，本文提出了一種適用于主動低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，它采用擴展頻譜時域反射波發(fā)生器與被動式濾波器配合，通過站室智能配電終端協(xié)調(diào)管理實現(xiàn)低壓饋出線路故障精準定位，可解決離線式檢測方法在時間上的不足和常規(guī)在線式方法在多分枝線路的不足，實現(xiàn)結合網(wǎng)絡拓撲與建筑物線路布置圖的故障點快速查找與精準定位，降低現(xiàn)場破壞性查找的資源浪費。

由于低壓線路多分支，線路結構復雜，考慮到成本問題，故不采用每個末端線路均配置擴展頻譜時域反射波發(fā)生器，而是采用SSTDR放于線路首端，在線路末端配置阻波器，因為阻波器比SSTDR裝置成本較低，故此方案可以節(jié)約成本。具體線路配置結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構示意圖

線路的拓撲結構有變壓器、斷路器、母線、饋線及其分支，在每段線路配置擴展頻譜時域反射波發(fā)生器，如圖3的SSTDR1至SSTDR3，在每條線路的首末端配置阻波器，其中，SSTDR注入線路的信號頻率可在3～30MHz可設定，SSTDR的起動停止由站室終端設定，阻波器可濾除1MHz以上高頻信號，SSTDR的高頻信號在阻波器處將會被反射，可根據(jù)反射波從發(fā)射到接受的時間差判斷該線路電氣距離是否正常。在配電站室中配置站室終端，通過低壓電壓量測模塊獲取配電室的母線三相電壓有效值，通過低壓電流量測模塊獲取各條線路工作的三相電流有效值，配電站室可根據(jù)電壓電流值判斷哪條線路故障，并初步判斷故障類型。通過開關量輸入輸出模塊獲取各支路斷路器的狀態(tài)。站室終端由低壓電壓測量模塊、電流測量模塊或開關量輸入輸出模塊獲取數(shù)據(jù)的方式，為以太網(wǎng)通信，觸發(fā)條件為數(shù)據(jù)變化超過1%或開關量變位。

站室終端與每段母線配置的低壓電壓量測模塊和開關量輸入輸出模塊、每條支路的電流測量模塊進行通信，由站室側獲取低壓配電網(wǎng)絡運行狀態(tài)，當每秒母線三相電壓有效值跌落超過20%或支路斷路器位置信號為閉合但電流跌落至零，則起動該支路配置的SSTDR，發(fā)送擴展頻譜時域反射波進行故障測距，故障類型和故障位置通過以太網(wǎng)返回至站室終端，站室終端收到信號后記錄故障線路的名稱和位置，并自動發(fā)送給檢修人員。

本方法可適用于以下4種接線：

1）站室饋出線無分支，如圖1中L2的情況，只需在饋線首末端設置阻波器，饋線處設置SSTDR裝置，采用單線測量和檢測即可。

2）站室饋出線連接至分支箱，如圖1中L1的情況，在站室饋出線首端、分支節(jié)點末端，以及各分支的首末端設置阻波器，阻波器保證了SSTDR發(fā)送的擴展頻譜時域反射波被封閉在測量區(qū)間內(nèi)，保證測量的準確性，站室饋出線首端配置SSTDR裝置。

3）在T型連接線路的分支后主干處，如圖1的L3處，需要在主干處首端配置SSTDR裝置和阻波器。

4）在T型連接線路的分支后支路處，如圖1的L4處，在分支處的首端設置SSTDR和阻波器裝置。

4 區(qū)段故障定位方法

假設將故障點設置在線路L3，該線路接線較復雜，故障點在T接線路的分支后主干處，設其故障類型為短路，接線圖如圖4所示。當故障發(fā)生時的現(xiàn)象及其工作步驟如下。

圖4 系統(tǒng)實施案例示意圖

1）站室終端起動后，接收低壓電壓測量模塊、電流測量模塊或開關量輸入輸出模塊發(fā)送的測量信息，得到線路的電壓、電流和開關量信息。

2）在收到L5線路監(jiān)測到低壓電流測量模塊發(fā)送的電流變化信息后，確認開關量輸入輸出模塊發(fā)送的開關位置為閉合，以便區(qū)分是故障擾動還是開關動作擾動。

3）當每秒母線三相電壓有效值跌落超過20%或支路斷路器位置信號為閉合但電流跌落至零，站室終端起動SSTDR3、SSTDR4、SSTDR5、SSTDR6、SSTDR7，分別對應的向SSTDR裝置所在的線路發(fā)送擴展頻譜時域反射波進行故障測距，故障類型和故障位置通過以太網(wǎng)返回至站室終端。

4）站室終端收到線路L3安裝的SSTDR4發(fā)送的故障類型與故障位置，并排除其他線路故障可能性，將所得的故障信息進行記錄，并向檢修人員發(fā)送信息。

5 結論

本文對比了現(xiàn)有線路在線故障檢測方法，從低壓配電網(wǎng)重要性、場景復雜性以及線路大截面低阻抗特性出發(fā)，選用了適合于低壓配電網(wǎng)特性SSTDR檢測方法，在不影響現(xiàn)有低壓電網(wǎng)電能質量的前提下提高檢測精度與檢測速度，重點針對低壓配電網(wǎng)的接線方法提出了多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，通過站室智能終端間的配合、檢測終端與阻波器配合，實現(xiàn)了低壓電網(wǎng)的故障檢測與定位。

該方法可適應由中心配電室或柱上變壓器臺區(qū)到低壓用戶電能計量表前的低壓線路故障定位，通過站室配電終端對低壓線路量測數(shù)據(jù)監(jiān)測起動故障定位，正常狀態(tài)下無諧波注入，在故障情況下通過擴展頻譜時域反射波發(fā)生器可快速實現(xiàn)故障測距，再加以阻波器的配合可實現(xiàn)多個擴展頻譜時域反射波發(fā)生器分區(qū)端定位，有效適應低壓線路T型連接及分支箱多分枝情況，大大縮短故障定位時間，并提高定位精度，為故障檢修節(jié)約查找時間。

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Study on Section Faults Location Method of LV Multi-Branch Network

Lu Huaidong Lv Ping Xie Rongkun Xiang Minjiang

(Ji’nan Power Company of State Grid, Ji’nan250200)

Based on the comparison of the existing line fault detection method, the SSTDR detection method is engaged in low voltage distribution network characteristic, for the importance of low voltage distribution network, the complexity of the scene and the low impedance characteristics of the numerous LV lines. The section faults location method of lv multi-branch network is proposed based on SSTDR. The fault detection and positioning of the LV power network are realized by the cooperation between the intelligent terminal of the station and the detection terminal. The method can be used to monitor the fault location of the low-voltage line measurement data through the distribution terminal unit. In the event of a fault, the time-domain reflected wave generator can be quickly realized by the extended spectrum. It is effective to adapt to the fault location time and positioning accuracy of the T-type connection and the branch gearbox of the LV line.

LV fault location; multi-branch network; SSTDR; filter

逯懷東（1964-），男，山東省濟南市人，本科，主要從事智能配電運檢管理與技術研究工作。