杜嚴(yán)行，景濤，韓博區(qū)

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司,寧夏 銀川 750411)

配電網(wǎng)空間分布呈點(diǎn)多面廣，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣的特點(diǎn)。小電流接地方式的配電網(wǎng)常常由于惡劣天氣、鳥類筑巢、設(shè)備老化絕緣降低、外物干擾、外力破壞等諸多因素導(dǎo)致接地故障頻發(fā)。單相接地故障輕則影響用戶供電質(zhì)量，重則引發(fā)配網(wǎng)大面積停電及人身傷害[1]。當(dāng)配電線路發(fā)生接地故障時，如何快速進(jìn)行故障定位并進(jìn)行及時查找排除，是配電搶修人員及配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行人員共同面臨的課題。本文論述了一種外施信號源型故障指示器的故障定位系統(tǒng)，重點(diǎn)探討了其故障定位技術(shù)，提出了一種工程應(yīng)用評價指標(biāo)，并對實(shí)際工程應(yīng)用情況進(jìn)行了評價。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

外施信號源型故障指示器故障定位系統(tǒng)由外施信號源裝置、故障指示器(采集單元)、匯集單元(集中器)及配電自動化系統(tǒng)主站組成。如圖1所示。

圖1 外施信號型故障指示器故障定位系統(tǒng)組成

外施信號源裝置用來檢測單相接地故障，產(chǎn)生疊加在負(fù)載電流上的信號電流，若滿足故障特征則故障檢測裝置給出報警，從而指示出故障位置。

故障指示器安裝在配電線路上，監(jiān)測配電線路三相負(fù)荷電流，準(zhǔn)確識別線路負(fù)荷側(cè)短路故障和接地故障，具有遙信、遙測“二遙”功能。故障指示器配置射頻無線通信功能，與匯集單元通過短距離無線射頻雙向通信，可以將多個故障指示器的信息發(fā)到一個集中器上。

匯集單元(集中器)用來接收、處理采集單元上傳的配電線路故障、電流等信息，同時與配電自動化系統(tǒng)主站進(jìn)行通信。通過GPRS或者光纖將信息發(fā)送到遠(yuǎn)方主站，這樣故障指示器就具備了“二遙”通信功能，可以將“二遙”信息數(shù)據(jù)上傳至主站。

配電自動化系統(tǒng)主站是故障定位系統(tǒng)的核心控制平臺，與配網(wǎng)調(diào)度員之間建立可靠的人機(jī)界面，主站提供的“二遙”信息及數(shù)據(jù)處理結(jié)果是配網(wǎng)調(diào)度員進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)。

2 故障指示器的故障檢測判據(jù)

2.1 短路故障檢測

該型故障定位系統(tǒng)的主要設(shè)備是故障指示器單元，其故障檢測分為短路和接地檢測。當(dāng)配電線路發(fā)生相間短路時，變電站和故障點(diǎn)之間的回路上會流過大電流，繼電保護(hù)裝置啟動保護(hù)，線路跳閘。短路故障判據(jù)如下：

(1) 動作值條件。由于故障原因，配電線路中出現(xiàn)大突變電流ΔI≥It，其中It為突變電流啟動設(shè)定值，自適應(yīng)；ΔI為故障引起的突變電流值。

(2)持續(xù)時間條件。大電流持續(xù)時間0.02 s≤Δt≤3 s后，線路停電Δt為電流突變持續(xù)時間，反時限。

兩個條件為邏輯與的關(guān)系，圖2給出了突變電流值與持續(xù)時間滿足條件的動作區(qū)域圖像。

2.2 接地故障檢測

接地故障檢測主要配合信號源，檢測信號序列，使用信號源檢測接地故障為有源法，外施信號源安裝在變電站的接地變中性點(diǎn)(無中性點(diǎn)時則接在母線/出線上)。當(dāng)線路上任何一點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時，信號源檢測到故障信息后，自動短時投入動態(tài)阻性負(fù)載, 在變電站和現(xiàn)場接地點(diǎn)之間產(chǎn)生特殊的電流信號(小于50 A)，通過對電阻的編碼控制，產(chǎn)生疊加在負(fù)載電流上的編碼信號電流。變電站出線和線路分支點(diǎn)處安裝的架空線路采集單元檢測這個電流信號，若滿足以上故障特征就會產(chǎn)生動作。圖3給出了外施信號源裝置檢測單相接地原理。

圖2 短路故障檢測動作區(qū)域

圖3 外施信號裝置檢測單相接地原理

以C相接地故障為例：(1)先投入A相開關(guān)，故障相并入接地電阻，分流容性電流，消除非穩(wěn)定接地故障，若熄弧成功，則不再產(chǎn)生特征信號。(2)先投入電流超前相開關(guān)，按照特征信號波形產(chǎn)生4組特征信號，波形值大于某一值時，動作結(jié)束。(3)若接地故障未消失，再投入另一正常相開關(guān)，重新產(chǎn)生4組特征信號。外施特征信號應(yīng)符合文獻(xiàn)[2]中要求的規(guī)定。圖4給出了單相接地檢測推薦外施特征序列信號，推薦參數(shù)要求如下：ΔT1，120 ms(±30 ms)；ΔT2，800 ms(±30 ms)；ΔT3，1 000 ms(±30 ms)；ΔI=I2-I1，最小識別電流不大于10 A，每次單相接地故障產(chǎn)生的特征序列不少于4個。

3 外施信號裝置組成及其原理

外施信號源由高壓真空開關(guān)和高壓電阻組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(如C相)，信號源檢測到零序電壓超過定值，并持續(xù)5 s后，控制內(nèi)部的高壓開關(guān)閉合，這樣使高壓二極管和電阻通過大地接在故障相與其它健全相，從而使故障線路上的負(fù)荷電流又疊加一個有特殊規(guī)律的直流脈動電流信號，該電流流經(jīng)故障線路、接地故障點(diǎn)和大地返回信號源。掛在線路上的故障指示器檢測到該電流信號后自動翻牌，從而指示出接地故障點(diǎn)所在的出線、分支和區(qū)段。

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時，信號源內(nèi)的零序PT檢測到故障信號，隔離開關(guān)進(jìn)行盲投，投至非故障相時，接地點(diǎn)、大地、電流源、線路、變電站形成回路，電流源產(chǎn)生故障電流附加脈動信號。系統(tǒng)通過檢測附加信號，確定接地故障相，指示器檢測到脈動電流信號后，做出指示動作。

圖4 推薦外施特征序列信號

4 故障指示器應(yīng)用中存在的問題

4.1 故障指示器動作可靠性有待進(jìn)一步提高

當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用的配電故障指示器大多采用簡易TA或羅氏線圈來獲取故障時線路電流的突變[3]，但是配電故障指示器運(yùn)行環(huán)境惡劣，常常要面對比較復(fù)雜的電磁環(huán)境，譬如空間中存在著鄰相干擾或鄰線干擾，特別是在結(jié)構(gòu)緊湊的開關(guān)站或環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)干擾更為明顯，因此有必要從裝置硬件結(jié)構(gòu)以及故障檢測算法方面改進(jìn)故障指示器的抗干擾性能，進(jìn)一步提高故障指示器的動作可靠性。

4.2 故障指示器單相接地故障檢測準(zhǔn)確性不高

本工程應(yīng)用的故障指示器使用信號源檢測接地故障，信號源安裝在變電站的接地變壓器中性點(diǎn)(無中性點(diǎn)時則接在母線/出線上)。接地時常發(fā)生信號源裝置開關(guān)頻繁動作，由于機(jī)構(gòu)機(jī)械磨損及故障電弧等問題，若長期運(yùn)行，在發(fā)生接地故障條件下，整個裝置增加了運(yùn)行的安全風(fēng)險。從目前運(yùn)行來看，故障指示器單相接地故障檢測存在準(zhǔn)確性不高的現(xiàn)狀。

(1)現(xiàn)場發(fā)生單相接地故障。由于通信故障、故障指示器不在線、測量精度制約等問題，配電自動化系統(tǒng)并未報出信號，而實(shí)際接地。

(2)主站系統(tǒng)報故障指示器動作信號，通知運(yùn)維人員巡線后現(xiàn)場并未發(fā)生接地，存在誤報現(xiàn)象。

由于單相接地電流遠(yuǎn)比負(fù)荷電流小，受采集暫態(tài)零序電流時間同步、感知測量精度問題等因素影響，故障指示器單相接地故障檢測準(zhǔn)確性不高。

4.3 故障指示器供電不穩(wěn)定

一直以來，故障指示器的取電問題是制約其性能發(fā)展的瓶頸[4]。本工程應(yīng)用的故障指示器取電主電源為CT線路取電 ，后備電源為超級電容、電池。此種供電模式，對于架空型故障指示器，若安裝位置處于負(fù)荷電流較小的線路末端或夜間負(fù)荷較輕時，采用電流互感器取電方式難以維持裝置正常工作所需功率；若采用太陽能取能方式，在夜間或遇到陰雨天時，也難以維持裝置正常工作所需功率。因此，故障指示器一般都內(nèi)置有鋰電池，在正常取能不能維持裝置正常工作時提供能量，而鋰電池壽命有限，實(shí)際使用中電池一般只能維持工作3～5年，即使采用超級電容，也會存在充放電可靠性問題，這也是故障指示器受限的原因所在。

5 故障指示器工程應(yīng)用效果評價

5.1 評價指標(biāo)

為了更好地評價故障指示器的應(yīng)用效果，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，本文提出故障指示器工程應(yīng)用評價指標(biāo)，由于線路短路故障配置跳閘繼電保護(hù)，故評價指標(biāo)只針對單相接地故障。

5.1.1 接地正確識別率

定義接地正確識別率α為接地正確識別次數(shù)與實(shí)際發(fā)生接地總次數(shù)之比。計算公式為

(1)

式中：A1—接地正確識別次數(shù)；

A—實(shí)際發(fā)生接地總次數(shù)。

5.1.2 故障指示器在線率

定義故障指示器在線率β為在線故障指示器總數(shù)與實(shí)際安裝故障指示器總數(shù)之比。計算公式為

(2)

式中:Z1—在線故障指示器總數(shù);

Z—實(shí)際安裝故障指示器總數(shù)。

5.1.3 節(jié)約的巡線人工工時

假設(shè)在運(yùn)配電網(wǎng)平均每年發(fā)生單相接地次數(shù)為N次，每次派出2人進(jìn)行人工排除故障巡線，則安裝故障指示器節(jié)約的巡線工時數(shù)為

ΔT=2×N×λ×γ×Tb

(3)

式中:λ—發(fā)生單相接地巡線時間減少比例數(shù);

γ—配電網(wǎng)安裝故障指示器覆蓋率;

Tb—不借助故障指示器情況下平均查找接地巡線時間。

5.1.4 節(jié)約的短時停電費(fèi)用

假設(shè)在運(yùn)配電網(wǎng)平均每年發(fā)生單相接地次數(shù)為N次，每次選出接地線路歷時為m，單位為min，每分鐘平均損失電量為ΔE(kWh)，k為每千瓦時電量的售價(元/kWh)，則安裝故障指示器節(jié)約短時停電費(fèi)用為

F=k×N×m×ΔE

(4)

5.2 工程應(yīng)用評價

目前本公司所轄配電網(wǎng)已經(jīng)有14條配網(wǎng)線路安裝了共計217套故障指示器，均已接入配電自動化主系統(tǒng)主站，每套故障指示器分為三相，配置單相接地與永久短路故障檢測功能。基于5.1中所提評價指標(biāo)對這217套故障指示器進(jìn)行工程應(yīng)用效果評價，評價周期選取1年，以2018—2019年為統(tǒng)計周期，評價結(jié)果如表1所示。相比配電自動化的應(yīng)用效果[7]，故障指示器在節(jié)約的短時停電費(fèi)用方面比較少。

6 結(jié) 論

(1)當(dāng)前故障指示器工程應(yīng)用與實(shí)際理想效果還有一些差距，在故障指示器動作可靠性、檢測故障準(zhǔn)確性、故障指示器取電技術(shù)等方面還存在一些需要解決的問題。

(2)提出的故障指示器工程應(yīng)用效果評價方法可以作為今后故障定位系統(tǒng)故障指示器工程應(yīng)用效果的評價依據(jù)，可以較好地指導(dǎo)工程實(shí)踐應(yīng)用。

(3)隨著先進(jìn)通信技術(shù)，控制技術(shù)、檢測與傳感技術(shù)、電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，制約故障指示器技術(shù)瓶頸問題將會得到進(jìn)一步解決，故障指示器技術(shù)在配電網(wǎng)單相接地故障處理方面將會具有很好的應(yīng)用前景，應(yīng)用效果也將顯著改善。