單相接地故障指示器的應用

吳軍汝，李寶樹，梁仕斌，田慶生，代云洪

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網公司研究生工作站，昆明 650217)

單相接地故障指示器的應用

吳軍汝1，3，李寶樹1，梁仕斌2，田慶生2，代云洪3

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網公司研究生工作站，昆明 650217)

通過研究現有應用的 “暫態綜合判據法”和 “信號源注入法”檢測原理，發現這兩種方法適用于配電網常見的中性點不接地和經消弧線圈接地系統，且動作準確性高于其他檢測原理，應結合故障指示器的原理及網架結構的復雜程度，選擇與配網相適應的檢測原理及設備。然后通過對故障指示器的應用現狀分析，給出了故障指示器系統自身功能擴展及該系統接入配電自動化系統的發展方向的建議。

接地故障指示器；故障檢測方法；故障定位系統

0 前言

中低壓配電網一般為小電流接地系統，發生單相接地故障率占總故障率的85%以上，但由于故障特征復雜多變，選線和定位故障區段困難，嚴重影響著供電可靠性。故障指示器能夠實時監測線路的運行狀態，對線路故障進行快速準確定位，并發出報警指示。而且故障指示器與其他配電自動化設備相比，具有體積小、成本相對較低的優點。因此應用單相接地故障指示器進行故障定位作為故障選線與定位的一個重要技術手段，已經在我國很多地區得到了廣泛應用。

早期的故障指示器檢測單相接地故障的方法原理主要有：零序電流法、電容電流法、首半波法、5次諧波法等。這些檢測原理都依賴發生故障前后配電網絡參數的變化，但是這些原理的適用范圍都有一定的局限性[1]，如零序電流檢測法，在中性點經消弧線圈接地的系統中，零序電流的幅值和相位隨消弧線圈補償度的大小變化；首半波法從理論上就有死區等，影響了這些方法的準確性。因此，上述這些檢測原理的指示器在并未實際中得到有效應用。經過對廠家和用戶的大量調查，現在投入實際生產應用的故障指示器檢測方法主要為暫態綜合判據法和信號源注入法。

1 暫態綜合判據法

在單相接地故障出現的短時暫態過程中，故障相電壓突然降低會引起線路的分布電容對地放電，非故障相電壓突然升高使線路的分布電容充電，因此具有豐富和顯著的故障特征量，暫態綜合判據法就是通過檢測多種故障特征量來判斷是否發生了單相接地。接地故障指示器檢測的暫態信息特征包括：故障相電壓降低；暫態電容電流遠大于穩態電容電流幾倍到幾十倍；線路出現零序電流，在某個頻段內故障線路零序電流方向由線路流向母線；接地瞬間出現高次諧波信號；接地瞬間暫態電容電流和相電壓有個固定的相位關系；線路不停電等[2]。根據這些故障信息制定相應的判據：

1)線路中有突然增大的暫態電容電流，穩態電流值不小于I0。發生接地故障時，40 km的架空線路會產生1 A的穩態電容電流，3 A的暫態電容電流。可以將接地檢測的電容電流啟動值I0設為1 A，則只要同一母線下10 kV線路超過40 km，指示器就可以有效動作。

2)接地線路對地電壓降低幅值不小于△U。考慮到系統經過渡電阻接地的情況，電壓不會降為零。

3)可識別故障電流持續時間不小于△t。考慮瞬時接地的情況。

4)5次諧波電流突然增大。

5)暫態電流方向和瞬時無功功率方向相位比較。只有接地點之前的狀態能夠滿足設定值。

動作判據不局限于以上幾項，要根據指示器所安裝線路的實際網架結構、運行參數確定具體的判據和啟動值，如線路的長短不同，指示器的靈敏度不同，因此要根據線路長度設定啟動值[3]。

暫態綜合判據法一般可檢測接地電阻小于200 Ω的瞬時性接地故障和永久性接地故障；由于消弧線圈的特性，中性點經消弧線圈接地與中性點不接地的暫態過程是相似的，因此兩種接地方式都適用；也不會對系統運行造成影響。但要快速、準確捕捉暫態量，終端必須具備較高的測量和處理能力；由于靈敏度高，誤動的可能性較大一點。總體來講，暫態綜合判據法原理采集多種故障暫態信息作為判據，對大量數據進行橫向和縱向的比較，綜合分析出接地故障及故障位置，較早期的故障指示器提高了動作的準確率。

2 有源信號注入法

采用信號注入法原理是在發生單相接地故障后，由信號源裝置主動向系統發送信號，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。安裝在變電站的信號源可以安裝在10 kV開關室也可以裝在室外，它與故障指示器組成故障定位系統。此法不受系統運行方式、拓撲結構、中性點接地方式、以及故障隨機因素等的影響，適合于各種不同的小電流接地系統，不需要給故障指示器設定門檻值，對指示器的測量和處理能力要求不高。

2.1 “S”信號注入法

單相接地信號源裝置實時監測母線電壓和中性點電壓，在故障發生后，利用此時原邊被短接，暫時處于不工作狀態的接地相PT人為向系統注入一個基波頻率位于工頻n次與n+1次諧波 (n為正整數)之間特殊電流信號[4]。該信號只在故障相線路、接地點和大地之間形成通路，在非故障相及非故障線路則不流通，安裝在此故障通道上的故障指示器接收到這個特殊頻率的信號后就會發出動作指示。通過線路出口和故障通道上的故障指示器指示可以判斷故障出線、故障區段及故障分支。

“S”信號注入法不受消弧線圈的影響，不要求線路上裝設零序電流互感器，不增加一次設備。因此不影響系統運行，容易實施。但注入信號的強度受電壓互感器容量限制，當接地電阻較大時線路上分布電容會對注入的信號分流，給故障定點帶來干擾，所以不適合檢測高阻接地。如果接地點存在間歇性電弧現象，注入的信號在線路中將不連續，給檢測帶來困難。

2.2 中值電阻投切法

中值電阻投切法原理的信號源需要增加一次設備，主要由熔斷器、電壓互感器、交流高壓接觸器、中值電阻、控制器、二極管等幾部分組成。當信號源監測到系統發生單相接地故障 (一般為系統出現零序電壓超過設定啟動值，應與變電站絕緣監視整定值一致)時，高壓接觸器閉合，向系統投入中值電阻，每隔幾秒進行一次投切，這樣在故障線路故障相與系統母線間形成人為的故障工頻電流，且按中值電阻的投切規律變化，只在故障相的故障點上游和大地之間流通。安裝在故障通路上的指示器檢測到此故障工頻電流信號后就會發出動作指示。控制器會對返回的電流值進行判斷，投切過程中規定次數內電流均大于設定值則會認為投切成功，否則信號源要進行重發，以保證指示器能夠更加準確的動作。值得一提的是，信號源會延時幾秒投入，目的是在這幾秒內可以讓有消弧線圈的系統，在消弧線圈的作用下接地故障點自動熄弧，從而消除瞬時性故障。

信號源可以安裝在變電站或開閉站的室內或室外，二者的區別在于安裝于室內的信號源的高壓端與站用變壓器或PT相連接，適合于中性點

圖1 戶內型信號源故障指示示意圖

經調查，國內很多廠家生產的信號源為中值電阻投切注入信號。由于信號源是純阻性的，在接入系統后改變了接地時出現的諧振條件，這樣降低了發生單相接地時系統過電壓的幅值，也減輕了對信號源發出的特殊信號的干擾，增加了故障指示器動作的準確性。但畢竟人為增大接地電流，會增大對系統的安全隱患和對通訊系統的干擾。增加了系統的復雜性，且原因同 “S”注入法也不能檢測間歇性接地故障。

暫態綜合判據法與信號源注入法有各自的優點，對于網架結構比較復雜，單相接地故障成因多樣的系統來說，使用信號注入法定位故障是比較可靠的。各用電部門需根據自身地理環境、網架結構、設備配置管理機制等因素綜合考慮選用最適合的檢測方法。

3 故障指示器檢測的發展方向

隨著智能配電自動化的發展，要求實現故障的自動定位、隔離和非故障區段的供電恢復[5]。集成新技術的智能型故障指示器是故障指示器技術的發展方向，故障指示器應能主動將故障信息上傳至故障定位系統來實現故障自動定位。根據大量實際調查，現場安裝應用的故障指示器基本上已經都帶有通信功能。當線路發生接地故障后，動作的故障指示器會通過短無線把故障信息傳給經消弧線圈接地的系統；而安裝于室外的信號源高壓端與線路的出線端相連接，適合于中性點不接地系統。根據信號源內部所采用的算法不同，有的信號源需監測系統三相電壓，有的則只需監測兩相電壓。兩種信號源故障指示示意圖如圖1、圖2所示。信號源的工作接地和外殼保護接地分開接入接地網，并保證與接地網的可靠連接。通信終端，再以GPRS/GSM等無線方式，把信息發送到監控主站，主站對這些指示器地址信息進行糾錯、校正后，通過拓撲分析和計算找出故障位置。但由于我國配電自動化的總體水平不高，故障指示器系統尚不能接入變電站綜合自動化系統，通信系統仍為獨立的系統，調配中心不能對故障信息的實時采集與監控，指示器系統只作為故障定位的輔助判定裝置應用。

圖2 戶外型信號源故障指示示意圖

應尋求故障指示器系統在配電自動化系統的接入方式，真正作為一個配電自動化設備納入到生產管理系統中，與其他饋線終端單元結合，對實現饋線自動化起到一定的作用。故障指示器系統與配電自動化其他系統的結合也是今后的一個發展方向，如與 GIS(地理信息系統)和 MIS (管理信息系統)結合[6]，監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；又可用來對配電網設施進行管理，便于設施信息的錄入、查詢和統計。故障指示器系統以GIS為支撐平臺也可以集成在SCADA系統之中，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絡拓撲數據，還可以對配電網圖形包括電力線路、桿塔、開關、變電站、故障指示器進行編輯，從而更快捷的實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能。實現故障指示器系統與配電自動化系統的無縫集成。

就故障指示器系統本身來說，系統則向信息處理的全面性、一致性和可靠性方向發展。在短路接地 “二合一”指示器組成的一遙故障自動定位系統的基礎上對配電網實現遙信、遙測的二遙系統技術已經獲得突破，即增加線路電流的測量和監測功能，正常情況下監測負荷電流并定時上送，將提高該自動化方案的實用性，不需對一次設備進行改造。還可以在此基礎上發展三遙系統：由帶動作信號和測量數據遠傳、可遙控翻牌復歸的指示器、可遙控開關和采集開關狀態的數據采集器及其系統組成。能夠進行本地遠程雙向通訊，遠程GPRS，實現配電網線路的遙信、遙測和遙控，如響應服務器發來的遠程召喚指令，將線路的實時溫度、負荷信息傳送至服務器等。四遙系統采用的故障指示器還可以在線調整參數，實現配電網線路的遙信、遙測、遙控和遙調。

隨著無線網絡技術的微功耗化，近年來國內出現的依據微功率無線組網技術建立的通信自組網故障定位系統，微功率無線組網指示器根據檢測的線路負荷、故障電流及功率方向，能夠自動組成一個信息網絡、自動路由，下游的指示器將采集信息上傳至上一級的指示器，最后上傳至遠傳配變監測終端，終端將故障信息實時上報到主站定位系統。這樣則不用再安裝大量的通信終端，遠遠降低了運行費用，提高了性價比。

4 結束語

1)采用暫態綜合判據法和信號源注入法檢測原理的故障指示器能夠適用于配網常見的中性點不接地和經消弧線圈接地系統中，適用范圍廣，動作準確性高于其他檢測原理。暫態法依賴于系統特征量的變化，可檢測瞬時、間歇性故障，但對于配電網復雜的網架結構，該法尚不能完全掌握接地故障的變化特征，此時信號源法可靠性更高一些，但費用要高于前者。因此，應根據具體的網架結構，選擇與系統相適合的檢測原理設備，使指示器的動作準確性更加可靠。

2)、故障指示器系統具有成本低，實用性強的優勢。隨著其科技含量的提高和應用范圍的擴展，該系統其必將融合到配電自動化系統中，在故障發生后實現單相接地故障點的快速自動定位、隔離，在指導實際的生產中得到更加廣泛的應用，產生更大的社會和經濟效益。

[1] 張彩友.單相接地故障指示器技術現狀分析 [J].電網技術，2007，12(31)：280-283.

[2] 王清亮.單相接地故障分析與選線技術 [M].中國電力出版社，2013.

[3] 施偉斌.基于10 kV小電阻接地系統的架空線路接地故障指示器 [J].供配用電，2008(3)：96-98.

[4] 王慧，胡珂，桑在中.”S”與電壓互感器的特殊接線方式 [J].繼電器，2004，32(3)：26.

[5] 徐臘元.國內配網自動化綜述 [J].農村電氣化，2004，3.

[6] 劉樹德，鄭琰，楊鳳民.基于GIS的故障指示器實現線路快速故障定位 [J].供用電，2006，23(6)：33-35.

Analysis on Application Status of the Existing Single-Phase Grounding Fault Indicator

WU Junru1，3，LI Baoshu1，LIANG Shibin2，TIAN Qingsheng2，DAI Yunhong3
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.Graduate Workstation of Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Studying the exsiting application“transient synthesis criterion method”and“signal injection method”detection principle，found that the two methods is suitable for the common distribution network neutral point grounding and arc-supptession coil ground system.And the accuracy is higher than other principle.We shoud combine the principle of fault indicator with the complexity of the space truss structure to select appropriate principle and equipment to distribution network.Then through analyzing the present situation of fault indicator gives the proposal of development direction which is about system itself function extension and accsess to the distribution automation system.

grounding fault indicators；fault detection method；fault location system

TM75

B

1006-7345(2014)05-0062-04

2014-05-29

吳軍汝 (1989)，女，碩士研究生，華北電力大學，云南電網公司研究生工作站，研究方向為配電網故障在線監測與定位技術 (e-mail)wujunr7225＠126.com。