淺談?dòng)吞锛芸站€路故障定位應(yīng)用

王 崗

（珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東 珠海 510800）

油田供電線路大多以直配方式供電，架空線路居多，部分線路延伸較長(zhǎng)，特別是給偏遠(yuǎn)油井供電的線路；大多線路供電半徑比較大，分支線路多，線路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦線路發(fā)生故障，查找出具體故障所在的分支和故障點(diǎn)非常困難，少則幾小時(shí)，甚至數(shù)十小時(shí)，給原油生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如何快速定位故障區(qū)域，恢復(fù)送電，減少經(jīng)濟(jì)損失，是油田供電單位迫切解決的問(wèn)題。

1 現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代，故障指示器逐步應(yīng)用到油田架空線路中，通過(guò)故障翻牌指示的方式縮短故障排查時(shí)間，提高工作效率，但是其方式任然依賴(lài)于人工現(xiàn)場(chǎng)沿線排查，帶來(lái)的效益有限，不能滿足配網(wǎng)對(duì)供電可靠性的要求，沒(méi)有獲得用戶的廣泛認(rèn)可。

隨著技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是無(wú)線通信的廣泛應(yīng)用，使得故障信息的及時(shí)上送成為現(xiàn)實(shí)。

具有無(wú)線通信的架空型故障指示器掛接于配電架空線路的不同區(qū)位，檢測(cè)到故障時(shí)，通過(guò)翻牌、指示燈就地指示，并通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)通信將故障信息遠(yuǎn)傳至主站，在主站配合下判斷故障所在的出線、支線和區(qū)段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有的廠家推出了具有通信功能的故障指示器，故障指示器內(nèi)置短距無(wú)線通信模塊，與同樣具有短距無(wú)線通信模塊的專(zhuān)用通信終端通信，通信終端同時(shí)具有無(wú)線公網(wǎng)通信功能以連接主站，俗稱(chēng)“3+1”模式，即3個(gè)故障指示器加一個(gè)通信終端，通信終端供電采用蓄電池或太陽(yáng)能板，安裝在距離故障指示器較近的位置，如塔桿上。也就是說(shuō)，這些廠家的故障指示器自身沒(méi)有遠(yuǎn)距離無(wú)線通信功能，數(shù)據(jù)信息先通過(guò)短距無(wú)線通信傳輸至通信終端，再由通信終端傳輸至主站。因?yàn)閼敉膺\(yùn)行環(huán)境惡劣，通信終端的供電、安裝存在一系列問(wèn)題：蓄電池維護(hù)難度大，低溫情況下電池?zé)o法正常工作，太陽(yáng)能板安裝繁瑣且受灰塵與陰雨天氣影響大、通信終端戶外塔桿安裝工作強(qiáng)度大且在防雨防塵防振防雷等方面要求高，因此，通信終端的制造成本、安裝成本、維護(hù)成本都較高，這種“故障指示器+通信終端”的模式在電力行業(yè)的應(yīng)用中存在較多的詬病。

因此研發(fā)“免維護(hù)”要求的高可靠性故障指示器提上日程，“免維護(hù)”特指現(xiàn)場(chǎng)裝置免維護(hù)，只要安裝調(diào)試完成，后期不需要進(jìn)行其他現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作。

2 基于無(wú)線通信的免維護(hù)故障指示器應(yīng)用

秉承“免維護(hù)”的要求，UT-6111架空型故障指示器（下稱(chēng)UT-6111）適用于35kV以下小電流接地系統(tǒng)的中壓配網(wǎng)架空線路，是一種具有無(wú)線公網(wǎng)通信功能的架空線路故障指示器，采用了無(wú)線短距（RF）通信及無(wú)線遠(yuǎn)傳一體化技術(shù)，掘棄了通信終端，無(wú)需蓄電池及太陽(yáng)能板，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品免維護(hù)，可簡(jiǎn)稱(chēng)為“3+0”模式。實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)架空線路的短路與接地故障檢測(cè)、上下電與斷線檢測(cè)、就地故障指示、負(fù)荷采集、高壓帶電指示功能，負(fù)荷信息和線路故障信息可通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)通信遠(yuǎn)傳至配網(wǎng)主站，從而實(shí)現(xiàn)故障定位和數(shù)據(jù)采集的功能。

2.1 故障定位原理

1）短路故障檢測(cè)

短路檢測(cè)：如圖由2#線B相2、5、8指示器和C相3、6、9指示器翻紅牌顯示而11指示器和12指示器仍為白色，即可判斷出D點(diǎn)發(fā)生短路故障。

檢測(cè)方法采用過(guò)流速斷定值法，同時(shí)保留傳統(tǒng)的自適應(yīng)法，如圖1所示。

圖1

自適應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)跟蹤負(fù)荷電流大小，不用整定參數(shù)。其缺點(diǎn)一：在兩相接地、過(guò)流或過(guò)負(fù)荷短路情況下，短路電流是逐漸增大的，指示器因無(wú)法檢測(cè)到電流突變而導(dǎo)致拒動(dòng)；其缺點(diǎn)二：線路長(zhǎng)，短路電流小，指示器因無(wú)法檢測(cè)到電流突變而導(dǎo)致拒動(dòng)。

過(guò)流速斷定值法與變電站微機(jī)保護(hù)裝置的故障檢測(cè)原理一致，克服了自適應(yīng)法的缺點(diǎn)。

兩種方法都增加了充電判據(jù)和電壓條件，使線路送電、停電判斷更可靠，可防止重合閘期間，非故障線路（分支）因重合閘涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)，可防止空載合閘涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)，可防止負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的誤動(dòng)，可防止大負(fù)荷投切導(dǎo)致的誤動(dòng)，可防止相鄰線路干擾導(dǎo)致的誤動(dòng)，提高了短路檢測(cè)的正確率。

2）接地故障檢測(cè)

接地檢測(cè)：如圖由2#線C相3、6、9指示器翻牌顯示而12指示器仍未動(dòng)作，即可判斷出D點(diǎn)發(fā)生接地故障，如圖2所示。

圖2

該方法的特點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)線路首半波尖峰電流、線路電壓的變化，并根據(jù)尖峰電流的方向區(qū)分是否接地。

為了防止人工合分閘（停電、投切負(fù)荷等）、保護(hù)跳閘和自動(dòng)重合閘期間，非故障線路（分支）因三相開(kāi)關(guān)動(dòng)作不同期的單相暫態(tài)涌流導(dǎo)致誤動(dòng)，指示器增加了“充電判據(jù)”，帶電穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)秒以后檢測(cè)故障；同時(shí)增加了“不停電判據(jù)”，只有檢測(cè)到線路不停電以后才會(huì)給出接地故障告警。

2.2 產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）CT取電技術(shù)

由取能 CT從母線上感應(yīng)取電，在母線一次側(cè)電流大于 5A時(shí)，二次側(cè)可有感應(yīng)電流流過(guò)，經(jīng)過(guò)全波整流之后得到直流，然后通過(guò)降壓型得到所需的電壓。該穩(wěn)壓器要求靜態(tài)工作電流小，轉(zhuǎn)換效率高。為了防止 CT飽和，增加輸出電壓取樣和能量泄放電路。

CT二次側(cè)輸出的是交流電流信號(hào)，還要經(jīng)整流回路輸出直流信號(hào)供穩(wěn)壓電源使用。為了防止 CT飽和以及過(guò)壓損壞器件，還需要增加過(guò)壓防飽和電路。

CT的防飽和，過(guò)電壓保護(hù)。在發(fā)生相間短路故障時(shí)，一次側(cè)出現(xiàn)大電流，容易引起 CT飽和。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮能量泄放電路。原理是檢測(cè)二次側(cè)在負(fù)載上的壓降，當(dāng)該壓降大于 9V時(shí)，打開(kāi)二次側(cè)回路開(kāi)關(guān)，使得二次側(cè)形成短路，多余的能量通過(guò)二次側(cè)的短路得到泄放。

2）利用感應(yīng)方式測(cè)量電壓

利用磁芯和電路板的地兩者感應(yīng)電場(chǎng)形成的壓差來(lái)采集電壓。如圖所示，電容Cs是磁性和電路板的地之間形成的寄生電容，它與取樣電阻R串聯(lián)，電路板地平面對(duì)大地電容之間的寄生電容為C0。Vout為測(cè)量電壓。感應(yīng)測(cè)量電壓的大小與磁芯之間距離，磁芯面積大小，以及它們之間的絕緣介質(zhì)相關(guān)，感應(yīng)方式測(cè)量電壓示意圖如圖3所示。

圖3

3）低功耗技術(shù)

UT-6111在一次側(cè)停電的情況下由備用電池供電，在負(fù)荷電流大于5A時(shí)，CT開(kāi)始供電保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了延長(zhǎng)裝置的使用壽命，必須要求UT-6111進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。針對(duì)系統(tǒng)的低功耗，硬件設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：

一方面，選用大功率大容量鋰亞電池作為備用電池。為了在停電狀態(tài)下，裝置還能正常工作，必須保證備用電池能夠提供足夠的功率給系統(tǒng)使用。因?yàn)橥ｋ姇r(shí)，CDMA（GPRS）需要和遠(yuǎn)端服務(wù)器通信，而CDMA(GPRS)工作時(shí)的平均電流較大，瞬間大電流可以達(dá)到 1.5A以上，而且還要求 CDMA（GPRS）正常通信保持5年以上，普通容量的電池?zé)o法滿足這個(gè)要求，所以，選擇大容量鋰亞電池作為備用電池。

另一方面，選用低功耗芯片。CPU選用超低功耗32位MCU芯片，負(fù)責(zé)信號(hào)采集處理、控制及通信部分，在低功耗模式運(yùn)行時(shí)，降低主頻，關(guān)斷外圍I/O口。ZIGBEE模塊選用低功耗模塊。上、下拉電阻盡量選用100k以上的歐姆電阻。

3 建立故障定位系統(tǒng)

圖4

為解決運(yùn)行人員故障查找費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，建設(shè)基于無(wú)線通信的故障定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線路故障信息的快速回送，通過(guò)系統(tǒng)快速定位故障位置，縮短故障查找時(shí)間，提高工作效率，提高配網(wǎng)的供電可靠性指標(biāo)。

故障定位系統(tǒng)可以幫助電力運(yùn)行人員實(shí)時(shí)了解線路上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流（負(fù)荷電流、短路動(dòng)作電流、首半波尖峰電流、接地動(dòng)作電流、電纜線路穩(wěn)態(tài)零序電流、電纜線路暫態(tài)零序電流）、線路對(duì)地電壓（對(duì)地絕緣）、高壓線或電纜頭溫度的變化情況，在線路出現(xiàn)短路、接地、斷線、絕緣下降等故障或者異常情況下給出聲光或者短信通知報(bào)警，通知電力運(yùn)行人員迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。故障定位系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

故障定位系統(tǒng)由主站軟件系統(tǒng)、前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、故障檢測(cè)器、無(wú)線通信幾部分構(gòu)成。主站軟件工作站顯示配網(wǎng)線路的接線信息，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)器會(huì)將故障類(lèi)型、感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓等信息以無(wú)線的方式發(fā)送到主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)將這些信息顯示在接線圖上，并給出報(bào)警及可能的故障位置，同時(shí)將故障信息發(fā)送到故障排查人員的特定手持終端上，方便檢修人員現(xiàn)場(chǎng)故障排查，并為工作人員快速制定故障隔離計(jì)劃提供依據(jù)。

4 故障定位系統(tǒng)應(yīng)用的意義

油田采掘油井分布分散，供電線路也隨之延伸，因?yàn)槌杀驹颍芯€通信無(wú)法延伸到各個(gè)線路末端，同時(shí)難以獲取廉價(jià)戶外電源，大多數(shù)的自動(dòng)化終端裝置無(wú)法得到很好的應(yīng)用，設(shè)備操作及故障排查等大多數(shù)工作任然依賴(lài)于人工，通過(guò)故障定位系統(tǒng)來(lái)提高故障排查效率是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式。