故障指示器的檢測(cè)及應(yīng)用

肖開(kāi)偉+梁仕斌+田慶生+趙振剛+李川

摘要：故障指示器廠家多樣，其標(biāo)準(zhǔn)和功能各不統(tǒng)一，所以有必要在接入配網(wǎng)前對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行檢測(cè)，并統(tǒng)一其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了故障指示器的工作原理與其功能結(jié)構(gòu)，利用故障指示器綜合測(cè)試儀和其他相關(guān)設(shè)備對(duì)故障指示器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明此方法對(duì)故障指示器的檢測(cè)是有效的，故障指示器檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)能夠準(zhǔn)確地翻牌，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)后故障指示器接入配電網(wǎng)后的運(yùn)行情況良好，能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)故障并上報(bào)主站系統(tǒng)。從而驗(yàn)證了此故障指示器監(jiān)測(cè)方法的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：故障指示器；故障監(jiān)測(cè)；故障定位

O 引言

配電線路傳輸距離遠(yuǎn)，支線多、大部分是架空線和電纜線，環(huán)境和氣候條件惡劣，設(shè)備故障和雷電等自然災(zāi)害常常造成故障率較高。一旦出現(xiàn)故障停電，首先給人民群眾生活帶來(lái)不便，干擾了企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)；其次給供電公司造成較大損失；再者一條線路距離較長(zhǎng)，分支又多，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，查找故障，非常困難，浪費(fèi)了大量的人力，物力。

配電線路故障定位及在線監(jiān)測(cè)（控）系統(tǒng)主要用于中高壓輸配電線路上，可檢測(cè)短路和接地故障并指示出來(lái)。而在配電線路故障定位及在線監(jiān)測(cè)（控）系統(tǒng)中，故障指示器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)線路的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)線路故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，并做翻牌動(dòng)作。而且故障指示器與其他配電自動(dòng)化設(shè)備相比，具有體積小成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以縮減故障點(diǎn)的查找時(shí)間、故障排除時(shí)間及恢復(fù)正常供電時(shí)間，從而提高供電的可靠性。因此，故障指示器在配電網(wǎng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

隨著電網(wǎng)自動(dòng)化改造的深入和電網(wǎng)配電建設(shè)投資比例的增加，配電網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展推動(dòng)了配電線路故障定位系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)主要由故障指示器和信號(hào)源。文獻(xiàn)[1]介紹了我國(guó)配電線路故障指示器的特點(diǎn)，分析了目前故障指示器有待解決的問(wèn)題。并提出制定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范市場(chǎng)的建議。文獻(xiàn)[2]對(duì)目前國(guó)內(nèi)二合一的故障指示器檢測(cè)故障的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)故障指示器的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3]論述了配電系統(tǒng)故障指示器的原理及其特點(diǎn)，運(yùn)行安裝配置原則，提出了故障指示器試驗(yàn)方法和改進(jìn)建議，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。文獻(xiàn)[4]提出了一種可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)配電線路故障指示器功能的檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析了故障指示器常見(jiàn)的不合格原因。從而加大了故障指示器入網(wǎng)質(zhì)量的把關(guān)力度，有效提高了故障指示器的入網(wǎng)質(zhì)量和可靠性。以故障指示器進(jìn)行故障定位的系統(tǒng)已經(jīng)是我國(guó)配電線路故障監(jiān)測(cè)的重要方法，并且越來(lái)越普遍。以后還會(huì)有更多的故障指示器接入配電網(wǎng)中，所以在故障指示器接入實(shí)際配電網(wǎng)之前非常有必要對(duì)其功能進(jìn)行檢測(cè)，從而能夠保證配電線路故障指示器安全、穩(wěn)定、可靠地接入配電網(wǎng)中。

1 故障指示器的檢測(cè)原理

故障指示器主要安裝在線路分支點(diǎn)和用戶(hù)進(jìn)線處當(dāng)線路發(fā)生短路故障或單相接地故障時(shí)，能夠發(fā)出報(bào)警是示，從而使檢修人員迅速定位故障點(diǎn)，為盡快排除故障，恢復(fù)線路供電提供了有力保障。但是長(zhǎng)期以來(lái)故障指示器廠家多樣，又缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。所以導(dǎo)致了故障旨示器的性能也有所差別，限制了故障指示器在實(shí)際中的應(yīng)用。依據(jù)Q/GDW436-2010《配電線路故障指示器支術(shù)規(guī)范》的要求，故障指示器的檢測(cè)試驗(yàn)分為型式試僉、出廠試驗(yàn)和抽查試驗(yàn)三種。型式試驗(yàn)包括外觀與結(jié)勾檢查、額定工頻耐受電壓、功能性能試驗(yàn)、電氣性能式驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)、高溫性能試驗(yàn)、交變濕熱試驗(yàn)、辰動(dòng)耐久試驗(yàn)、傾斜跌落試驗(yàn)、電氣壽命試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場(chǎng)轄射抗擾度試驗(yàn)、浪涌（沖機(jī)）抗擾度試驗(yàn)、臨近干擾試驗(yàn)、耐受短路電流沖擊試僉、著火危險(xiǎn)試驗(yàn)、功率消耗試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)、卡戔結(jié)構(gòu)的握力試驗(yàn)等20項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，功能性能式驗(yàn)，直接關(guān)系著掛網(wǎng)運(yùn)行的故障指示器能否在一般情況下正常工作。

故障指示器功能性能測(cè)試的檢測(cè)方法主要有兩類(lèi)：現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)方法和電流模擬試驗(yàn)方法。而其中現(xiàn)場(chǎng)模擬的試驗(yàn)方法存在安全隱患，試驗(yàn)時(shí)場(chǎng)地占地大，并且僅可以試驗(yàn)有限的故障指示器的短路故障功能和短路故障重合間識(shí)別功能，所以在實(shí)際中應(yīng)用較少。而電流模擬試驗(yàn)方法為目前所普遍采用的故障指示器試驗(yàn)檢測(cè)方法。該實(shí)驗(yàn)方法是用已有的試驗(yàn)設(shè)備故障指示器綜合測(cè)試儀，將故障指示器掛在該設(shè)備的升流線圈上，并在通過(guò)計(jì)算機(jī)給測(cè)試儀設(shè)定特定的狀態(tài)序列，即設(shè)定各電流狀態(tài)和持續(xù)時(shí)間。接著測(cè)試儀輸出給定電流，依據(jù)設(shè)定的狀態(tài)序列發(fā)生變化，模擬線路運(yùn)行情況，使掛在升流線圈上的故障指示器感應(yīng)到大電流的輸出變化，然后通過(guò)人眼觀察故障指示器是否正確動(dòng)作。此種方法具有較高的安全性，且可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直接試驗(yàn)，占用場(chǎng)地小。

2 故障指示器的結(jié)構(gòu)和功能

故障指示器監(jiān)測(cè)配電線路的原理是：依據(jù)安裝在配電線路的故障傳感器所檢測(cè)的故障信息來(lái)確定故障區(qū)域；通過(guò)監(jiān)測(cè)線路的過(guò)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)相間短路故障的定位；通過(guò)監(jiān)測(cè)零序電流幅值并分析幅值與相位的關(guān)系，或測(cè)量線路周?chē)臻g電場(chǎng)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單相接地故障的定位。

當(dāng)配電網(wǎng)的線路的某一相穿過(guò)卡線環(huán)，里面流過(guò)交流電（220V，lOkV或35kV）時(shí)，外部CT相當(dāng)于電流互感器的鐵芯，內(nèi)部產(chǎn)生隨著交流電變化的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)通過(guò)外部CT環(huán)穿過(guò)感應(yīng)繞阻，使其產(chǎn)生感應(yīng)電流：設(shè)一次側(cè)的繞阻Ni，二次側(cè)的繞阻N2，一次側(cè)流過(guò)的電流I1，二次側(cè)流過(guò)的電流I2，由電磁感應(yīng)原理：通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電流的變化來(lái)對(duì)線路故障進(jìn)行判定。

故障指示器由一個(gè)CT控制模塊，433通信模塊，電源管理模塊，超級(jí)電容構(gòu)成，太陽(yáng)能電池板構(gòu)成。電源管理模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理整個(gè)故障指示器的電源供給，支持太陽(yáng)能電池板取電和在線CT取電，當(dāng)線路取電情況或太陽(yáng)能電池板充電情況較好時(shí)優(yōu)先采用CT供電和太陽(yáng)能電池板為其他模塊供電，并為超級(jí)電容充電。當(dāng)線路取電情況或太陽(yáng)能電池板充電情況不好時(shí)，讓超級(jí)電容放電為其他模塊供電。

CT的另外一個(gè)作用是作為電流的采集單元，將采集的電流值反饋到控制與驅(qū)動(dòng)模塊，采集頻率為800Hz。故障指示器通過(guò)CT采集感應(yīng)的電流進(jìn)行進(jìn)行判定，當(dāng)滿(mǎn)足一定的邏輯時(shí)，判定為線路短路故障和接地故障。電流的測(cè)量過(guò)程使用互感器和整流電路將待側(cè)的交流的大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流的小電壓信號(hào)，然后利用運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為0至3V的電壓信號(hào)，由控制與驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器來(lái)采集。AD模塊將信號(hào)傳人控制模塊進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)控制模塊識(shí)別到符合故障的邏輯時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)使翻牌，同時(shí)組織故障報(bào)文傳輸給射頻通信模塊，通過(guò)射頻通信模塊傳輸給通信終端。endprint

通信終端通過(guò)太陽(yáng)能電池板，超級(jí)電容，充電電池給433射頻通信模塊，GPRS通信模塊，控制模塊進(jìn)行供電。當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板給超級(jí)電容或充電電池充電，再由超級(jí)電容或充電電池供電。通信終端通過(guò)433射頻通信模塊接收故障指示器傳過(guò)來(lái)的信息，再將這些信息通過(guò)基于101規(guī)約制定的協(xié)議組成報(bào)文，由過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送給主站。

一般故障指示器3只為一組，分別部署在線路的A、B、C三相上。多組故障指示器和一臺(tái)通信終端構(gòu)成一個(gè)子站，一個(gè)子站可以對(duì)配網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)若干個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)量監(jiān)測(cè)與突發(fā)監(jiān)測(cè)。

3 故障指示器的監(jiān)測(cè)、分析與應(yīng)用

3.1 檢測(cè)使用的主要設(shè)備

為了能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)信號(hào)源裝置的性能和功能，其檢測(cè)的設(shè)備要準(zhǔn)備好，主要用到的設(shè)備有故障指示器綜合測(cè)試儀、高低溫濕熱實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)顯式推拉力計(jì)、鉗形電流表、萬(wàn)用表、T頻磁場(chǎng)發(fā)射器、靜電放電測(cè)試儀、振鈴發(fā)生器等。

3.2故障指示器的功能性能檢測(cè)

在故障指示器的功能性能檢測(cè)試驗(yàn)中，需要進(jìn)行四大項(xiàng)試驗(yàn)，分別是模擬相間短路故障試驗(yàn)、模擬單相接地故障試驗(yàn)、防誤報(bào)警試驗(yàn)、最小不動(dòng)作電流試驗(yàn)。

（1）模擬相間短路故障試驗(yàn)

將A、B、C三相三只故障指示器手T掛在故障指示器綜合測(cè)試儀的線圈上，然后故障指示器綜合測(cè)試儀中的負(fù)荷電流設(shè)置成如下圖2所示。其中共設(shè)置三組參數(shù)，第一組參數(shù)：I1=lOA、I2 =160A、At=0.5s；第二組參數(shù)：I1_lOA、I2=10A、At=40ms；第三組參數(shù)：11=500A、I2=10A、At=0.5s；并且每組數(shù)值重復(fù)3次，然后觀察并記錄三只故障指示器的翻牌情況。

（2）模擬單相接地故障試驗(yàn)

對(duì)故障指示器施加AI為10A-50A的電流信號(hào)序列，故障指示器正確動(dòng)作率100%。電流信號(hào)序列波形如圖3所示，其中，t0、Ty、t。、ATi、AT2、AT3允許正負(fù)誤差10%。各參數(shù)代表含義如下。I，：負(fù)荷電流；AI：電流倍號(hào)序列幅值；t0：?jiǎn)蜗嘟拥毓收习l(fā)生時(shí)刻；Ty：信號(hào)源啟動(dòng)延時(shí)，默認(rèn)值為Ss；t。：信號(hào)源動(dòng)作后閉鎖時(shí)刻；AT：開(kāi)關(guān)設(shè)備投入時(shí)間，默認(rèn)值為200ms；Tn：開(kāi)關(guān)設(shè)備第一次投入到最后一次分閘時(shí)間，Tn默認(rèn)值為9350ms； AT2、AT3：開(kāi)關(guān)設(shè)備投切間隔時(shí)間，AT2默認(rèn)值為lOOOms、AT3默認(rèn)值為1250ms。將電流信號(hào)序列數(shù)值重復(fù)3次，然后觀察并記錄三只故障指示器的翻牌情況。

（3）防誤報(bào)警試驗(yàn)

防誤報(bào)警試驗(yàn)即當(dāng)這些電流波形通過(guò)故障指示器的時(shí)候故障指示器不能有動(dòng)作，如果有動(dòng)作，則不合格。防誤報(bào)警試驗(yàn)分為模擬線路突合負(fù)載涌流試驗(yàn)、非故障相重合閘、負(fù)荷瞬時(shí)突變，模擬人工投切大負(fù)荷、空載合閘勵(lì)磁涌流這五項(xiàng)。如圖4所示。其中圖（a）模擬線路突合負(fù)載涌流試驗(yàn)中11_610A、I2=10A、At=0.2s；圖（b）非故障相重合閘試驗(yàn)中I1_lOA、合閘后電流I2=610A、At=0.5s；圖（c）負(fù)荷瞬時(shí)突變?cè)囼?yàn)中I1=lOA、I2=610A、At=0.2s；圖（d）模擬人工投切大負(fù)荷試驗(yàn)中I1=lOA、I2=610A、At=3s；圖（e）空載合閘勵(lì)磁涌流試驗(yàn)中I，=600A、At=0.2s。將每個(gè)試驗(yàn)中的數(shù)值重復(fù)3次，然后觀察并記錄三只故障指示器的翻牌情況。

（4）最小不動(dòng)作電流試驗(yàn)最小不動(dòng)作電流試驗(yàn)的波形如圖5所示，其中I₁=lOA、I₂=80A、△t=ls。將其試驗(yàn)重復(fù)3次，然后觀察并記錄三只故障指示器的翻牌情況。

以上每個(gè)試驗(yàn)都要進(jìn)行三次，需要測(cè)A、B、C相三只故障指示器，如果所有試驗(yàn)都通過(guò)測(cè)試，那么表明故障指示器的功能性能達(dá)到合格要求，否則則需要重新檢查調(diào)試故障指示器直到通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試為止。

3.3 故障指示燈接入10KV線路應(yīng)用問(wèn)題

在云南省部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，其lOkV配網(wǎng)線路傳輸距離遠(yuǎn)，線路長(zhǎng)，分支多，沿途地勢(shì)復(fù)雜，環(huán)境和氣候條件惡劣。線路發(fā)生故障需要派工作人員到現(xiàn)場(chǎng)沿線查找故障位置，然后排除故障，這種方法消耗了大量的人力、物力，效率非常低，查找和消除故障的時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)這種情況，將故障指示器接入到lOkV配電線路中，幫助配電運(yùn)行人員查找故障。運(yùn)行結(jié)果表明，此故障指示器系統(tǒng)在lOkV配電線路中得到了廣泛的應(yīng)用，縮小了配電運(yùn)行人員的工作時(shí)間，提高了工作效率。

故障指示器具有快速定位故障、減少工作人員查找故障工作力度等特點(diǎn)，在配電線路中得到了廣泛的應(yīng)用，但生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的不同，使得其性能質(zhì)量差異較大。因此在故障指示器接入線路前很有必要對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。本文介紹了故障指示器的工作原理與其功能結(jié)構(gòu)，利用故障指示器綜合測(cè)試儀和其他相關(guān)設(shè)備對(duì)故障指示器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明此方法對(duì)故障指示器的檢測(cè)是有效的，故障指示器檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)能夠準(zhǔn)確地翻牌，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障指示器能夠檢測(cè)到信號(hào)源發(fā)出的特定電流信號(hào)，從而翻牌，并將故障信息上傳通信終端，進(jìn)而上報(bào)給主站。endprint