基于暫態錄波技術的線路故障在線監測系統在配網中的應用

王 勤，邱 輝，李大武

(國網上海市電力公司金山供電公司，上海 200540)

配電網線路一般由架空線路和電纜線路組成，具有輸電距離較長、分支線路眾多、網絡拓撲結構復雜、外部環境和氣候條件較惡劣等特點，是最易發生故障的系統之一。配電網線路故障類型以短路故障和單相接地故障居多，而單相接地故障是配電網中最容易發生且最難查找的故障[1]。

當配網發生故障時，常用的處理方式是故障定位、故障區域隔離和非故障區域恢復送電，但是由于無法準確、快速地定位故障區域，只能依靠運行檢修人員人工巡線查找，故障查找時間會超過修復故障時間，導致故障處理時間較長。

故障指示器可以在線路發生故障時快速定位故障區段，從而縮短線路故障的響應和處理時間，提高了配網的供電可靠性。在線路運行正常時，故障指示器能夠監測配網線路的運行工況并上傳至配電主站系統，可對配電網運行方式的優化、用電負荷的合理控制提供依據。

1 小電流接地系統單相接地故障的檢測方法

我國配電系統(6～35 kV)中性點的接地方式除了小部分是經小電阻接地外，大部分是不接地或經消弧線圈接地，稱為小電流接地系統。小電流接地系統在單相接地時的準確選線及故障定位技術，各國均有一定研究，檢測單相接地故障的方法主要是以下幾種。

(1) 首半波法。首半波法原理是基于接地故障發生在相電壓接近最大值的瞬間假設的，采樣接地瞬間的電容電流首半波和電壓首半波，比較其相位。當采樣接地瞬間的電容電流突變且大于一定值時，并且與接地瞬間的電壓首半波同相，同時導線對地電壓降低，則判斷線路發生接地。該方法可檢測不穩定接地故障，但易受線路參數、故障初相角等因素的影響[1-2]。

(2) 零序電流比幅比相法。零序電流比幅比相法是小電流接地系統在發生單相接地故障后，流過故障線路上的工頻零序電流值最大且零序電流的方向與健全線路上的方向相反這一特點進行故障選線。這種方法受電流互感器不平衡電流影響，選線準確率不高。

(3) 暫態零序電流五次諧波法。通過檢測五次諧波電流的變化來判斷單相接地故障。其工作原理是當小電流系統發生單相接地故障時，含有鐵心的設備由于三相電壓不平衡而進入磁飽和狀態(磁化曲線在非線性區)，尤其是電壓互感器。這樣就會有大量諧波分量產生，其中五次、七次等奇次諧波分量較為突出[3-5]。消弧線圈是按照基波整定的，對五次諧波的干擾較小，但是其幅值較小，易受其他因素干擾，從而影響選線結果。

(4) 信號注入法。信號注入法無需考慮系統中性點的接地方式，當發生單相接地故障時，通過信號注入裝置向系統注入某一特征信號，信號注入裝置、大地、故障點形成了回路，故障指示器在檢測該特征信號后翻牌亮燈報警。

2 基于暫態錄波技術的線路故障在線監測系統

基于暫態錄波技術的線路故障在線檢測系統主要實現基于6～35 kV架空線路短路和接地故障的準確定位，工作過程如圖1所示。由配電主站系統、采集單元和匯集單元組成，綜合運用了先進的故障檢測技術、無線通信技術、計算機技術、網絡通信和信息建模等技術，能夠快速準確地在線檢測短路故障、接地故障，實時監測線路負荷、諧波等情況，并將所采集到的故障特征信息及故障瞬時波形發送到配電主站。配電主站系統軟件根據信息進行網絡拓撲計算分析確定故障區域，同時具備告警顯示、告警短信轉發、故障統計檢索和查詢等功能，從而引導維護人員快速準確地找到故障點。

為提高工作效率、減輕維護人員勞動強度，提供了一種強有利的手段，也能有效提高配電線路故障檢測的自動化和現代化水平，及時為線路安全性提供科學有效的依據。

圖1 工作過程示意圖

根據單相接地時的線路特征，通過采集線路中的相電場強度的突變值，觸發采集單元(暫態錄波型故障指示器)對線路負荷電流數據進行錄波，同時匯集單元對三相采集單元的錄波數據進行匯總合成零序電流波形，形成Comtrade錄波文件上送至配電主站。主站分析軟件提取其暫態分量和工頻分量，對故障線路與非故障線路的暫態電流波形進行對比(見圖2)，故障線路暫態電流波形不相似、極性相反；非故障線路暫態電流波形相似、極性一致；故障點上游的暫態電流波形相似、極性一致；故障點下游與上游的暫態電流波形相比，暫態電流不相似、極性相反。因此，可以運用多種算法比較相鄰采集單元暫態電流的相似度來確定故障區段。匯集單元能接收配電主站下發的故障數據信息，采集單元以閃光形式指示故障；當裝置判斷出接地故障處于安裝位置的上游和下游時，采集單元能就地采集故障信息和波形，以閃光形式指示故障，并且將故障信息和波形上傳至主站。

圖2 非故障線路和故障線路的暫態波形對比

3 系統應用

該系統應用于上海金山供電局張12桑園(下)線，全線安裝了4套暫態錄波型故障指示器，即4個監測點，分別是變電站出口1號桿、26號桿、49號桿和4-20號桿。通過4套暫態錄波型故障指示器將線路分割成4個區域。

張12桑園(下)線部分網絡拓撲圖見圖3。在某日張12桑園(下)線發生單相接地故障時，采集單元(暫態錄波型故障指示器)根據相電場強度突變同組觸發啟動錄波功能，同時匯集單元對三相采集單元的錄波數據進行匯總合成零序電流波形，形成Comtrade錄波文件上送至配電主站(見圖4至圖6)。通過在線監測系統對上送波形進行拓撲網絡分析，確定故障區域在26號桿和49號桿之間后系統自動將故障區域信息發送到巡線人員手機上，巡線人員立即前往故障區域進行故障點查找與修復，故障處理和恢復送電的時間約為20 min，比實施前可節省3/4的時間。

圖3 12桑園(下)線部分網絡拓撲圖

圖4 1號桿(故障點前)零序電流波形

圖5 29號桿(故障點前)零序電流波形

圖6 49號桿(故障點后)零序電流波形

4 效益分析

該項目實施后從故障發生到故障恢復時間縮短為小于20 min，極大地保證了售電量。同時，在實施后能夠有效地對配網系統進行監測，在發生故障時，能夠快速準確地判斷出故障區域，減少了人工巡線的環節，減少人力、物力等費用，提高了供電可靠性。

采用基于暫態錄波技術的線路故障在線監測系統后，配電主站系統可以實時顯示線路的運行狀態。當發生故障后，系統會在2 min內快速準確地判斷出故障區域并通過短信的形式告知巡線人員，提高了工作效率。

5 結語

基于暫態錄波技術的線路故障在線監測系統通過對配電線路運行狀態進行在線監測，可以獲取線路的運行參數，并具備短路故障的快速準確定位及對發生接地故障的時刻進行故障錄波的功能，提高了故障排除速度，縮短了停電時間，減少了停電損失，提高了配網的供電可靠性。

參考文獻：

[1] 陳彬，張功林，黃建業 . 配電自動化系統實用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

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