架空線路接地故障位置測量的方法分析及應用

周曉磊，吳婧涵

（國網河南省電力公司登封市供電公司，河南 登封 452470）

0 引言

在很多地區的配電網中，配電線路依然是采用架空線路的方式，雖然建設成本和電纜配電線路相比有所降低，但也容易出現故障，其中以發生接地短路故障次數較多，導致配電系統的供電可靠性下降為主。當架空配電線路發生接地故障時，需要快速鎖定接地故障點，從而快速將故障消除。采用本文所述的架空線路便攜式接地故障位置測量儀，來對接地故障位置進行測量及定位，可以有效降低接地故障處理時間[1]。本文首先分析了架空配電線路的運行現狀，之后闡述了具體的架空線路接地故障位置測量方法及實現原理，最后介紹了架空線路便攜式接地故障位置測量儀的應用，對于提高架空配電線路的運維技術水平具有一定的價值。

1 架空線路的運行現狀

架空配電線路運行在野外露天環境下，容易受到大風、鳥害、施工外破等因素的影響，線路跳閘事件時有發生，特別容易發生接地故障。雖然很多架空線路都進行了絕緣化改造，在一定程度上提高了架空配電線路運行的穩定性，但接地故障的情況還是時有發生。接地故障類型主要包括單相接地、二相接地以及三相接地，其中以單相接地在電力系統的運行實際中發生最為頻繁，而三相接地發生的概率相對較低，但是一旦發生三相接地短路，所產生的沖擊電流也較大，會對電力設備造成較大的損傷。

由于我們目前大多數的10kV架空配電線路都是采用小電流接地的方式。這種中性點接地方式的優點是當架空配電線路發生最為常見的單相接地故障之后，所產生的接地電流很小，不會使得架空配電線路的絕緣系統破壞。但是由于接地電流很小，也使得當線路發生接地之后，難以對接地故障的具體位置進行測量和定位[2]。當前對于架空線路的接地排查方法，依然是采用人工巡線的方式，這種方法較為耗時耗力，不符合智能配電網建設及運維的發展方向，以下介紹架空線路接地故障位置的便攜式測量方法。通過采用這種便攜式接地故障位置測量技術，可以在較短的時間內快速鎖定接地故障點，從而使得架空線路的運維人員能夠快速采取措施，恢復配電系統的正常供電。

2 架空線路接地故障位置測量的方法

2.1 架空線路接地故障位置測量的基本方法

當前我國對輸電線路的故障定位效果較好，但對于配電線路的故障定位還有待提高。由于配電線路的結構也更為復雜，存在著很多分支線，還分布了大量的配電變壓器，故具體的定位難度也較高。目前在架空線路接地故障的定位方法主要包括了行波法、脈沖信號注入法以及S信號注入法等，這些方法都在實際的架空線路故障排查中得到了應用。

其中行波法在輸電線路故障定位中應用較多，但也可以引入配電架空線路的故障定位中。當架空線路接地之后，接地點會產生行波，根據行波從故障點到測量點所花的時間，并結合行波的波速就可以確定接地故障點的距離。但由于配電線路的結構錯綜復雜，行波信號在發生多次反射或折射后，就會導致所測量出來的距離比實際故障點和測量點之間的距離更大，故測量結果的準確度有待提高[3]。對于脈沖信號注入法，在這種方法中，首先在架空線路的起始端注入脈沖信號并對該信號進行檢測，如果檢測到所注入的信號在下游，則說明接地故障點也在下游，反之則說明線路的接地故障點在上游。但這種方法能夠定位的接地故障范圍較小，而實際的架空線路長度往往較長，故應用效果不好，難以滿足實際生產的要求。對于S信號注入法，該方法的原理較為簡明清晰，并且在實際中也取得了較好的應用效果，以下為詳細分析和介紹。

2.2 基于注入信號法的架空線路接地故障位置測量及定位

對于S信號注入法，其應用原理是當架空線路發生故障之后，通過采用專門制作的信號發生設備，向架空線路電壓互感器的二次側注入一個特定頻率的信號。該信號和架空線路自身的頻率存在較大的差異，并且注入之后會通過線路中的接地點構成回路，從而繼續流入大地中，這樣就可以通過跟蹤及檢測這個特定頻率的信號所經過的路徑，達到確定架空線路具體故障位置點的目的。

在這種方法中，由于是根據外加信號所流過的路徑來確定故障點，故和配電線路中性點的接地方式關聯不大，能夠用來對中性點不同接地方式的配電線路進行故障定位。這樣就可以提高該接地故障位置測量技術在實際中的應用范圍，滿足對架空線路運維的需求，圖1為故障排查人員正在通過非接觸式感應器定位具體的配電線路接地故障點。

圖1 信號注入法在架空配電線路故障定位中的應用

當在架空配電線路的一端注入交流信號之后，并通過接地點形成回路，由于電磁感應作用，在故障的線路區間內會產生和注入信號頻率相同的磁場。并且在靠近接地故障點的區域，交流信號會發生較大的幅值變化，故據此就可以在地面通過感應器定位具體的接地故障點。從圖1中可以看出，該故障排查人員根據所測量到的結果在不斷地變換測量位置，直到滿足接地故障點的特征。這種測量方法只需要測量人員手持終端設備，而不需要在架空線路上額外安裝故障檢測裝置，故可以降低投資成本。但是這種接地故障點的測量方法在實際應用中也存在著一定的局限性，如果架空線路較長，則線路的分布電容就較大，容易出現測量誤差，特別是應用在中性點經電阻接地的方式中。但對于大多數的架空線路接地故障都能夠適用，并且在實際的應用中也取得了較好的應用效果。

3 架空線路便攜式接地故障位置測量儀的應用

利用S信號注入法，可以開發出架空線路便攜式接地故障位置測量儀，配電線路故障排查人員只需要手持終端設備，而不用在配電線路上額外裝設檢測設備就可以實現接地故障點的有效定位，故采用這種方法提高了線路接地故障的排查效率。在架空線路便攜式接地故障位置測量儀的組成上，主要包括了非接觸式感應器和分析控制系統，其中非接觸式感應器的應用如圖1所示，操作人員無需登桿即可進行注入信號的檢測。分析控制系統則是對所檢測感應到的信號進行分析，判斷是否符合接地故障的特征，圖2為架空線路便攜式接地故障位置測量儀中分析控制系統的原理結構圖。

圖2 架空線路便攜式接地故障位置測量儀的原理結構圖

從測量儀分析控制系統的結構圖中可以看出，該測量儀主要由電流采集單元、數據顯示單元、數據處理單元、電源模塊以及運行指示單元等組成。其中電流采集單元由手持非接觸式感應器實現，并將所感應到的電流信號傳輸到分析控制系統中的數據處理功能單元。同時將數據處理的結果通過數據顯示單元和運行指示單元展示在配電線路檢修人員的面前，這樣就可以直觀地判斷接地故障點的位置，提高故障排查效率[4]。其中對于數據處理功能單元中所采用到的數據處理算法，應選擇計算效率較高，迭代次數相對較少的算法，這樣就可以快速對數據進行處理，提高便攜式接地故障位置測量儀在應用過程中的響應速度。但是應保證數據處理結果的準確性，不能因為降低了迭代次數而導致計算結果準確度不高[5]。

在實際的接地故障排查操作過程中，可以設定所注入的電流信號數值，當檢修人員沿著線路故障區段行走時，當電流采集單元所采集到的電流數值遠小于注入的電流值時，說明線路接地故障點在下游。如果采集到的電流值較大時，說明故障點在下游。此時可以繼續尋找，直到采集電流值和注入電流值較為接近，說明該處為線路的接地故障點。通過采用架空線路便攜式接地故障位置測量儀，可實現對接地電流強度及流向的準確測量，從而大幅提高架空線路接地故障的排查效率，達到故障點快速定位、供電迅速恢復的目的[6]。

4 結語

當前電力用戶對電網的供電可靠性提出了較高的要求，為了降低地區配電網的故障停電時長，需要盡快實現對配電線路接地故障點的有效定位。本文詳細分析了架空線路便攜式接地故障位置測量儀的實現原理及裝置開發技術，可以在實際的架空配電線路故障排查中加以應用。