配電網(wǎng)故障定位方法及其發(fā)展趨勢(shì)

張俊嶺，尹東升，徐旺杰

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江212002；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司宜春供電公司江西宜春336000；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇鹽城224000）

配電網(wǎng)故障定位方法及其發(fā)展趨勢(shì)

張俊嶺1，尹東升2，徐旺杰3

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江212002；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司宜春供電公司江西宜春336000；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鹽城供電公司，江蘇鹽城224000）

在現(xiàn)有故障定位研究的基礎(chǔ)上，從各種故障定位方法的區(qū)別出發(fā)，較為全面地分析了各種故障定位方法，指出了各種故障定位方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。分析了國(guó)內(nèi)故障定位研究的發(fā)展?fàn)顩r和研究程度。然后在傳統(tǒng)信號(hào)注入的基礎(chǔ)上提出了新的故障定位方法，并用Matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，提出了未來(lái)配電網(wǎng)故障定位研究的總體發(fā)展趨勢(shì)。

配電線路；單相接地故障；定位方法；M atlab仿真

0 引言

我國(guó)配電網(wǎng)中，66 kV及以下大都屬于小電流接地系統(tǒng)。電力運(yùn)行部門(mén)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示這種運(yùn)行系統(tǒng)中故障總數(shù)的70%～80%為單相接地故障[1]。這種系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流很小，不影響線電壓的對(duì)稱(chēng)性。規(guī)程規(guī)定單相接地故障時(shí)系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，這樣就提高了小電流系統(tǒng)供電的可靠性，特別是當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)短路點(diǎn)可以自行滅弧并自行恢復(fù)絕緣。在非瞬時(shí)故障時(shí)，檢修人員務(wù)必在短時(shí)間內(nèi)查出故障分支，確定故障點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)帶故障運(yùn)行超過(guò)2 h，極有可能會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的相間故障。由人工沿線尋找故障點(diǎn)的方法沿用至今[2]。在配電線路短、結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的情況下，人工巡線是可以接受的，但是隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，分支線路越來(lái)越多，再采用傳統(tǒng)的故障定位方法查找故障點(diǎn)將會(huì)非常困難，不但效率低下，而且降低了供電的可靠性，特別是環(huán)境氣候條件惡劣的時(shí)候，當(dāng)前故障檢測(cè)方法面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從國(guó)內(nèi)外故障定位的研究現(xiàn)狀看，110 kV及以上的高壓輸電線路的研究比較成熟，而針對(duì)66 kV及以下配電網(wǎng)的故障研究還處于起步階段，很不成熟。故障定位方法歸納起來(lái)有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種[3]。主動(dòng)式分為故障診斷、信號(hào)注入、中電阻、傳遞函數(shù)法等；被動(dòng)式有區(qū)段查找法和阻抗法以及行波法等。在配電自動(dòng)化程度高的系統(tǒng)中，可以利用線路饋線終端裝置FTU（Feeder Terminal Unit）實(shí)現(xiàn)故障分段定位。國(guó)外自動(dòng)化程度比較高，所以普遍使用故障指示器定位故障區(qū)段，在有故障的分支上，故障指示器會(huì)鳴叫并給出顯示。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)故障測(cè)距的深入研究，越來(lái)越多的綜合測(cè)距方法涌現(xiàn)出來(lái)，如行波和交流綜合定位法、交直流綜合定位法。揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分利用每種方法的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)精確迅速的故障定位。

2 故障定位方法分述

2.1 中電阻法

由理論可知故障電流僅僅在故障線路故障相和系統(tǒng)母線之間流通。因此可以在故障系統(tǒng)中性點(diǎn)加入一定值的電阻。首先檢測(cè)流過(guò)該電阻的故障電流，通過(guò)計(jì)算便可以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。該方法的缺點(diǎn)是要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)中性點(diǎn)電阻，其設(shè)計(jì)比較麻煩，增加故障定位成本。由于配電網(wǎng)的電壓比較高，人為增加的電阻增大了系統(tǒng)的故障電流，增大了解決系統(tǒng)絕緣問(wèn)題的難題，并且故障電流大了之后也會(huì)對(duì)通訊系統(tǒng)造成干擾。

2.2 端口故障診斷法

該方法適合用于較大配電網(wǎng)系統(tǒng)故障的定位，缺點(diǎn)是定位不精確，當(dāng)故障點(diǎn)在分支線路上時(shí)該定位方法失效，而且需要測(cè)量線路兩側(cè)同一時(shí)刻電壓電流值，給故障定位帶來(lái)困難，因此沒(méi)有多大的實(shí)用性。

2.3 信號(hào)注入法

由于故障電流僅在故障線路故障相中流通，因此可以在故障線路首端注入特定頻率、特定大小的電流信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)該注入信號(hào)的流通情況就可以判斷出故障點(diǎn)。信號(hào)注入就是在此理論指導(dǎo)下提出的。其優(yōu)點(diǎn)是受消弧線圈以及負(fù)載的影響很小，可以忽略不計(jì)。該方法不要求裝設(shè)電流互感器CT（CurrentTransformer），非常適用于線路上只安裝了兩相CT的系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是電壓互感器的容量以及接地電阻的大小會(huì)對(duì)注入信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，甚至?xí)魅踝⑷胄盘?hào)使其檢測(cè)不出來(lái)，從而使定位方法失效。信號(hào)注入法主要有交流信號(hào)注入、S信號(hào)注入、直流信號(hào)注入、脈沖信號(hào)注入4種。S信號(hào)注入是由山東大學(xué)電力工程學(xué)院桑在中教授在1993提出的。在此理論指導(dǎo)下研制出TY型接地選線和定位裝置在國(guó)內(nèi)的電力系統(tǒng)中得到一些試用[4]。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上，又提出了“直流開(kāi)路，交流尋蹤”的離線故障定位新方法[5]。

2.3.1 交流定位方法

在線路首端A注入100mA、60 Hz的交流信號(hào)。其定位原理如圖1所示，首先確定故障分支，在分支點(diǎn)B處檢測(cè)BE、BD分支，在BE處檢測(cè)不到信號(hào)或者信號(hào)很小，說(shuō)明這條支路沒(méi)有注入信號(hào)通過(guò)，為非故障分支；而B(niǎo)D支路有信號(hào)，則可確定故障分支為BD支路；接著在分支點(diǎn)C處檢測(cè)CD分支，發(fā)現(xiàn)CD中也沒(méi)有電流，而且C點(diǎn)電流非常小，至此可以確定BC支路為故障支路。最后確定故障點(diǎn)，用交流信號(hào)探測(cè)器沿BC支路尋找故障點(diǎn)，故障點(diǎn)前的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)后的信號(hào)，發(fā)生突變的點(diǎn)即為故障點(diǎn)。其缺點(diǎn)是受分布電容和接地電阻的影響比較大。

圖1 交流信號(hào)注入原理圖

2.3.2 直流信號(hào)注入法

直流信號(hào)注入法定位原理如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是在中途沒(méi)有衰減；可以解決分支眾多和長(zhǎng)短分支的問(wèn)題；分布電容對(duì)直流相當(dāng)于開(kāi)路，接地電阻相當(dāng)于通路，因此不受二者的影響。

圖2 直流信號(hào)注入原理圖

直流信號(hào)注入法的缺點(diǎn)是需要人工手持信號(hào)探測(cè)器沿干線爬桿找故障點(diǎn)，定位慢、效率低，不適應(yīng)配電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的需要。

2.4 加信傳遞函數(shù)法

首先建立分布參數(shù)模型并在首端加方波激勵(lì)信號(hào)。然后測(cè)量時(shí)域電壓以及電流值，經(jīng)波頻分析后得到頻域傳遞函數(shù)，分析傳遞函數(shù)所包含的故障信息如頻率f、φ相位等波形特征便可實(shí)現(xiàn)故障定位。傳遞函數(shù)法不受負(fù)載參數(shù)變化的影響，但是當(dāng)故障只是線模分量的相間短路故障時(shí)，該定位方法失效。

2.5 阻抗法

當(dāng)線路是近似均勻線路時(shí)，X=xL，則當(dāng)知道線路的總阻抗X和單位線路阻抗x時(shí)，就可以確定線路的長(zhǎng)度。阻抗法就是在此基礎(chǔ)上提出的。

2.6 行波法

在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，行波會(huì)發(fā)生一系列的反射、折射、投射，而故障點(diǎn)就是波阻抗不連續(xù)點(diǎn)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)行波在故障點(diǎn)及檢測(cè)端之間往返一回的傳播時(shí)間或利用故障點(diǎn)行波到達(dá)兩測(cè)量端的時(shí)間之差來(lái)確定故障距離[6]。系統(tǒng)運(yùn)行方式、參數(shù)和線路結(jié)構(gòu)等因素對(duì)行波法的影響比較小。行波法測(cè)距裝置簡(jiǎn)單，測(cè)距精確快速。國(guó)內(nèi)外研究普遍把行波法分為A、B、C、D等幾種。

2.6.1 A型行波

A型行波早在50年代就已經(jīng)被提出，其定位原理如圖3所示。

圖3 A型行波定位原理圖

2.6.2 B型行波

圖4 B型行波定位原理圖

2.6.3 C型行波

C型行波克服了A、B型行波的缺點(diǎn)。其定位原理是首先把故障支路隔離，向故障支路發(fā)射高壓高頻脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻記為t1，在F反射后折回來(lái)的時(shí)刻記為t2。由Δt=t2-t1算出F距首端的距離。因?yàn)槭侨斯ぐl(fā)射高壓高頻或直流脈沖信號(hào)，所以可以通過(guò)多次發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確定位，其原理如圖5所示。

圖5 C型行波定位原理圖

2.6.4 D型行波

2.7 區(qū)段查找法

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分從事婚姻家庭社會(huì)工作的人員，其服務(wù)的專(zhuān)業(yè)化水平不高，專(zhuān)業(yè)知識(shí)積累不夠。這主要是因?yàn)樯鐣?huì)工作作為一個(gè)新興職業(yè)，近年來(lái)仍處于起步階段，社會(huì)工作價(jià)值觀從接納到內(nèi)化,社會(huì)工作專(zhuān)業(yè)方法從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐運(yùn)用,仍需要一個(gè)過(guò)程，不可能一蹴而就。加之接受過(guò)高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生因?yàn)榇?、社?huì)地位等原因，能夠真正進(jìn)入婚姻家庭服務(wù)領(lǐng)域的并不多,同時(shí)現(xiàn)有高校社會(huì)工作專(zhuān)業(yè)教育普遍實(shí)施通才教育,缺乏對(duì)婚姻家庭社會(huì)工作人才的專(zhuān)門(mén)培養(yǎng),因此仍需要在婚姻家庭服務(wù)領(lǐng)域的實(shí)踐中不斷提升其專(zhuān)業(yè)水平[5]。

把線路分成不同的區(qū)段，在每區(qū)段內(nèi)通過(guò)RTU，F(xiàn)TU等檢測(cè)各段開(kāi)關(guān)處的電氣量，電氣量有變化的區(qū)段記為故障區(qū)段，反之為非故障區(qū)，經(jīng)過(guò)排查最終找出故障區(qū)間。區(qū)段查找法是粗定位，無(wú)法精確確定故障點(diǎn)，而且還要安裝大量的RTU，F(xiàn)TU，成本太高，不適合大規(guī)模推廣。

2.8 故障指示器法

在線路分段開(kāi)關(guān)處安裝故障定位指示器，當(dāng)本段線路中電流電壓發(fā)生變化時(shí)，線路空間的磁場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度等將發(fā)生變化，故障指示器通過(guò)電磁感應(yīng)原理，感知變化，并給出指示，進(jìn)而判斷出故障線路。

2.9 綜合測(cè)距方法

2.9.1 行波和交流綜合定位法

該定位方法迅速，不用巡線查找故障點(diǎn)，并且具有可以進(jìn)行多次定位的優(yōu)勢(shì)來(lái)確定故障的電氣距離，并確定故障點(diǎn)所在區(qū)段，然后利用交流法實(shí)現(xiàn)精確定位，確定故障點(diǎn)，其原理如圖6所示。

2.9.2 交—直流綜合定位法

該方法克服了直流法難檢測(cè)、交流法有效范圍小的缺點(diǎn)，充分利用直流法和交流法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速定位。定位過(guò)程是先用直流法確定故障線路，接著繼續(xù)用直流法縮小故障區(qū)域，最后由交流法實(shí)現(xiàn)細(xì)定位，其原理如圖7所示。

3 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)今時(shí)代科學(xué)技術(shù)日新月異，人民生活水平大幅提高，這對(duì)提高電能質(zhì)量可靠性提供了科學(xué)支持，同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。原有的定位方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而且不適應(yīng)配電網(wǎng)向自動(dòng)化方向的發(fā)展。因此研究新的故障定位方法，勢(shì)在必行，其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)有六方面。

圖6 行波和交流綜合定位流程圖

圖7 交—直流綜合定位流程圖

a）進(jìn)一步完善故障定位原理，提高定位的可靠性，縮小人工巡線范圍。

b）多種定位方法的綜合利用，彌補(bǔ)單一定位原理的不足，提高故障定位精確性。

c）設(shè)計(jì)研制高性能、低成本、體積小、連續(xù)采集與處理行波數(shù)據(jù)的裝置。

d）現(xiàn)有定位方法故障點(diǎn)的確定大都需要人工巡線，應(yīng)進(jìn)一步提高定位裝置的智能型，以適應(yīng)配電網(wǎng)自動(dòng)化。

e）混合線路故障定位方法的研究。

f）含有分布式電源的智能電網(wǎng)的故障定位的研究。

4 基于傳統(tǒng)信號(hào)注入法的改進(jìn)定位方法

4.1 改進(jìn)信號(hào)注入法原理

與傳統(tǒng)信號(hào)注入法最大的區(qū)別是，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障后，不需要把故障線路從母線處切除，直接在母線處加入特定頻率特定大小的交流信號(hào)，通過(guò)線型變壓器調(diào)整到合適的大小直接耦合到母線。通過(guò)濾波器模塊濾除母線系統(tǒng)電流的影響，通過(guò)示波器可以發(fā)現(xiàn)注入信號(hào)在故障線路故障相和非故障線路以及故障線路的非故障相中不但大小不同而且極性相反，據(jù)此可以準(zhǔn)確判定故障線路故障相，通過(guò)安裝在線路中的信號(hào)檢測(cè)裝置，可以準(zhǔn)確判斷故障區(qū)間，通過(guò)手持信號(hào)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位[8]。

4.2 搭建Matlab/Simulink仿真模型

在Simulink環(huán)境下，從電力系統(tǒng)仿真模型塊庫(kù)中選擇系統(tǒng)仿真所需要的各個(gè)模塊搭建系統(tǒng)的仿真模型，該仿真模型主要包括電源模塊、變壓器模塊、負(fù)荷模塊、電流表模塊、電壓表模塊、示波器模塊、測(cè)量模塊、電壓互感器PT模塊等。

4.3 算例分析

4.3.1 參數(shù)設(shè)置

在搭建的Simulink仿真模型上，進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，這里僅取一例加以分析。仿真線路架空線選用LGJ-240型號(hào)導(dǎo)線，每km導(dǎo)線的正序電阻、負(fù)序電阻分別為0.012 73Ω、0.386 4Ω；每km導(dǎo)線的正序電感、負(fù)序電感分別為0.933 7mH、4.126mH；每km導(dǎo)線的正序電容和負(fù)序電容分別為12.74 nF、7.751 nF。注入信號(hào)為交流電壓源，大小150mA、頻率10Hz。

4.3.2 仿真波形圖

由圖8可以明顯看出流過(guò)故障線路故障相的電流比故障線路非故障相的電流及其非故障線路的電流大很多，而且極性相反。所以改進(jìn)的信號(hào)注入法可以準(zhǔn)確判別出故障線路故障相，為下一步信號(hào)尋跡尋找故障點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)當(dāng)今配電系統(tǒng)故障測(cè)距方法做了介紹。預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在傳統(tǒng)信號(hào)注入法基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的信號(hào)注入法，并進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性。對(duì)改進(jìn)和完善各種故障定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可靠運(yùn)行具有重要意義。

圖8 仿真波形圖

［1］束洪春.配電網(wǎng)絡(luò)故障選線［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出社，2008：16-20.

［2］戚宇林.中壓配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.華北電力大學(xué)，2007.

［3］蔡秀雯.配電網(wǎng)行波故障定位技術(shù)的研究［D］.華北電力大學(xué)，2007.

［4］桑在中，潘貞存，丁磊，等.“S注入法”選線定位原理及應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，1997，30（6）：44-45，62.

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［6］Nourish H，Chen Wang，Davies T.An-accurate fault location technique for distribution lines with tapped loads using wavelet transform［J］.Power Tech Proceedings，2001 IEEE Porto，Volume 3，10～13Sept.2001 Page（s）：4 pp.vol.3.

［7］David W.P.Thomas，Ricardo J.O.Carvacrol，Elisa T.Pereira. Fault location in distribution systems based on traveling waves［J］. Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna，Volume 2，23～26 June2003Page（s）：5 pp.Vol.2.

［8］張俊嶺，塔曉龍，鄧銳.基于改進(jìn)信號(hào)注入配電網(wǎng)單相接地故障定位研究［J］.黑龍江電力，2012（6）：008-012.

Fault Locating M ethods of Distribution Network and Their Developing Trend

ZHANG Jun-ling1，YIN Dong-sheng2，XUW ang-jie3
（1.State Grid Zhenjiang Power Supp ly Com pany，Zhenjiang，Jiangsu，212002，China；2.State Grid Yichun Power Supply Company，Yichun，Jiangxi 336000，China；3.State Grid Yancheng Power Supply Company，Yancheng，Jiangsu 224000，China）

More comprehensive analysis on variousmethods of fault locating in terms of the differences between themethodswas carried outbased on existing research about fault locating，and the advantages and disadvantages of eachmethod were pointed out.The status of fault locatingmethod home and abroad were analyzed.A new fault locatingmethod is put forward based on traditional signal injection method and simulated by using Matlab.At last，the trend of fault locatingmethod about distribution system in the future is previewed.

distribution lines；single-phasegrounding fault；fault locatingmethod；Matlab simulation

TM711.2

A

1671-0320（2014）01-0010-05

2013-10-10，

2013-11-24

張俊嶺（1986-），女，河南駐馬店人，2013年畢業(yè)于東北電力大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，從事高壓用電檢查工作；

尹東升（1987-），男，吉林松原人，2013年畢業(yè)于東北電力大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，從事通信網(wǎng)規(guī)劃工作；

徐旺杰（1987-），男，江蘇鹽城人，2010年畢業(yè)于江蘇大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，從事電力調(diào)度工作。