故障指示器的檢測及應(yīng)用

肖開偉+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)前對其各項功能進(jìn)行檢測，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試儀和其他相關(guān)設(shè)備對故障指示器進(jìn)行檢測，結(jié)果表明此方法對故障指示器的檢測是有效的，故障指示器檢測到故障信號時能夠準(zhǔn)確地翻牌，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，經(jīng)過檢測后故障指示器接入配電網(wǎng)后的運行情況良好，能夠準(zhǔn)確的監(jiān)測故障并上報主站系統(tǒng)。從而驗證了此故障指示器監(jiān)測方法的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：故障指示器；故障監(jiān)測；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不便，干擾了企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營；其次給供電公司造成較大損失；再者一條線路距離較長，分支又多，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，查找故障，非常困難，浪費了大量的人力，物力。

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

隨著電網(wǎng)自動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)自動化的發(fā)展推動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源。文獻(xiàn)[1]介紹了我國配電線路故障指示器的特點，分析了目前故障指示器有待解決的問題。并提出制定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范市場的建議。文獻(xiàn)[2]對目前國內(nèi)二合一的故障指示器檢測故障的原理進(jìn)行了簡要分析，并對故障指示器的技術(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，運行安裝配置原則，提出了故障指示器試驗方法和改進(jìn)建議，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。文獻(xiàn)[4]提出了一種可以實現(xiàn)檢測配電線路故障指示器功能的檢測系統(tǒng)，結(jié)合檢測系統(tǒng)應(yīng)用分析了故障指示器常見的不合格原因。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)是我國配電線路故障監(jiān)測的重要方法，并且越來越普遍。以后還會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際配電網(wǎng)之前非常有必要對其功能進(jìn)行檢測，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 故障指示器的檢測原理

故障指示器主要安裝在線路分支點和用戶進(jìn)線處當(dāng)線路發(fā)生短路故障或單相接地故障時，能夠發(fā)出報警是示，從而使檢修人員迅速定位故障點，為盡快排除故障，恢復(fù)線路供電提供了有力保障。但是長期以來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，故障指示器的檢測試驗分為型式試僉、出廠試驗和抽查試驗三種。型式試驗包括外觀與結(jié)勾檢查、額定工頻耐受電壓、功能性能試驗、電氣性能式驗、低溫性能試驗、高溫性能試驗、交變濕熱試驗、辰動耐久試驗、傾斜跌落試驗、電氣壽命試驗、靜電放電抗擾度試驗、射頻電磁場轄射抗擾度試驗、浪涌（沖機）抗擾度試驗、臨近干擾試驗、耐受短路電流沖擊試僉、著火危險試驗、功率消耗試驗、防護(hù)等級試驗、卡戔結(jié)構(gòu)的握力試驗等20項試驗項目。其中，功能性能式驗，直接關(guān)系著掛網(wǎng)運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試的檢測方法主要有兩類：現(xiàn)場模擬試驗方法和電流模擬試驗方法。而其中現(xiàn)場模擬的試驗方法存在安全隱患，試驗時場地占地大，并且僅可以試驗有限的故障指示器的短路故障功能和短路故障重合間識別功能，所以在實際中應(yīng)用較少。而電流模擬試驗方法為目前所普遍采用的故障指示器試驗檢測方法。該實驗方法是用已有的試驗設(shè)備故障指示器綜合測試儀，將故障指示器掛在該設(shè)備的升流線圈上，并在通過計算機給測試儀設(shè)定特定的狀態(tài)序列，即設(shè)定各電流狀態(tài)和持續(xù)時間。接著測試儀輸出給定電流，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，然后通過人眼觀察故障指示器是否正確動作。此種方法具有較高的安全性，且可在實驗室內(nèi)直接試驗，占用場地小。

2 故障指示器的結(jié)構(gòu)和功能

故障指示器監(jiān)測配電線路的原理是：依據(jù)安裝在配電線路的故障傳感器所檢測的故障信息來確定故障區(qū)域；通過監(jiān)測線路的過電流來實現(xiàn)相間短路故障的定位；通過監(jiān)測零序電流幅值并分析幅值與相位的關(guān)系，或測量線路周圍空間電場磁場來實現(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卡線環(huán)，里面流過交流電（220V，lOkV或35kV）時，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，電磁場通過外部CT環(huán)穿過感應(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)流過的電流I1，二次側(cè)流過的電流I2，由電磁感應(yīng)原理：通過檢測感應(yīng)電流的變化來對線路故障進(jìn)行判定。

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

CT的另外一個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)動模塊，采集頻率為800Hz。故障指示器通過CT采集感應(yīng)的電流進(jìn)行進(jìn)行判定，當(dāng)滿足一定的邏輯時，判定為線路短路故障和接地故障。電流的測量過程使用互感器和整流電路將待側(cè)的交流的大電流信號轉(zhuǎn)換為直流的小電壓信號，然后利用運算放大器轉(zhuǎn)換為0至3V的電壓信號，由控制與驅(qū)動模塊內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器來采集。AD模塊將信號傳人控制模塊進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)控制模塊識別到符合故障的邏輯時，驅(qū)動模塊驅(qū)使翻牌，同時組織故障報文傳輸給射頻通信模塊，通過射頻通信模塊傳輸給通信終端。endprint

通信終端通過太陽能電池板，超級電容，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)太陽能充足時，太陽能電池板給超級電容或充電電池充電，再由超級電容或充電電池供電。通信終端通過433射頻通信模塊接收故障指示器傳過來的信息，再將這些信息通過基于101規(guī)約制定的協(xié)議組成報文，由過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通信終端構(gòu)成一個子站，一個子站可以對配網(wǎng)線路實現(xiàn)若干個點的狀態(tài)量監(jiān)測與突發(fā)監(jiān)測。

3 故障指示器的監(jiān)測、分析與應(yīng)用

3.1 檢測使用的主要設(shè)備

為了能夠準(zhǔn)確的檢測信號源裝置的性能和功能，其檢測的設(shè)備要準(zhǔn)備好，主要用到的設(shè)備有故障指示器綜合測試儀、高低溫濕熱實驗箱、數(shù)顯式推拉力計、鉗形電流表、萬用表、T頻磁場發(fā)射器、靜電放電測試儀、振鈴發(fā)生器等。

3.2故障指示器的功能性能檢測

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

（1）模擬相間短路故障試驗

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試儀的線圈上，然后故障指示器綜合測試儀中的負(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

對故障指示器施加AI為10A-50A的電流信號序列，故障指示器正確動作率100%。電流信號序列波形如圖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：電流倍號序列幅值；t0：單相接地故障發(fā)生時刻；Ty：信號源啟動延時，默認(rèn)值為Ss；t。：信號源動作后閉鎖時刻；AT：開關(guān)設(shè)備投入時間，默認(rèn)值為200ms；Tn：開關(guān)設(shè)備第一次投入到最后一次分閘時間，Tn默認(rèn)值為9350ms； AT2、AT3：開關(guān)設(shè)備投切間隔時間，AT2默認(rèn)值為lOOOms、AT3默認(rèn)值為1250ms。將電流信號序列數(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）防誤報警試驗

防誤報警試驗即當(dāng)這些電流波形通過故障指示器的時候故障指示器不能有動作，如果有動作，則不合格。防誤報警試驗分為模擬線路突合負(fù)載涌流試驗、非故障相重合閘、負(fù)荷瞬時突變，模擬人工投切大負(fù)荷、空載合閘勵磁涌流這五項。如圖4所示。其中圖（a）模擬線路突合負(fù)載涌流試驗中11_610A、I2=10A、At=0.2s；圖（b）非故障相重合閘試驗中I1_lOA、合閘后電流I2=610A、At=0.5s；圖（c）負(fù)荷瞬時突變試驗中I1=lOA、I2=610A、At=0.2s；圖（d）模擬人工投切大負(fù)荷試驗中I1=lOA、I2=610A、At=3s；圖（e）空載合閘勵磁涌流試驗中I，=600A、At=0.2s。將每個試驗中的數(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）最小不動作電流試驗最小不動作電流試驗的波形如圖5所示，其中I₁=lOA、I₂=80A、△t=ls。將其試驗重復(fù)3次，然后觀察并記錄三只故障指示器的翻牌情況。

以上每個試驗都要進(jìn)行三次，需要測A、B、C相三只故障指示器，如果所有試驗都通過測試，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試驗測試為止。

3.3 故障指示燈接入10KV線路應(yīng)用問題

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，分支多，沿途地勢復(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間較長。針對這種情況，將故障指示器接入到lOkV配電線路中，幫助配電運行人員查找故障。運行結(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，縮小了配電運行人員的工作時間，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，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其性能進(jìn)行檢測。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試儀和其他相關(guān)設(shè)備對故障指示器進(jìn)行檢測，結(jié)果表明此方法對故障指示器的檢測是有效的，故障指示器檢測到故障信號時能夠準(zhǔn)確地翻牌，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，故障指示器能夠檢測到信號源發(fā)出的特定電流信號，從而翻牌，并將故障信息上傳通信終端，進(jìn)而上報給主站。endprint