基于SFI的10KV配電網(wǎng)線路遠(yuǎn)程故障自動(dòng)定位系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

袁海雪 連冬娟 王陽(yáng)

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求也不斷增加，供電的可靠性和安全性成為了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在這個(gè)越來越離不開電的社會(huì)主義國(guó)家，電網(wǎng)線路的及時(shí)檢修是保證供電安全性和可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)。安全，可靠的供電網(wǎng)影響著人們的日常生活和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，10KV配電網(wǎng)線路是連接電網(wǎng)的重要線路之一，因此，10KV配電網(wǎng)線路遠(yuǎn)程故障自動(dòng)定位系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用是非常必要的。文章先提出研究的目的，介紹了配電網(wǎng)中線路故障出現(xiàn)的原因以及常見的線路故障，提出了解決線路故障的方法，最后總結(jié)了故障定位系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：10KV配電網(wǎng)；線路遠(yuǎn)程故障；自動(dòng)定位系統(tǒng)

[Abstract] With the continuous development of economy，China's demand for energy is also increasing，and the reliability and safety of power supply has become a hot issue of social concern. In this socialist country，which is increasingly dependent on electricity，timely maintenance of power grid lines is the key point to ensure the safety and reliability of power supply. Safe and reliable power supply network affects People's Daily life and the development of national economy. 10KV distribution network line is one of the important lines to connect the power network. Therefore，the development and application of 10KV distribution network line remote fault automatic positioning system is very necessary. In this paper，the purpose of the research is first presented，the causes of the circuit faults and common circuit faults in the distribution network are introduced，the methods to solve the circuit faults are proposed，and the practical significance of the development and application of the fault location system is summarized.

[Keywords]10KVpower distribution network；line remote fault；automatic positioning system

一、本文研究的目的及現(xiàn)狀

1.提高配電網(wǎng)線路故障定位的快速性和準(zhǔn)確性，節(jié)省現(xiàn)有人工線路故障測(cè)量的人力物力及時(shí)間，迅速隔離故障恢復(fù)供電，降低因線路故障問題造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失，提高配電網(wǎng)供電可靠性；

2.提高配電網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平、可靠性、經(jīng)濟(jì)型和靈活性；

3.電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其發(fā)展對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)都具有巨大的意義；

由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)從簡(jiǎn)單的輻射型、樹狀網(wǎng)、單環(huán)網(wǎng)到復(fù)雜多樣的多環(huán)網(wǎng)，這對(duì)供電可靠性提出了很大挑戰(zhàn)。此外，電氣設(shè)備、元件的損壞、自然及人為事故等因素，配電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生線路故障。

目前國(guó)內(nèi)10KV配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，仍然以人工巡查為主，依賴人工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行故障定位。而國(guó)外配電網(wǎng)自動(dòng)化程度度比較高，尤其在歐美和日本一種被稱為FI的設(shè)備應(yīng)用到線路故障檢測(cè)，當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流超過特定水平后在有故障的分支上，F(xiàn)I將翻牌顯示，能更快的定位故障區(qū)段。所以，傳統(tǒng)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。

二、常見的10KV線路故障類型

1.單相接地故障

單相接地是配電系統(tǒng)最常見的故障，多發(fā)生在潮濕、多雨天氣。單相接地不僅影響了用戶的正常供電，而且可能產(chǎn)生過電壓，燒壞設(shè)備，甚至引起相間短路而擴(kuò)大事故。

2. 短路故障

線路中不同電位的兩點(diǎn)被導(dǎo)體短接起來，或者其間的絕緣被擊穿，造成線路不能正常工作的故障，稱為短路故障。按照不同的情況，短路故障又分為金屬性短路、非金屬性短路；單相短路、多相短路。

3. 斷路故障

斷路是最常見的故障，最基本的表現(xiàn)形式是回路不通。在某些情況下，斷路還會(huì)引起過電壓，斷路點(diǎn)產(chǎn)生的電弧還可能導(dǎo)致電氣火災(zāi)和爆炸事故。

三、線路故障形成的原因

1.外力破壞因素

主要有樹線矛盾、搭在線路上的異物、車輛撞斷、撞斜電桿、超高車掛斷導(dǎo)線、動(dòng)物危害等等。

2.自然方面的因素

（1）春季風(fēng)大，容易造成10KV架空線路（非絕緣導(dǎo)線）之間短路放電或絕緣子閃路等故；

（2）夏季雨水多，由于配網(wǎng)電桿多為土埋，如遇大量雨水沖刷和浸泡，易形成電桿傾斜及基礎(chǔ)下沉等故障；

（3）雷雨季節(jié)因?yàn)?0KV架空線路的路勁較長(zhǎng)，加上沿途地形較空曠，附近少有高大建筑物，所以經(jīng)常遭受雷擊，由此產(chǎn)生的事故是10KV架空線路最常見的；

（4）冬季冰雪多，氣溫低，導(dǎo)線會(huì)覆冰，當(dāng)覆冰脫落可能會(huì)引起導(dǎo)線跳躍，導(dǎo)線故障。

3.設(shè)備方面的因素

（1）配電變壓器故障，由于配電變壓器本身故障或操作不當(dāng)引起弧光短路；

（2）絕緣子破裂導(dǎo)致接地，絕緣子臟污導(dǎo)致閃絡(luò)、放電、絕緣電阻降低，引線燒斷搭到橫擔(dān)上；

（3）避雷器、跌落保險(xiǎn)、柱上開關(guān)質(zhì)量較低或運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)未能定期進(jìn)行校驗(yàn)或更換，擊穿后形成線路停電事故。

4.管理方面的因素

運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足，巡視檢查不能到位。一方面，員工業(yè)務(wù)技術(shù)水平不足，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在日常的巡視和維護(hù)當(dāng)中抓不住主要環(huán)節(jié)，查不出線路缺陷和事故隱患；另一方面，由于運(yùn)行中的配電線路存在有高壓引線、線夾、刀閘的連接處不牢，受外界環(huán)境影響后，易發(fā)熱、發(fā)紅，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，最終燒損或燒斷引發(fā)線路故障。

四、故障指示器定位系統(tǒng)的工作原理

1.故障指示器的特點(diǎn)

故障指示器由于結(jié)構(gòu)、性能等存在差異，實(shí)際的指示功能也有所不同。故障指示器一般配設(shè)于電力線路，用來提示、提醒故障的智能化設(shè)備，能夠自動(dòng)化回歸原位。傳統(tǒng)故障指示器指示精準(zhǔn)度相對(duì)落后，通常僅設(shè)置一個(gè)電流定值，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中容易受到多重因素的干擾，比如勵(lì)磁、諧波、電磁等。所以，基于SFI的故障指示器就顯得尤為重要，它相比較于傳統(tǒng)的故障指示器有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)化程度更高，提高定位裝置的智能型，更能適應(yīng)配電網(wǎng)自動(dòng)化；

（2）兼容性更強(qiáng)，系統(tǒng)基于開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)模式，能確保應(yīng)急指揮系統(tǒng)和其它電力自動(dòng)化設(shè)備間的過渡和連接，系統(tǒng)具有開放性的特點(diǎn)；

（3）互動(dòng)性能好，開發(fā)手機(jī)用戶平臺(tái)，線路故障時(shí)可以及時(shí)將信息發(fā)到維護(hù)人員的手機(jī)中；

2.常用的10KV配電網(wǎng)故障檢修方法

（1）電流動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法

運(yùn)行于配網(wǎng)線路中的電流處于動(dòng)態(tài)變化中，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)形成突變性故障電流。如果出現(xiàn)一個(gè)正向突變，同時(shí)變化量高出某一個(gè)設(shè)定值，此時(shí)電流值與電壓值如果同步降到零，說明線路中出現(xiàn)了故障電流。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)電流的變化較為敏感，當(dāng)短路電流較小的時(shí)候，檢測(cè)能力較弱。

（2）傳統(tǒng)故障判斷法

此方法和繼電保護(hù)理論相當(dāng)，都是通過標(biāo)準(zhǔn)化、高效化的熔斷，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，確保所有短路都發(fā)出提示，提高故障判斷的準(zhǔn)確性。這種方法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：適用于更廣的電力線路，環(huán)境適應(yīng)力較強(qiáng)，但需要維修人員具有較高的專業(yè)水平，熟悉線路的分布，而且要確保參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性、合理性。

（3）單相接地故障檢測(cè)法

目前，單相接地故障檢測(cè)法有五次諧波法、首半波法、電容電流脈沖幅值法。主要采用的是諧波法、首半波法，但諧波法由于數(shù)值較小，易于受外界干擾，而首半波法可能會(huì)導(dǎo)致極性的錯(cuò)誤判斷，適用能力相對(duì)有限。

3.基于SFI的故障定位方法

（1）工作原理

故障快速定位系統(tǒng)是由多項(xiàng)電氣設(shè)備、系統(tǒng)綜合配合下及時(shí)、高效定位的系統(tǒng)。主要設(shè)備包括故障指示器、通訊主站、子站。通訊主站可以同時(shí)采集來自于多個(gè)故障指示器的編碼信息，再通過子站來解調(diào)、編碼無(wú)線信息，把信息傳輸給主站。主站接收來自子站的信號(hào)，科學(xué)、合理的處理應(yīng)用程序，在人機(jī)交流的屏幕中，故障點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)變色現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的呈現(xiàn)故障信號(hào)，然后對(duì)應(yīng)調(diào)動(dòng)警示系統(tǒng)，發(fā)出故障信息，發(fā)送給檢修人員隨身攜帶的通信設(shè)備。

SFI由FI、接地信號(hào)源（EFS，earthed fault signal source）組成。EFS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中性點(diǎn)電壓，發(fā)生單相接地故障時(shí)通過母線向各條饋線注入特殊的低頻信號(hào)。FI在發(fā)生單相接地故障或短路故障時(shí)故障指示器檢測(cè)到信號(hào)源的異常信號(hào)后翻轉(zhuǎn)為紅色（正常為白色）并閃爍，同時(shí)發(fā)出蜂鳴。

（2）故障指示器的定位功能

一方面，故障指示器能采集線路上3A以上的負(fù)荷電流（或1A以上的零序電流），同時(shí)監(jiān)測(cè)線路首半波法接地尖峰突變電流和線路對(duì)地電場(chǎng)的大小和變化；另一方面，當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，變電站出口保護(hù)跳閘后，故障指示器能準(zhǔn)確的檢測(cè)到線路故障，本地翻牌、指示燈閃爍，同時(shí)通過GRRS立即上報(bào)主站監(jiān)控中心，主站監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)故障信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、故障定位、動(dòng)態(tài)著色及故障推屏報(bào)警，同時(shí)發(fā)出短信通知若干運(yùn)行人員，找出故障點(diǎn)，及時(shí)檢修線路故障。

五、自動(dòng)化故障定位系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由小型規(guī)模轉(zhuǎn)向大型化、廣域化方向發(fā)展。但由于我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，電網(wǎng)所處環(huán)境復(fù)雜易變，在自然因素以及其它因素的影響下，我國(guó)的10KV配電網(wǎng)常發(fā)生線路故障，對(duì)我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民的生活帶來很大影響。

目前，針對(duì)配電網(wǎng)短路故障故障定位已經(jīng)提出很多方法，但大部分方法效果不是很理想，人工巡查的方法依然較為普遍，這浪費(fèi)了很大的人力、物力、財(cái)力。而美國(guó)、日本和歐洲的許多國(guó)家在使用線路故障指示器進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，結(jié)合饋線自動(dòng)化終端FTU確定故障發(fā)生的區(qū)段，再由人工方式查找故障點(diǎn)。但配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化投資巨大，維護(hù)復(fù)雜，在我國(guó)不能得到廣泛應(yīng)用。由于我國(guó)配電網(wǎng)龐大復(fù)雜，分支繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的10KV配電網(wǎng)線路來說，不在電力SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)管理下，不能進(jìn)行快速故障定位及精確定位，只能在故障指示器的輔助下，進(jìn)行人工巡查。

因此，簡(jiǎn)單、可靠、快速精準(zhǔn)的線路故障定位法，是解決當(dāng)前配電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的迫切需要。所以，針對(duì)配電網(wǎng)線路故障問題，研究配電網(wǎng)線路故障快速、精準(zhǔn)的定位技術(shù)，對(duì)提高線路安全運(yùn)行水平、提高自動(dòng)化程度、減少運(yùn)維人員工作強(qiáng)度，保證社會(huì)生產(chǎn)和人民生活正常進(jìn)行，具有重要的價(jià)值和實(shí)際意義。

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作者簡(jiǎn)介：袁海雪，生于1999年1月，漢族，云南文山人，江蘇大學(xué)，電子信息工程方向。

連冬娟，生于1996年9月，漢族，甘肅天水人，江蘇大學(xué)，電子信息工程方向。

王陽(yáng)，生于1997年10月，漢族，江蘇揚(yáng)州人，江蘇大學(xué)，電子信息工程方向。

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué)電氣學(xué)院第十七批科研立項(xiàng)題目，項(xiàng)目編號(hào)：17A097

（作者單位：江蘇大學(xué)）