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1、故障定位系统技术方案北京合锐赛尔电力科技股份公司2015-2-91、 概要配电线路传输距离远，支线多、大部分是架空线和电缆线，环境和气候条件恶劣，外破、设备故障和雷电等自然灾害常常造成故障率较高。一旦出现故障停电，首先给人民群众生活带来不便，干扰了企业的正常生产经营；其次给供电公司造成较大损失；再者一条线路距离较长，分支又多，呈网状结构，查找故障，非常困难，浪费了大量的人力，物力。我国 10KV 配电网系统主要以中性点非接地系统（俗称小电流系统， Y/ 结构）为主，近年以来随着电网建设速度的加快，配电网线路结构越来越庞大，越来越复杂，但由于在线路运行状态监测方面尤其单相接地故障监测方面一直无法
2、满足广大电力用户的需求，严重影响了供电质量。虽然各供电公司配电线路大量采用故障指示器来解决故障寻址的问题，客观上在一定程度上提高了查找故障的效率，但目前国内外所有故障指示器均存在致命缺陷：无法可靠、准确地检测单相接地故障线路。所以，故障指示器仅仅是解决了部分问题，没有解决广大供电公司迫切需要的单相接地故障检测功能。而利用配网自动化系统能够实现故障监测及自动定位（寻址） ，但成本太大，难以推广。北京合锐赛尔电力科技股份有限公司多年来在电力系统输配电网自动化系统、故障检测技术方面积累了大量的技术能力和丰富的现场运行经验，为客户提供从主站系统到配电终端设备、一次设备、通信网络设备等全方位的解决方案及
3、装置，尤其是我公司根本性地解决了单相接地故障接地选线以及故障定位问题，在国内第一次成功解决了单相接地故障的检测技术难点。故障定位系统分为有源故障定位系统和无源故障定位系统，我公司系统的型号分别为：FIS2000 故障定位系统和 FIS3000 故障定位系统。系统故障监测采用成熟的故障指示器，包括架空线路和电缆等多种类型。在系统中，故障指示器分布挂装在电力传输网络上需要监测的位置（如：各分支处，各事故多发事段等） 。故障信息通过移动运营商提供的成熟的GPRS 网络传送到监控中心，只要有 GPRS/GSM 信号的地方，就能实现可靠通信。系统集故障监测、负荷电流监测、温湿度监测等于一体，在线路出现短
4、路故障、接地故障、断电、送电等情况下，将采集的特征数据传送到监测中心，监测中心发信息给维护值班人员手机，使管理员不在办公室也能监控到线路的运行情况，完全做到线路情况实时监控，不受管理员上下班影响，同时在计算机上显示故障位置，具有操作界面简单、友好等特点。2、 无源故障定位系统2.1 无源故障定位系统构成图 2-1 系统总体结构图无源故障定位系统包括三部分：1、 故障指示器每组 3 只（A，B，C 三相） ，安装于架空或电缆传输线路上，对传输线的短路、接地故障状态进行实时检测。当指示器发现线路有接地或短路故障时，把故障状态传送给对应的 IPU。2、 通讯转发站每个杆塔安装 1 台，最多可以搭载
5、10 组（30 只）指示器的通信，且互不影响。信息处理单元（IPU）收集分布在附近的一组或几组指示器发送的的故障状态，通过 GPRS 远传到主站系统（FIS3000） 。3、 主站监控系统数据处理及转发系统接收线路上所有 IPU 的信息数据，得到线路上所有指示器的状态，数据处理系统（FIS3000）监视的整个电力系统，对收到的信息进行分析处理，形成故障状态信息。2.2 无源故障定位技术原理图 2-2 无源故障定位系统原理图1、 短路故障检测技术原理过流原理与负荷电流自适应智能突变原理相结合来判断故障，可以有效的提高检测准确度和可靠性。根据短路故障的特征，提供信号已经量化的、可在线调整参数的速断
6、/过流和自适应负荷电流的过流突变两种短路故障检测方法，同时上报短路故障电流、负荷电流和线路对地电场，使得短路故障检测更准确、更灵活，如下图所示：图 2-3 短路故障检测技术原理54321变电站11111111111112 345 6定位2、接地故障检测技术原理传统检测技术：（1）零序电流法只适合于中性点直接接地和无消弧线圈的系统，即大电流接地系统，而我国中性点大部分为消弧线圈接地方式，即小电流接地系统，导致零序电流法是不准确的。（2）五次谐波法单相接地故障发生后：a、系统中的非线性元件（如铁磁元件等）会有大量谐波分量产生。b、放电或故障点燃弧导致大量谐波电流产生。c、由于消弧线圈的存在，所以接
7、地电流中基本不包含 3 次谐波与 3 次谐波的整倍数的高次谐波，这样在发生单相故障时高次谐波中 5 次谐波分量就较大。原理：检测线路电流的 5 次谐波的变化情况，当 5 次谐波突然增大，同时系统电压下降，则判断为发生接地故障不准确原因：实际中，故障后，故障相 5 次谐波电流增加的比例为：46.65，几乎没有变化的比例：41.6%；反而减少的比例：11.75% ，因此，实际线路中 5 次谐波的变化很难用来准确的检测单相接地故障。（3）首半波法根据接地时暂态信号特征，采样接地瞬间的电容电流首半波与电压波形，比较其相位。当采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压相位满足一定关系时，同时导线对地电
8、压降低，则判断线路发生接地故障。原理：在发生单相接地的瞬间，故障相的对地电容会对接地点放电，从而产生一个放电的电流脉冲，当采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压反相。不准确原因：安装使用有方向性要求，对于环网供电，当线路倒负荷后，原来的方向就错了合锐赛尔接地故障检测技术：将可变负荷法与首半波法相结合来判断接地故障，可以有效的提高检测准确度和可靠性。提供信号已经量化的、可在线调整参数的首半波暂态接地故障检测方法，同时上报接地尖峰电流（电容放电电流） 、负荷电流和线路对地电场，使得接地故障更准确、更灵活。图 2-4 接地故障检测技术原理3、有源故障定位系统3.1 有源故障定位系统构成图 3-
9、1 系统总体结构图有源故障定位系统包括四部分：1、 故障指示器每组 3 只（A，B，C 三相） ，安装于架空或电缆传输线路上，对传输线的短路、接地故障状态或感受的特殊信号进行实时检测，当指示器发现线路有接地或短路故障或感受到特殊信号时，把故障状态传送给对应的 IPU。2、 通讯转发站每个杆塔安装 1 台，最多可以搭载 10 组（30 只）指示器的通信，且互不影响。信息处理单元（IPU）收集分布在附近的一组或几组指示器发送的的故障状态，通过 GPRS 远传到主站系统（FIS3000） 。3、主站监控系统数据处理及转发系统接收线路上所有 IPU 的信息数据，得到线路上所有指示器的状态，数据处理系统
10、（FIS3000）监视的整个电力系统，对收到的信息进行分析处理，形成故障状态信息。4、信号源采用有源方式检测安装此设备，采用无源检测不需安装此设备。分为特殊信号注入法和不对称电流源法。3.2 有源故障定位系统原理1、 短路故障检测技术原理短路故障检测技术原理如无源故障定位系统短路故障检测技术原理一样，不在阐述。2、 接地故障检测技术原理特殊信号注入法原理图 3-2 特殊信号注入法原理图先借助变电站的电压互感器感受到一相的电压下降，另两相的电压升高，从而确定接地故障相。再利用注入式电流信号构成的接地保护，此时，借助电压互感器处于空闲状态的接地相，可以向线路注入一个特殊波形的电流信号，由于系统发生
11、单相接地故障时，被注入信号仅在接地相的线路中流通，经过接地故障点后即可行返回，非接地故障线路中没有信号，故只要检测各线路中有无注入信号电流，便可进行故障选线。而通过对注入信号电流和电压的检测，计算变电站到接地故障点之间的电抗，便可实现故障测距。如果在变电站和接地故障点之间存在分支线路，注入信号也不会进入无接地故障的分支线路，根据这一特点，便可查出接地分支线路及其上的故障点确切位置，从而实现故障定位功能。特殊信号特征：注入信号源。利用外加诊断信号进行故障检测和定位，不应影响原系统的正常运行及其它设备。因此，注入信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的诊断电流，且为零序电流，只在接地故
12、障线路中流通。为了便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同，有两种不同的方式。第一种方式，是将信号源频率取在工频 n 次谐波与（n+1）次谐波之间（n 为正整数） 。理论上，n 可取任意值。实际上，若 n 取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的诊断信号电流。若 n 取值较大，一方面系统分部电容容抗变小，分布电容对信号电流的分流增大，而部长线路上流动的信号电流变小，不利于信号电流的检测；另一方面，线路感抗 XL=nL 增大，不能再忽略不计，也使故障线路上流动的信号电流变小，增加了检测信号电流的难度。第二种方式，是将信号源频率取为 1050 倍的工频频
13、率。由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，故障期间，这些奇次谐波电流也在故障线路中流动，为便于提取诊断信号电流，所以信号源频率取工频偶次谐波。从工频电源角度看，信号源可近似看做一理想电流源，也就相当于开路；从信号源角度看，故障回路呈低阻抗回路，即信号源向一低阻回路提供电流，该电流从变电站沿故障线路到故障点经大地返回。可见，较低电压的信号源就能想故障系统提供较大的零序电流，如对于低压 400V 系统，不到 50V 的信号源电压就能想系统提供 15A 的零序电流，分布电容的影响可忽略。这种方式当不能忽略分布电容的影响时，由于信号源频率较高，分布电容的分流将使故障线路上的诊断信号电流变小，有可能小
14、到无法探测。所以该种信号源在 635kV 的重压配电系统中不适用。基于此，北京合锐赛尔选择第一种方式作为特殊信号源，经过试验测试，选择频率为 6080HZ 的电流信号。不对称电流源法原理图 3-3 不对称电流源法原理图当线路上任何一点发生单相接地故障时，装在变电站内或线路上的可变负荷柜检测到线路三相电压和零序电压变化后,首先判断出故障相，隔离开关进行盲投，接入阻性负载，按照设定时序改变线路负荷电流变化，盲投至 C 相时，接地点、大地、电流源、线路、变电站形成回路，电流源产生故障电流附加脉动信号，安装在线路上的故障检测装置检测流过本线的故障型号及特征信号，若满足设定的变化规律则故障检测装置给出报
15、警，从而指示出故障位置。4、故障指示器4.1 故障指示器分类故障指示器分类：短路故障指示器接地故障指示器二合一故障指示器三合一故障指示器四合一故障指示器六合一故障指示器八合一故障指示器故障指示器只检测线路短路故障只检测线路接地故障检测线路短路 、 接地故障检测短路 、 接地故障 、 带遥信检测短路 、 接地故障 、 带遥信 、 遥控翻牌复归检测短路 、 接地故障 、 带遥信 、 遥控翻牌复归 、 远程调整参数 ， 在线测温检测短路 、 接地故障 、 带遥信 、 遥控翻牌复归 、 远程调整参数 ， 在线测温 ， C T 自取电 、 负荷电流 、 线路对地电场 、 无线调频数据通信四遥型故障指示器
16、按照检测对象分：故障指示器架空型故障指示器电缆型故障指示器按照是否带通信功能分：故障指示器带通信故障指示器不带通信故障指示器按照取电电源分：故障指示器C T 取电A C 2 2 0 V 供电锂电池供电太阳能板供电法拉电容取电4.2 故障指示器性能指标 采用高性能微功耗单片机作为核心处理单元； 高速 A/D 采样 小波变换提取信号特征（有源） ； 将可变负荷法与首半波法相结合（无源） 利用无线信号传输故障信息（跳频） ； 翻牌、闪灯报警指示，夜间可视距离300 米； 在线取能+后备电源（锂电池、法拉电容等） ，使用年限8 年； 自动复归时间：196 小时（可按用户要求设定） ； 负荷电流： 0600A； 自适应负荷的过流突变量：100A 或 1/2 平均负荷； 零序电流：0100A； 速断、过流定值：0700A，步长 1A； 零序定值：0100A，步长 1A； 速断、过流、零序延时：09.99s，步长 0.01s；
