架空線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)四遙功能的實(shí)現(xiàn)

周健科，沈佩琦

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

非有效接地電網(wǎng)對提高供電可靠性非常有利，我國的中低壓配電網(wǎng)普遍采用這種接地方式。配電線路故障，尤其是單相接地故障的快速、準(zhǔn)確定位，不僅對修復(fù)線路和保證可靠供電十分重要，而且對保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用。對于線路的相間短路故障，由于會(huì)伴隨出現(xiàn)過流現(xiàn)象，一般比較容易檢測。但當(dāng)非有效接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于故障電流非常小，常規(guī)繼電保護(hù)無法檢測到故障線路，需要采取其他手段或技術(shù)。

目前國內(nèi)有眾多企業(yè)對此展開研究，提出各具特色的辦法。主要可以概括為2類：以檢測故障線路中注入信號(hào)的路徑和特征來實(shí)現(xiàn)故障定位的信號(hào)注入法，和利用戶外故障探測器檢測故障點(diǎn)故障信息來確定故障區(qū)段的電容電流法。

本文分析了這兩類故障定位原理及優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上闡述綜合法的原理，并探討了可實(shí)現(xiàn)四遙功能的LIU（配電線路自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端）裝置的開發(fā)和應(yīng)用。

1 架空線路故障定位原理

1.1 信號(hào)注入法

文獻(xiàn)[1-3]介紹的信號(hào)注入法是利用電網(wǎng)母線的接地電壓互感器注入交流信號(hào)電流，通過檢測故障線路中注入信號(hào)的路徑和特征來實(shí)現(xiàn)故障測距和定位。發(fā)生接地故障后，通過三相電壓互感器的中性點(diǎn)向接地線路注入特定頻率的電流信號(hào)，注入信號(hào)會(huì)沿著故障線路經(jīng)接地點(diǎn)注入大地，用信號(hào)尋跡原理即可實(shí)現(xiàn)故障選線并確定故障點(diǎn)。

信號(hào)注入法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其適合于永久性接地故障，缺點(diǎn)是：

（1）注入信號(hào)的強(qiáng)度受變壓器容量限制。

（2）接地電阻較大時(shí)，線路上的分布電容會(huì)使注入信號(hào)分流，給選線和定點(diǎn)造成干擾。

（3）如果接地點(diǎn)存在間歇性電弧現(xiàn)象，注入的信號(hào)在線路中將不連續(xù)，使檢測較為困難。

（4）尋找故障點(diǎn)花費(fèi)時(shí)間較長，有可能在此期間引發(fā)系統(tǒng)的第2點(diǎn)接地，造成線路跳閘。

1.2 電容電流法

電容電流法是通過戶外故障指示器檢測電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障瞬間的暫態(tài)接地電流來實(shí)現(xiàn)故障定位的方法。

以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)為例，在故障瞬間，流過故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流既有工頻分量，也有高頻振蕩分量。流過故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流是由故障相對地電容的放電電流、非故障相對地電容的充電電流和消弧線圈的暫態(tài)電感電流疊加而成，兩者在頻率和幅值上都不相同，其特征根據(jù)兩者的具體情況而定。在故障初始階段，暫態(tài)接地電流的特征主要由暫態(tài)電容電流特征確定。在中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，不存在消弧線圈的電感電流部分。因此，其暫態(tài)接地電流的特征與經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)相似。

可見電容電流法適用于：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)；中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)/中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。

電容電流法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，施工簡單。其缺點(diǎn)是：

（1）目前只能實(shí)現(xiàn)“一遙”功能。

（2）供電系統(tǒng)不能滿足長年限運(yùn)行。

（3）受測量環(huán)節(jié)的精度限制，準(zhǔn)確率稍低。

1.3 綜合法

由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單相接地故障又具有多樣性，可利用的故障電流通常很小，相對信噪比很低，再加上測量環(huán)節(jié)的精度限制，使得現(xiàn)有的選線裝置不能很好地滿足實(shí)際需要。

處理非有效接地電網(wǎng)故障定位問題應(yīng)該從客觀實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)非有效接地電網(wǎng)單相接地故障的各種狀態(tài)，可以得出這樣的結(jié)論：僅憑1種選線方式或者僅憑1種故障特征量并不能對各種單相接地狀況做出正確判斷，應(yīng)該盡可能多地挖掘和利用單相接地故障的各種特征表現(xiàn)，研究更有效的辦法來抽取和識(shí)別這些特征，形成綜合選線系統(tǒng)，才能達(dá)到精確選線的目的。

綜合法是根據(jù)多年來對接地故障檢測研究經(jīng)驗(yàn)得出的一種獨(dú)特有效的接地故障檢測方法。綜合法主要是將采集到的多種線路特征參數(shù)按照設(shè)定的算法進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)對接地故障的判定。這些特征參數(shù)包括：暫態(tài)電容電流、負(fù)荷電流、對地電壓等，也就是在電容電流法的基礎(chǔ)上疊加負(fù)荷電流、對地電壓的判據(jù)，以避免測量精度對故障定位的影響。

與其它單一條件的檢測法相比，綜合法可以有效防止因電磁干擾、涌流、諧波等造成的誤動(dòng)，對接地故障的判定更準(zhǔn)確，適用于中性點(diǎn)接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

2 配電線路自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端

從上述對信號(hào)注入法、電容電流法、綜合法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)的綜合分析可知，綜合法有一定優(yōu)勢，但配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)的最終目標(biāo)是在配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)四遙功能，即遙測、遙信、遙控和遙調(diào)。從目前配電網(wǎng)實(shí)際情況看，架空線路的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和架空線路故障定位成為困擾配電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的重要因素。

建立配電網(wǎng)SCADA（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)，全面掌握配網(wǎng)線路運(yùn)行的參數(shù)和狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測、狀態(tài)估計(jì)、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等高級應(yīng)用。目前，配電架空線路上的運(yùn)行參數(shù)一般都是通過變電站內(nèi)的饋線開關(guān)和線路上安裝的帶有智能控制器的柱上開關(guān)來獲得，但由于柱上開關(guān)數(shù)量有限，帶有控制器的開關(guān)就更少，而架空線路分支較多，主干線路也較長，管理部門難以全面掌握線路數(shù)據(jù)，因此架空線路的故障定位更難實(shí)現(xiàn)。配電線路是最容易發(fā)生故障的系統(tǒng)之一，短路故障和單相接地故障是最常見的故障形式。發(fā)生故障后，如何快速定位故障位置，指導(dǎo)線路運(yùn)行部門及時(shí)搶修故障、恢復(fù)供電，將是今后配網(wǎng)自動(dòng)化工作中要重點(diǎn)解決的難題。國家電網(wǎng)公司于2009年11月編制的《配網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)建設(shè)與改造技術(shù)方案》中明確指出，在架空線路上可采用帶通信功能的故障檢測終端，實(shí)現(xiàn)故障類型、故障位置等遙信量的上傳。

為了解決上述技術(shù)問題，需要開發(fā)一種全新的適用于架空線路的配電線路自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端，即LTU。為此，在綜合法基礎(chǔ)上研發(fā)了由配電線路自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端控制器、電子式互感器、戶外單相變壓器和通信模塊組成的LTU，具有四遙功能，是實(shí)現(xiàn)架空線路自動(dòng)化的高效解決方案。

2.1 LTU的功能及特點(diǎn)

LTU具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)架空線路遙測。實(shí)時(shí)采集線路的電流、電壓、功率、諧波等數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)可以每秒鐘上傳1次，為配電自動(dòng)化提供數(shù)據(jù)支持。

（2）實(shí)現(xiàn)架空線路遙信。準(zhǔn)確檢測線路發(fā)生的故障情況，包括相間短路、過電流、單相接地、過電壓、欠電壓、缺相、斷電等故障或者異常狀態(tài)，并及時(shí)上傳。實(shí)現(xiàn)了故障精確定位，為提高供電可靠性提供了技術(shù)支持。

（3）實(shí)現(xiàn)架空線路遙控。LTU可以與線路已經(jīng)安裝的柱上開關(guān)相配合，后臺(tái)軟件可以通過LTU遠(yuǎn)程控制柱上開關(guān)的分合。當(dāng)確定了故障精確范圍后，通過遙控柱上開關(guān)，將故障區(qū)段隔離出來，恢復(fù)其他無故障區(qū)段的供電，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（4）實(shí)現(xiàn)架空線路遙調(diào)。架空線路所帶負(fù)載變動(dòng)大，線路改造頻繁，線路的輸送功率和供電方向經(jīng)常變動(dòng)，因此判斷故障的判據(jù)需要隨之改動(dòng)，這些改動(dòng)都可以通過后臺(tái)軟件遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)，使用靈活。

2.2 電子式電流/電壓互感器的應(yīng)用

電子式互感器是LTU的重要組成部分，是采集配電架空線路三相電壓和電流的一次設(shè)備。電子式互感器與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比具有很多優(yōu)勢，非常適合在LTU中使用。

電子式電流/電壓互感器應(yīng)用在LTU中有以下優(yōu)勢：

（1）測量范圍廣。電子式互感器的頻響范圍寬、測量線性范圍廣、線性度好，在有效量程內(nèi)，電流互感器精度可達(dá)到0.2S/5P級，電壓互感器測量精度可達(dá)到0.2/3P級。

（2）應(yīng)用方式靈活。電子式互感器輸出的都是小電壓信號(hào)，一般為1.5～4 V，可方便地與數(shù)字式儀表、微機(jī)測控保護(hù)設(shè)備接口，無需進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，從而可以降低系統(tǒng)應(yīng)用的復(fù)雜度和測量誤差，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

（3）安全可靠。電子式互感器均不含鐵芯（或含小鐵芯），不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。即使電流互感器二次開路也不會(huì)產(chǎn)生高電壓，電壓互感器二次短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大電流，無過電流擊穿的危險(xiǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，從而保證了人身及設(shè)備的安全。

（4）體積小，功耗低。電子式互感器體積小、重量輕，能有效節(jié)省空間，功耗極小，節(jié)電效果十分顯著，具有環(huán)保產(chǎn)品的特征。

（5）多用途。電子式電流互感器集測量和保護(hù)于一身，能快速、完整、準(zhǔn)確地將一次信息傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或與數(shù)字化儀表等測量、保護(hù)裝置相連接，完成計(jì)量、測量、保護(hù)、控制、狀態(tài)監(jiān)測。還可作為帶電顯示裝置實(shí)現(xiàn)一次電壓數(shù)字化在線監(jiān)測。

（6）使用壽命長。由于電子式互感器自身是低功耗的，自身線圈不會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，保證了互感器的使用壽命。安裝使用簡單方便，運(yùn)行無需維護(hù)，使用壽命大于30年。

3 結(jié)語

目前，架空線路實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的難題是架空線路的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和架空線路故障定位。

新型配電線路自動(dòng)化終端采用電子式互感器和綜合法有效解決了以上難題，可以實(shí)現(xiàn)靈活的配網(wǎng)自動(dòng)化，在主站系統(tǒng)應(yīng)用后使配電網(wǎng)管理的效率大大提高。

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