逯懷東 呂 平 謝榮昆 向珉江

?

低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法

逯懷東 呂 平 謝榮昆 向珉江

（國網(wǎng)濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250200）

本文在對比現(xiàn)有線路在線故障檢測方法基礎(chǔ)上，從低壓配電網(wǎng)重要性、場景復(fù)雜性以及線路大截面低阻抗特性出發(fā)，研究了適合于低壓配電網(wǎng)特性SSTDR檢測方法，針對低壓配電網(wǎng)的接線方法提出了多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，通過站室智能終端間的配合、檢測終端與阻波器配合，實(shí)現(xiàn)了低壓電網(wǎng)的故障檢測與定位。該方法利用站室配電終端對低壓線路量測數(shù)據(jù)監(jiān)測起動故障定位，在故障情況下通過擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器可快速實(shí)現(xiàn)故障測距，再加以阻波器的配合可實(shí)現(xiàn)多個(gè)擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器分區(qū)端定位，可有效適應(yīng)低壓線路T型連接及分支箱多分枝情況的故障定位時(shí)間與定位精度。

低壓故障定位；多分枝線路；擴(kuò)頻故障時(shí)域反射波；阻波器

電纜是電力傳輸?shù)闹饕锢斫橘|(zhì)之一，其引導(dǎo)電流由電阻最低的通道以最低損耗進(jìn)行傳輸，保證了廣大用戶持續(xù)安全供電需求。交流電纜應(yīng)用的電壓等級由0.4kV至750kV不等，不同于輸電網(wǎng)電纜長距離傳輸?shù)木€路特點(diǎn)，在距離用戶最近的低壓電纜供電半徑小，線路長度短，導(dǎo)線截面范圍大。在高電壓等級的輸電線路中因?yàn)橹鞲删W(wǎng)的作用，輸電走廊具有重要價(jià)值，其故障在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，但是隨著近年來用戶對供電可靠性要求的不斷提高，我國低壓電纜的故障定位技術(shù)備受關(guān)注，也成為研究的主要關(guān)注點(diǎn)，但電纜不同電壓等級特點(diǎn)不同，低壓電網(wǎng)需要根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)故障檢測方法。

電纜是電力系統(tǒng)連通的物理通道，是電力系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是運(yùn)維檢修的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者對電纜故障檢測做了大量研究，而低壓電纜線路距離短，線徑較大，具有多分枝特點(diǎn)，一直是電纜故障定位的難點(diǎn)。

現(xiàn)有電纜故障檢測方法較為常用的是低壓脈沖反射法和沖擊高壓閃絡(luò)法，其他方法目前應(yīng)用尚不成熟[1-7]。在高電壓等級研究較為深入，目前已經(jīng)開展了詳細(xì)地仿真計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了線路關(guān)鍵參數(shù)的離線分析診斷，提高了在線分析計(jì)算的參數(shù)精度[8]。中壓線纜主要是針對電纜頭與線路的小電流接地選線[9-10]，方法上沒有取得突破。

低壓線路故障相對于高壓和中壓有著較大區(qū)別，使用場景多，如水下、飛機(jī)、高鐵車輛及常規(guī)配電線路[11-14]，同時(shí)線路的線徑較大，距離較短，故障過程更為快速，因此在檢測方法上較中高壓有著不同要求，需要在傳統(tǒng)方法上進(jìn)行改進(jìn)或提出更為快速的檢測方法。傳統(tǒng)方法的改進(jìn)包括低壓脈沖反射法、故障沖閃測試方法和脈沖跨步法等[15-16]。同時(shí)，人工智能方法也在故障檢測中逐步采用，如包含復(fù)合權(quán)重的電纜模糊綜合預(yù)警模型和小波包分析方法[17-19]，此類方法在某些特定情況下提高了檢測的精度和速度，但適應(yīng)性差。此外，新型注入式檢測方法，故障時(shí)域反射波技術(shù)得到應(yīng)用[14]，該種方法可適應(yīng)短線路至長線路的較寬距離范圍，具有相當(dāng)潛力，但在解決實(shí)際生產(chǎn)問題中尚處在探索階段，對實(shí)際場景理解不足。

本文針對配電站室至用戶電纜分支箱的低壓電纜線路故障定位開展研究，比較國內(nèi)外現(xiàn)有低壓線路故障定位方法，采用基于擴(kuò)頻故障時(shí)域反射波的低壓故障定位方法，并據(jù)此提出主動型低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法。

1 STDR/SSTDR工作原理

電纜故障信號的時(shí)域反射分析法（STDR）在對時(shí)域反射法（TDR）方法的基礎(chǔ)上，發(fā)射為脈沖信號，可免疫噪聲，它適合于低壓電纜故障的在線檢測與定位。

設(shè)STDR/SSTDR方法中的PN序列為()，則測量端檢測到的信號為

其具體檢測框圖如圖1所示。

圖1 電纜的相關(guān)檢測模型

圖2中選用較好溫度特性的晶振作為主系統(tǒng)的時(shí)鐘源，驅(qū)動偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的PN碼。

圖2 STDR/SSTDR方法的基本原理圖

2 SSTDR測距方法

故障定位的范圍則可如式（3）所示：

（3）

故障鑒別能力用最小測量距離來表示，即

從式（2）還可以看出系統(tǒng)的測距能力有限，即有一個(gè)最大的測量距離：

（5）

設(shè)要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：最大故障定位距離8km，定位盲區(qū)2m，由式（2）至式（5）計(jì)算得到，所有PN碼的碼片持續(xù)時(shí)間為1/200MHz，PN序列長度應(yīng)大于1000。

3 主動型低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位

在擴(kuò)頻故障時(shí)域反射波的基礎(chǔ)上，本文提出了一種適用于主動低壓多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，它采用擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器與被動式濾波器配合，通過站室智能配電終端協(xié)調(diào)管理實(shí)現(xiàn)低壓饋出線路故障精準(zhǔn)定位，可解決離線式檢測方法在時(shí)間上的不足和常規(guī)在線式方法在多分枝線路的不足，實(shí)現(xiàn)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c建筑物線路布置圖的故障點(diǎn)快速查找與精準(zhǔn)定位，降低現(xiàn)場破壞性查找的資源浪費(fèi)。

由于低壓線路多分支，線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮到成本問題，故不采用每個(gè)末端線路均配置擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器，而是采用SSTDR放于線路首端，在線路末端配置阻波器，因?yàn)樽璨ㄆ鞅萐STDR裝置成本較低，故此方案可以節(jié)約成本。具體線路配置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有變壓器、斷路器、母線、饋線及其分支，在每段線路配置擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器，如圖3的SSTDR1至SSTDR3，在每條線路的首末端配置阻波器，其中，SSTDR注入線路的信號頻率可在3～30MHz可設(shè)定，SSTDR的起動停止由站室終端設(shè)定，阻波器可濾除1MHz以上高頻信號，SSTDR的高頻信號在阻波器處將會被反射，可根據(jù)反射波從發(fā)射到接受的時(shí)間差判斷該線路電氣距離是否正常。在配電站室中配置站室終端，通過低壓電壓量測模塊獲取配電室的母線三相電壓有效值，通過低壓電流量測模塊獲取各條線路工作的三相電流有效值，配電站室可根據(jù)電壓電流值判斷哪條線路故障，并初步判斷故障類型。通過開關(guān)量輸入輸出模塊獲取各支路斷路器的狀態(tài)。站室終端由低壓電壓測量模塊、電流測量模塊或開關(guān)量輸入輸出模塊獲取數(shù)據(jù)的方式，為以太網(wǎng)通信，觸發(fā)條件為數(shù)據(jù)變化超過1%或開關(guān)量變位。

站室終端與每段母線配置的低壓電壓量測模塊和開關(guān)量輸入輸出模塊、每條支路的電流測量模塊進(jìn)行通信，由站室側(cè)獲取低壓配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)每秒母線三相電壓有效值跌落超過20%或支路斷路器位置信號為閉合但電流跌落至零，則起動該支路配置的SSTDR，發(fā)送擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波進(jìn)行故障測距，故障類型和故障位置通過以太網(wǎng)返回至站室終端，站室終端收到信號后記錄故障線路的名稱和位置，并自動發(fā)送給檢修人員。

本方法可適用于以下4種接線：

1）站室饋出線無分支，如圖1中L2的情況，只需在饋線首末端設(shè)置阻波器，饋線處設(shè)置SSTDR裝置，采用單線測量和檢測即可。

2）站室饋出線連接至分支箱，如圖1中L1的情況，在站室饋出線首端、分支節(jié)點(diǎn)末端，以及各分支的首末端設(shè)置阻波器，阻波器保證了SSTDR發(fā)送的擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波被封閉在測量區(qū)間內(nèi)，保證測量的準(zhǔn)確性，站室饋出線首端配置SSTDR裝置。

3）在T型連接線路的分支后主干處，如圖1的L3處，需要在主干處首端配置SSTDR裝置和阻波器。

4）在T型連接線路的分支后支路處，如圖1的L4處，在分支處的首端設(shè)置SSTDR和阻波器裝置。

4 區(qū)段故障定位方法

假設(shè)將故障點(diǎn)設(shè)置在線路L3，該線路接線較復(fù)雜，故障點(diǎn)在T接線路的分支后主干處，設(shè)其故障類型為短路，接線圖如圖4所示。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象及其工作步驟如下。

圖4 系統(tǒng)實(shí)施案例示意圖

1）站室終端起動后，接收低壓電壓測量模塊、電流測量模塊或開關(guān)量輸入輸出模塊發(fā)送的測量信息，得到線路的電壓、電流和開關(guān)量信息。

2）在收到L5線路監(jiān)測到低壓電流測量模塊發(fā)送的電流變化信息后，確認(rèn)開關(guān)量輸入輸出模塊發(fā)送的開關(guān)位置為閉合，以便區(qū)分是故障擾動還是開關(guān)動作擾動。

3）當(dāng)每秒母線三相電壓有效值跌落超過20%或支路斷路器位置信號為閉合但電流跌落至零，站室終端起動SSTDR3、SSTDR4、SSTDR5、SSTDR6、SSTDR7，分別對應(yīng)的向SSTDR裝置所在的線路發(fā)送擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波進(jìn)行故障測距，故障類型和故障位置通過以太網(wǎng)返回至站室終端。

4）站室終端收到線路L3安裝的SSTDR4發(fā)送的故障類型與故障位置，并排除其他線路故障可能性，將所得的故障信息進(jìn)行記錄，并向檢修人員發(fā)送信息。

5 結(jié)論

本文對比了現(xiàn)有線路在線故障檢測方法，從低壓配電網(wǎng)重要性、場景復(fù)雜性以及線路大截面低阻抗特性出發(fā)，選用了適合于低壓配電網(wǎng)特性SSTDR檢測方法，在不影響現(xiàn)有低壓電網(wǎng)電能質(zhì)量的前提下提高檢測精度與檢測速度，重點(diǎn)針對低壓配電網(wǎng)的接線方法提出了多分枝電網(wǎng)的區(qū)段故障定位方法，通過站室智能終端間的配合、檢測終端與阻波器配合，實(shí)現(xiàn)了低壓電網(wǎng)的故障檢測與定位。

該方法可適應(yīng)由中心配電室或柱上變壓器臺區(qū)到低壓用戶電能計(jì)量表前的低壓線路故障定位，通過站室配電終端對低壓線路量測數(shù)據(jù)監(jiān)測起動故障定位，正常狀態(tài)下無諧波注入，在故障情況下通過擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器可快速實(shí)現(xiàn)故障測距，再加以阻波器的配合可實(shí)現(xiàn)多個(gè)擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射波發(fā)生器分區(qū)端定位，有效適應(yīng)低壓線路T型連接及分支箱多分枝情況，大大縮短故障定位時(shí)間，并提高定位精度，為故障檢修節(jié)約查找時(shí)間。

[1] 白曉斌. 低壓脈沖法和沖閃法對電纜故障定位的分析[J]. 電線電纜, 2008(2): 41-44.

[2] 陸鋒. 電力電纜故障的診斷及防范[J]. 供用電, 2006(6): 45-48.

[3] 許東升, 田鳳蘭, 趙珩, 等. 電力電纜故障現(xiàn)場測距方法的研究與應(yīng)用[J]. 高壓電器, 2009, 45(5): 136-140.

[4] 王傳旭. 高壓電纜故障分析及其狀態(tài)檢測技術(shù)[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(9): 70-73, 77.

[5] 周封, 遲震, 伏圣群, 等. 基于脈沖反射法電纜故障定位脈沖源的設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 19(3): 74-79.

[6] 李金潔. 基于脈沖注入法的電纜故障定位[D]. 保定: 華北電力大學(xué), 2014.

[7] 王瑋, 蔡偉, 張?jiān)? 等. 基于阻抗法的電力電纜高阻故障定位理論及試驗(yàn)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2001, 25(11): 38-41.

[8] 張玉佳, 齊偉強(qiáng). 多分支高壓電纜線路故障定位技術(shù)研究[J]. 電氣應(yīng)用, 2015(S2): 224-227.

[9] 彭晶, 劉光琪, 丁薇, 等. 高壓開關(guān)柜暫態(tài)地電壓局部放電檢測方法研究[J]. 云南電力技術(shù), 2016, 44(4): 26-29, 34.

[10] 王磊, 駱瑋, 曹現(xiàn)峰. 基于IEC 61850及EMD算法的小電流接地故障選線裝置設(shè)計(jì)[J]. 電氣應(yīng)用, 2016(17): 32-37.

[11] Siew W H, Soraghan J, Hosabettu N, et al. 地下配電網(wǎng)故障的自動定位[J]. 供用電, 2004(2): 12-17.

[12] 鄒成偉. 電纜測試儀故障定位單元研制[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

[13] 羅云鵬. 基于多模信息融合的電力電纜故障精確定位技術(shù)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2014.

[14] 朱朝旭. 基于STDR/SSTDR的鐵路信號電纜故障在線檢測系統(tǒng)的研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學(xué), 2012.

[15] 許珉, 白春濤, 秦毅男, 等. 電力電纜故障低壓脈沖自動測距方法[J]. 繼電器, 2007, 35(7): 37-40.

[16] 李峰, 徐丙垠. 電力電纜故障沖閃測試放電回路建模[J]. 電力自動化設(shè)備, 2011, 31(3): 46-51.

[17] 高昇宇, 王春寧, 顧承陽. 基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(9): 142-144.

[18] 姜林, 郭昕, 何文榮, 等. 基于小波包分析電纜故障定位的研究[J]. 智能電網(wǎng), 2015(1): 39-42.

[19] 禹水琴. 基于小波分析電纜故障點(diǎn)定位方法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2006.

Study on Section Faults Location Method of LV Multi-Branch Network

Lu Huaidong Lv Ping Xie Rongkun Xiang Minjiang

(Ji’nan Power Company of State Grid, Ji’nan250200)

Based on the comparison of the existing line fault detection method, the SSTDR detection method is engaged in low voltage distribution network characteristic, for the importance of low voltage distribution network, the complexity of the scene and the low impedance characteristics of the numerous LV lines. The section faults location method of lv multi-branch network is proposed based on SSTDR. The fault detection and positioning of the LV power network are realized by the cooperation between the intelligent terminal of the station and the detection terminal. The method can be used to monitor the fault location of the low-voltage line measurement data through the distribution terminal unit. In the event of a fault, the time-domain reflected wave generator can be quickly realized by the extended spectrum. It is effective to adapt to the fault location time and positioning accuracy of the T-type connection and the branch gearbox of the LV line.

LV fault location; multi-branch network; SSTDR; filter

逯懷東（1964-），男，山東省濟(jì)南市人，本科，主要從事智能配電運(yùn)檢管理與技術(shù)研究工作。