架空线路故障在线监测系统四遥功能的实现

周健科，沈佩琦

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

非有效接地电网对提高供电可靠性非常有利，我国的中低压配电网普遍采用这种接地方式。配电线路故障，尤其是单相接地故障的快速、准确定位，不仅对修复线路和保证可靠供电十分重要，而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。对于线路的相间短路故障，由于会伴随出现过流现象，一般比较容易检测。但当非有效接地电网发生单相接地故障时，由于故障电流非常小，常规继电保护无法检测到故障线路，需要采取其他手段或技术。

目前国内有众多企业对此展开研究，提出各具特色的办法。主要可以概括为2类：以检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障定位的信号注入法，和利用户外故障探测器检测故障点故障信息来确定故障区段的电容电流法。

本文分析了这两类故障定位原理及优缺点，在此基础上阐述综合法的原理，并探讨了可实现四遥功能的LIU（配电线路自动化远方终端）装置的开发和应用。

1 架空线路故障定位原理

1.1 信号注入法

文献[1-3]介绍的信号注入法是利用电网母线的接地电压互感器注入交流信号电流，通过检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位。发生接地故障后，通过三相电压互感器的中性点向接地线路注入特定频率的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号寻迹原理即可实现故障选线并确定故障点。

信号注入法的最大优点在于其适合于永久性接地故障，缺点是：

（1）注入信号的强度受变压器容量限制。

（2）接地电阻较大时，线路上的分布电容会使注入信号分流，给选线和定点造成干扰。

（3）如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续，使检测较为困难。

（4）寻找故障点花费时间较长，有可能在此期间引发系统的第2点接地，造成线路跳闸。

1.2 电容电流法

电容电流法是通过户外故障指示器检测电网发生单相接地故障瞬间的暂态接地电流来实现故障定位的方法。

以中性点经消弧线圈接地的系统为例，在故障瞬间，流过故障点的暂态接地电流既有工频分量，也有高频振荡分量。流过故障点的暂态接地电流是由故障相对地电容的放电电流、非故障相对地电容的充电电流和消弧线圈的暂态电感电流叠加而成，两者在频率和幅值上都不相同，其特征根据两者的具体情况而定。在故障初始阶段，暂态接地电流的特征主要由暂态电容电流特征确定。在中性点经电阻接地系统和中性点直接接地系统中，不存在消弧线圈的电感电流部分。因此，其暂态接地电流的特征与经消弧线圈接地系统相似。

可见电容电流法适用于：中性点经消弧线圈接地系统；中性点经电阻接地系统/中性点不接地系统、中性点直接接地系统。

电容电流法的优点是成本低，施工简单。其缺点是：

（1）目前只能实现“一遥”功能。

（2）供电系统不能满足长年限运行。

（3）受测量环节的精度限制，准确率稍低。

1.3 综合法

由于配电网结构复杂，单相接地故障又具有多样性，可利用的故障电流通常很小，相对信噪比很低，再加上测量环节的精度限制，使得现有的选线装置不能很好地满足实际需要。

处理非有效接地电网故障定位问题应该从客观实际情况出发，根据非有效接地电网单相接地故障的各种状态，可以得出这样的结论：仅凭1种选线方式或者仅凭1种故障特征量并不能对各种单相接地状况做出正确判断，应该尽可能多地挖掘和利用单相接地故障的各种特征表现，研究更有效的办法来抽取和识别这些特征，形成综合选线系统，才能达到精确选线的目的。

综合法是根据多年来对接地故障检测研究经验得出的一种独特有效的接地故障检测方法。综合法主要是将采集到的多种线路特征参数按照设定的算法进行综合分析，从而实现对接地故障的判定。这些特征参数包括：暂态电容电流、负荷电流、对地电压等，也就是在电容电流法的基础上叠加负荷电流、对地电压的判据，以避免测量精度对故障定位的影响。

与其它单一条件的检测法相比，综合法可以有效防止因电磁干扰、涌流、谐波等造成的误动，对接地故障的判定更准确，适用于中性点接地系统、中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统。

2 配电线路自动化远方终端

从上述对信号注入法、电容电流法、综合法的原理和优缺点的综合分析可知，综合法有一定优势，但配电网自动化建设的最终目标是在配电网实现四遥功能，即遥测、遥信、遥控和遥调。从目前配电网实际情况看，架空线路的数据实时采集和架空线路故障定位成为困扰配电网自动化实现的重要因素。

建立配电网SCADA（实时数据采集）系统，全面掌握配网线路运行的参数和状态，是实现配电自动化的基础，在此基础上才能实现配网的负荷预测、状态估计、故障隔离和网络重构等高级应用。目前，配电架空线路上的运行参数一般都是通过变电站内的馈线开关和线路上安装的带有智能控制器的柱上开关来获得，但由于柱上开关数量有限，带有控制器的开关就更少，而架空线路分支较多，主干线路也较长，管理部门难以全面掌握线路数据，因此架空线路的故障定位更难实现。配电线路是最容易发生故障的系统之一，短路故障和单相接地故障是最常见的故障形式。发生故障后，如何快速定位故障位置，指导线路运行部门及时抢修故障、恢复供电，将是今后配网自动化工作中要重点解决的难题。国家电网公司于2009年11月编制的《配网自动化试点建设与改造技术方案》中明确指出，在架空线路上可采用带通信功能的故障检测终端，实现故障类型、故障位置等遥信量的上传。

为了解决上述技术问题，需要开发一种全新的适用于架空线路的配电线路自动化远方终端，即LTU。为此，在综合法基础上研发了由配电线路自动化远方终端控制器、电子式互感器、户外单相变压器和通信模块组成的LTU，具有四遥功能，是实现架空线路自动化的高效解决方案。

2.1 LTU的功能及特点

LTU具有以下特点：

（1）实现架空线路遥测。实时采集线路的电流、电压、功率、谐波等数据，采集的数据可以每秒钟上传1次，为配电自动化提供数据支持。

（2）实现架空线路遥信。准确检测线路发生的故障情况，包括相间短路、过电流、单相接地、过电压、欠电压、缺相、断电等故障或者异常状态，并及时上传。实现了故障精确定位，为提高供电可靠性提供了技术支持。

（3）实现架空线路遥控。LTU可以与线路已经安装的柱上开关相配合，后台软件可以通过LTU远程控制柱上开关的分合。当确定了故障精确范围后，通过遥控柱上开关，将故障区段隔离出来，恢复其他无故障区段的供电，提高了经济效益和社会效益。

（4）实现架空线路遥调。架空线路所带负载变动大，线路改造频繁，线路的输送功率和供电方向经常变动，因此判断故障的判据需要随之改动，这些改动都可以通过后台软件远程实现，使用灵活。

2.2 电子式电流/电压互感器的应用

电子式互感器是LTU的重要组成部分，是采集配电架空线路三相电压和电流的一次设备。电子式互感器与传统的电磁式互感器相比具有很多优势，非常适合在LTU中使用。

电子式电流/电压互感器应用在LTU中有以下优势：

（1）测量范围广。电子式互感器的频响范围宽、测量线性范围广、线性度好，在有效量程内，电流互感器精度可达到0.2S/5P级，电压互感器测量精度可达到0.2/3P级。

（2）应用方式灵活。电子式互感器输出的都是小电压信号，一般为1.5～4 V，可方便地与数字式仪表、微机测控保护设备接口，无需进行二次转换，从而可以降低系统应用的复杂度和测量误差，提高了设备的稳定性和准确度。

（3）安全可靠。电子式互感器均不含铁芯（或含小铁芯），不会出现饱和现象。即使电流互感器二次开路也不会产生高电压，电压互感器二次短路时也不会产生大电流，无过电流击穿的危险，也不会产生铁磁谐振，从而保证了人身及设备的安全。

（4）体积小，功耗低。电子式互感器体积小、重量轻，能有效节省空间，功耗极小，节电效果十分显著，具有环保产品的特征。

（5）多用途。电子式电流互感器集测量和保护于一身，能快速、完整、准确地将一次信息传送给计算机进行数据处理，或与数字化仪表等测量、保护装置相连接，完成计量、测量、保护、控制、状态监测。还可作为带电显示装置实现一次电压数字化在线监测。

（6）使用寿命长。由于电子式互感器自身是低功耗的，自身线圈不会产生发热，保证了互感器的使用寿命。安装使用简单方便，运行无需维护，使用寿命大于30年。

3 结语

目前，架空线路实现配电自动化的难题是架空线路的数据实时采集和架空线路故障定位。

新型配电线路自动化终端采用电子式互感器和综合法有效解决了以上难题，可以实现灵活的配网自动化，在主站系统应用后使配电网管理的效率大大提高。

[1]桑在中，潘贞存，李磊，等.小电流接地系统单相接地故障选线测距和定位的新技术[J].电网技术，1997，21（10）∶50-52.

[2]王新超，桑在中.基于“S注入法”的一种故障定位新方法[J].继电器，2001，29（7）∶9-11.

[3]桑在中，张慧芬，潘贞存，等.用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护[J].电力系统自动化，1996，20（2）∶11-12.

[4]张慧芬，潘贞存，桑在中.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化，2004，28（3）∶64-66.

[5]李福寿.中性点非有效接地电网的运行[M].北京：水利电力出版社，1992.