架空型故障指示器在高速供电系统中应用的可行性

卢烨

（福建省高速公路集团有限公司龙岩管理分公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

随着我国经济高速发展，10kV、35kV直配线路的负载日益增加，供电半径也相应扩大，同时分支线路数量增多，使配网的结构更加复杂。由于给山区高速公路提供用电的10kV架空线路架设于人烟稀少的区域，线路跨度非常大，线路运行所处环境的糟糕程度远远超乎想象，雷电、大风、暴雨、泥石流等外力破坏造成的故障发生率较高。变电站10kV馈线侧采用小电流接地系统，单相接地故障电流小，不易识别，特别是随着增支扩容，仅依靠零序电流整定值比较大小的方式判断故障比较困难。架空线路发生故障时无法精准定位，往往需要依靠人工巡线，通过逐段排查来缩小范围，最终确定故障点所在位置。但是这个过程完全靠人力堆积，耗时耗力、效率极低。因此通过技术手段提升线路故障分析及故障点位诊断效率对保障稳定用电具有重要意义。

1 架空线路常见故障分析

电力是高速公路收费、监控、通信系统不可缺少的能量，配电网络的安全和稳定运行历来备受重视。但由于山区高速的特殊性，电力在使用过程中经常会出现突发性故障。

1.1 单相接地故障

单相接地故障多发生在潮湿、多雨天气，是由于树障、配电线路上绝缘子单相击穿、导线接头处过负荷烧断或氧化腐蚀脱落、单相断线等诸多因素引起。

1.2 短路故障

由于山区高速的供电线路途经山林的区域特别多，狂风天气时，紧邻电杆的树木被吹断，倒压在线路上导致短路；或者导线弧垂过大，遇大风时摆动，易造成短路；另外线路、设备运行时间较长，绝缘性能下降，也会造成该类故障；还有穿梭林间的小动物、鸟类落到线路上、筑巢造成的相间短路，多发生在线路的T接杆、转角杆、隔离开关安装处，因为这些部位联络线密集，相间距离虽然能满足安全距离30cm的要求，但是安全距离余量不够，鸟类在下落或起飞时翅膀展开，容易发生相间短路，联络线密集也是鸟类筑巢的良好场所，筑巢的树枝、铁丝等也会引起相间短路。

1.3 断路故障

超高车刮断导线、树木等异物砸断导线等造成断路；空旷地带的绝缘线易被雷击而造成断线故障。从以往事故案例可以看出，断线故障点大多发生在绝缘支持点500mm以内，或者在耐张和支出搭接处。

2 架空线路故障处置方法

2.1 架空型故障指示器的应用原理

由于故障指示装置是直接安装在高压线路上的，具有线路负荷监测、短路故障、接地故障指示功能，能帮助寻线人员快速查找到故障点，缩短停电时间，提高供电可靠性。当故障指示器检测到短路、或接地故障特征后，会立即触发翻牌和闪光报警指示，将故障信息通过433MHz无线传输到架空通信终端。架空通信终端是一种用于配电网络故障探测与定位系统（FLS）的通讯转发器，其主要作用是从架空型故障指示器发出的无线电信号中，解调、解码和再解码，利用Gprs/GSM短消息（gsm）或无线级联（gsm）或无线级联（gsm）向智能配电网的中心站发送信息。架空子站采用的Gprs/GSM方式，充分利用现有的移动通讯技术，具有投资成本低和可靠性高的优势，能够长距离传输。在没有gprs/gsm通讯模式的区域，架空通信终端通过无线级别的组网方式向配网中心传输信息，但为了达到组网的目的，必须设置大量空子站，投资高昂，只适用于山区。为满足架空通信终端的工作电源需求，通常要遵循如下原则：在有电力供应条件的区域，架空基站优先选用“pt+”备用电源；在不使用pt电力的区域，可通过减少架空子站的电力来实现“太阳能+备用电源”。

2.2 架空型故障指示器的故障判断说明

线缆系统故障指示装置主要用于小电流接地系统或低电阻接地系统的故障诊断。

(1)将短路故障指示器用于有线系统。在相线上，一般都安装有一种短路故障指示装置，用以监测线路间的短路和负荷，同时监测线路的温度。该系统采用短距离光纤与通信终端通信，实现了主、次设备的完全隔离。

(2)将接地故障指示器用于电缆系统。三相电缆一般都配有一个接地故障指示器，用以监测电缆的接地情况。由于我国配电网的中性点集无功（非接地或谐振接地）和低电阻接地，因此，为了满足不同的接地要求，必须能适应以上两种不同的接地方式。

2.2.1 故障诊断启动条件

短路故障发生后，如果电流在3s内恢复正常，则为瞬时故障，瞬时故障复归时间一般为12h；如果电流未在3s内恢复正常，则为永久故障，永久故障复归方式一般为上电复归；发生单相接地故障时，都会在故障发生瞬时产生一个持续时间在5ms～20ms的暂态过程，期间故障相电流会产生幅值较大的高频暂态信号,同时故障相电压降低。

2.2.2 故障动作条件

图1 瞬时故障时序图

图2 永久短路时序图

发生故障时，故障线路前2个周波零序电流由线路流向母线，与健全线路方向相反，2个周波后零序电流方向取决于补偿方式；架空线路故障综合装置采集单元可以采集到故障相高频暂态电流信号，配合故障相电场突变信号可就地判别故障；汇集单元同时与配电自动化主站建立通信，将监测的负荷信息和故障检测数据传至配电自动化主站。

2.2.3 故障定位判定

在变电站出线、分支点、末端，以及配电线路各个合适节点处，安装一套故障指示器。

根据故障指示器翻牌闪灯，以及故障信号远传功能，系统采集信息综合处理判断，可快速定位到故障位置。发生故障的区间在最后一个触发的故障指示器和第一个未被触发的故障指示器之间。

3 架空型故障指示器的应用效果分析

3.1 架空型故障指示器应用前后的对比分析

假设一条长15km的架空线路出现短路，按照传统办法，检修班组先分两组人员，A组工作人员前往故障线路供电末端的配电房外，将终端杆刀闸分开；B组工作人员在对应供电线路的变电站的1#杆处等候，接到A组人员电话通知确认终端杆已分闸后，利用绝缘电阻测试仪，逐相摇测整条线路的绝缘电阻，确定故障相线；然后B组人员前往线路中间段，对故障相线重复绝缘测量工作，慢慢将故障范围缩小，顺着电缆一路追踪，直到故障点的位置，由于架空线路架设于人烟稀少的区域，穿山越岭，巡检班组利用巡逻车到达线杆所在的山林，徒步抵达对应电杆位置作业；运气好时也要测量3处～4处才能明确故障点位，期间需花费10多个小时，这不仅耗费大量的人力物力，还会影响整个供电系统的正常运行，且长时间的市电中断对于柴油发电机、UPS这类后备供电设备也是不小的考验。

当10kV高压线路中安装了架空型故障指示灯后，就等于将整条线路网格化，每一块区域上都有一个指示灯，线路出现异常的时候，检修班组首先要做的就是沿线寻找报警指示，然后检查对应区域，相比传统的检查流程，可节约30%的时间，提高了检查效率，确保故障得到及时处理，快速恢复电路的正常运转。

3.2 架空型故障指示器的应用优势分析

首先，从上述结果可以看出，架空式故障指示装置可精确地判断出故障区域，为维护人员提供更为精确的信息，从而使电网的安全、稳定得到极大改善。在高速电力供应网络系统里面安装了故障指示仪，可将一条输电线路分成等量的小区间，不仅可提高故障诊断精确度，还可减少检修工作的难度。当线路上的故障指示灯出现时，工作人员只要按照提示就能迅速到达对应位置，不需巡查整条线路。其次，架空故障指示器不但能在线路发生故障时发挥功能，在日常运行中24h不间断地对线路检测、记录，为线路运行、监测提供大量可靠、高效的数据，在线路维护、电网调度、电网建设、电网运行等方面发挥着重要作用。最后，架空式故障指示仪主要是利用计算机网络技术和通讯技术监测线路，相比于人工巡视更具科学性，避免减少线路故障不被发现，保证线路的安全和稳定。

4 应用预期效果

首先，架空式故障指示仪可以24h连续监测线路的工作状态，既能确保线路安全，又能在人员松懈的情况下及时发现故障，降低故障严重性，减少故障对线路的损坏，从而减少故障的发生。智能故障指示装置的存在，减少了维修费用和经费的投入，架空式故障指示器利用电脑、通讯技术对线路实现实时监测，减少了工作人员的工作量，节省了大量人力资源，减少了相应费用，对提高输电线路的经济效益具有十分重要的意义。架空式故障指示系统，显著地提高了供电线路的运行效率，减少线路故障的发生，将市电中断时间由十几个小时缩短至几个小时，对此受到停电影响的收费站点配电房内的柴油发电机运行时间也大大减少，除了延长后备用电设备使用寿命以外，也极大的降低停电期间的柴油消耗，达到节能效果。此外，高效的线路修复也能加快隧道用电的恢复，降低隧道因停电给高速行驶的过往车辆造成事故风险。综上可以看出，故障指示器在实际应用中具有巨大的隐性经济价值，对于提高电力系统运行稳定性、达到效益最大化具有不可替代的优越性。

5 结论

智能电网是经济、技术发展的必然产物，随着电力、通讯技术的飞速发展，针对我国配电网的特点和技术水平，研制的故障指示仪的技术含量和使用范围也将不断提高和扩大。在配电网中，架空式故障指示器的应用具有非常重要的意义，其主要的作用是判断故障类型、确定故障部位、提供参考资料、辅助电网调度等，同时还具有缩短检修周期、提高工作效率、提高经济效益、保障配电网正常运转等功能。另外，在配电网中加装架空型故障指示仪，能实时记录配网数据，为高速电网调度计划的制定和运行提供依据，为高速收费运营的健康、稳定工作提供保障。