单相接地故障指示器的应用

吴军汝，李宝树，梁仕斌，田庆生，代云洪

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

单相接地故障指示器的应用

吴军汝1，3，李宝树1，梁仕斌2，田庆生2，代云洪3

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

通过研究现有应用的 “暂态综合判据法”和 “信号源注入法”检测原理，发现这两种方法适用于配电网常见的中性点不接地和经消弧线圈接地系统，且动作准确性高于其他检测原理，应结合故障指示器的原理及网架结构的复杂程度，选择与配网相适应的检测原理及设备。然后通过对故障指示器的应用现状分析，给出了故障指示器系统自身功能扩展及该系统接入配电自动化系统的发展方向的建议。

接地故障指示器；故障检测方法；故障定位系统

0 前言

中低压配电网一般为小电流接地系统，发生单相接地故障率占总故障率的85%以上，但由于故障特征复杂多变，选线和定位故障区段困难，严重影响着供电可靠性。故障指示器能够实时监测线路的运行状态，对线路故障进行快速准确定位，并发出报警指示。而且故障指示器与其他配电自动化设备相比，具有体积小、成本相对较低的优点。因此应用单相接地故障指示器进行故障定位作为故障选线与定位的一个重要技术手段，已经在我国很多地区得到了广泛应用。

早期的故障指示器检测单相接地故障的方法原理主要有：零序电流法、电容电流法、首半波法、5次谐波法等。这些检测原理都依赖发生故障前后配电网络参数的变化，但是这些原理的适用范围都有一定的局限性[1]，如零序电流检测法，在中性点经消弧线圈接地的系统中，零序电流的幅值和相位随消弧线圈补偿度的大小变化；首半波法从理论上就有死区等，影响了这些方法的准确性。因此，上述这些检测原理的指示器在并未实际中得到有效应用。经过对厂家和用户的大量调查，现在投入实际生产应用的故障指示器检测方法主要为暂态综合判据法和信号源注入法。

1 暂态综合判据法

在单相接地故障出现的短时暂态过程中，故障相电压突然降低会引起线路的分布电容对地放电，非故障相电压突然升高使线路的分布电容充电，因此具有丰富和显著的故障特征量，暂态综合判据法就是通过检测多种故障特征量来判断是否发生了单相接地。接地故障指示器检测的暂态信息特征包括：故障相电压降低；暂态电容电流远大于稳态电容电流几倍到几十倍；线路出现零序电流，在某个频段内故障线路零序电流方向由线路流向母线；接地瞬间出现高次谐波信号；接地瞬间暂态电容电流和相电压有个固定的相位关系；线路不停电等[2]。根据这些故障信息制定相应的判据：

1)线路中有突然增大的暂态电容电流，稳态电流值不小于I0。发生接地故障时，40 km的架空线路会产生1 A的稳态电容电流，3 A的暂态电容电流。可以将接地检测的电容电流启动值I0设为1 A，则只要同一母线下10 kV线路超过40 km，指示器就可以有效动作。

2)接地线路对地电压降低幅值不小于△U。考虑到系统经过渡电阻接地的情况，电压不会降为零。

3)可识别故障电流持续时间不小于△t。考虑瞬时接地的情况。

4)5次谐波电流突然增大。

5)暂态电流方向和瞬时无功功率方向相位比较。只有接地点之前的状态能够满足设定值。

动作判据不局限于以上几项，要根据指示器所安装线路的实际网架结构、运行参数确定具体的判据和启动值，如线路的长短不同，指示器的灵敏度不同，因此要根据线路长度设定启动值[3]。

暂态综合判据法一般可检测接地电阻小于200 Ω的瞬时性接地故障和永久性接地故障；由于消弧线圈的特性，中性点经消弧线圈接地与中性点不接地的暂态过程是相似的，因此两种接地方式都适用；也不会对系统运行造成影响。但要快速、准确捕捉暂态量，终端必须具备较高的测量和处理能力；由于灵敏度高，误动的可能性较大一点。总体来讲，暂态综合判据法原理采集多种故障暂态信息作为判据，对大量数据进行横向和纵向的比较，综合分析出接地故障及故障位置，较早期的故障指示器提高了动作的准确率。

2 有源信号注入法

采用信号注入法原理是在发生单相接地故障后，由信号源装置主动向系统发送信号，安装在故障通道上的单相接地故障指示器收到这一特殊信号后，做出报警指示来检测单相接地故障。安装在变电站的信号源可以安装在10 kV开关室也可以装在室外，它与故障指示器组成故障定位系统。此法不受系统运行方式、拓扑结构、中性点接地方式、以及故障随机因素等的影响，适合于各种不同的小电流接地系统，不需要给故障指示器设定门槛值，对指示器的测量和处理能力要求不高。

2.1 “S”信号注入法

单相接地信号源装置实时监测母线电压和中性点电压，在故障发生后，利用此时原边被短接，暂时处于不工作状态的接地相PT人为向系统注入一个基波频率位于工频n次与n+1次谐波 (n为正整数)之间特殊电流信号[4]。该信号只在故障相线路、接地点和大地之间形成通路，在非故障相及非故障线路则不流通，安装在此故障通道上的故障指示器接收到这个特殊频率的信号后就会发出动作指示。通过线路出口和故障通道上的故障指示器指示可以判断故障出线、故障区段及故障分支。

“S”信号注入法不受消弧线圈的影响，不要求线路上装设零序电流互感器，不增加一次设备。因此不影响系统运行，容易实施。但注入信号的强度受电压互感器容量限制，当接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给故障定点带来干扰，所以不适合检测高阻接地。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，给检测带来困难。

2.2 中值电阻投切法

中值电阻投切法原理的信号源需要增加一次设备，主要由熔断器、电压互感器、交流高压接触器、中值电阻、控制器、二极管等几部分组成。当信号源监测到系统发生单相接地故障 (一般为系统出现零序电压超过设定启动值，应与变电站绝缘监视整定值一致)时，高压接触器闭合，向系统投入中值电阻，每隔几秒进行一次投切，这样在故障线路故障相与系统母线间形成人为的故障工频电流，且按中值电阻的投切规律变化，只在故障相的故障点上游和大地之间流通。安装在故障通路上的指示器检测到此故障工频电流信号后就会发出动作指示。控制器会对返回的电流值进行判断，投切过程中规定次数内电流均大于设定值则会认为投切成功，否则信号源要进行重发，以保证指示器能够更加准确的动作。值得一提的是，信号源会延时几秒投入，目的是在这几秒内可以让有消弧线圈的系统，在消弧线圈的作用下接地故障点自动熄弧，从而消除瞬时性故障。

信号源可以安装在变电站或开闭站的室内或室外，二者的区别在于安装于室内的信号源的高压端与站用变压器或PT相连接，适合于中性点

图1 户内型信号源故障指示示意图

经调查，国内很多厂家生产的信号源为中值电阻投切注入信号。由于信号源是纯阻性的，在接入系统后改变了接地时出现的谐振条件，这样降低了发生单相接地时系统过电压的幅值，也减轻了对信号源发出的特殊信号的干扰，增加了故障指示器动作的准确性。但毕竟人为增大接地电流，会增大对系统的安全隐患和对通讯系统的干扰。增加了系统的复杂性，且原因同 “S”注入法也不能检测间歇性接地故障。

暂态综合判据法与信号源注入法有各自的优点，对于网架结构比较复杂，单相接地故障成因多样的系统来说，使用信号注入法定位故障是比较可靠的。各用电部门需根据自身地理环境、网架结构、设备配置管理机制等因素综合考虑选用最适合的检测方法。

3 故障指示器检测的发展方向

随着智能配电自动化的发展，要求实现故障的自动定位、隔离和非故障区段的供电恢复[5]。集成新技术的智能型故障指示器是故障指示器技术的发展方向，故障指示器应能主动将故障信息上传至故障定位系统来实现故障自动定位。根据大量实际调查，现场安装应用的故障指示器基本上已经都带有通信功能。当线路发生接地故障后，动作的故障指示器会通过短无线把故障信息传给经消弧线圈接地的系统；而安装于室外的信号源高压端与线路的出线端相连接，适合于中性点不接地系统。根据信号源内部所采用的算法不同，有的信号源需监测系统三相电压，有的则只需监测两相电压。两种信号源故障指示示意图如图1、图2所示。信号源的工作接地和外壳保护接地分开接入接地网，并保证与接地网的可靠连接。通信终端，再以GPRS/GSM等无线方式，把信息发送到监控主站，主站对这些指示器地址信息进行纠错、校正后，通过拓扑分析和计算找出故障位置。但由于我国配电自动化的总体水平不高，故障指示器系统尚不能接入变电站综合自动化系统，通信系统仍为独立的系统，调配中心不能对故障信息的实时采集与监控，指示器系统只作为故障定位的辅助判定装置应用。

图2 户外型信号源故障指示示意图

应寻求故障指示器系统在配电自动化系统的接入方式，真正作为一个配电自动化设备纳入到生产管理系统中，与其他馈线终端单元结合，对实现馈线自动化起到一定的作用。故障指示器系统与配电自动化其他系统的结合也是今后的一个发展方向，如与 GIS(地理信息系统)和 MIS (管理信息系统)结合[6]，监控主站通过拓扑分析计算出故障位置及故障通路后，可以直接显示在GIS的地理背景上，便于电路的维护和事故抢修；又可用来对配电网设施进行管理，便于设施信息的录入、查询和统计。故障指示器系统以GIS为支撑平台也可以集成在SCADA系统之中，形成故障定位/GIS/SCADA一体化平台，实时搜集故障指示器动作信息和网络拓扑数据，还可以对配电网图形包括电力线路、杆塔、开关、变电站、故障指示器进行编辑，从而更快捷的实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。实现故障指示器系统与配电自动化系统的无缝集成。

就故障指示器系统本身来说，系统则向信息处理的全面性、一致性和可靠性方向发展。在短路接地 “二合一”指示器组成的一遥故障自动定位系统的基础上对配电网实现遥信、遥测的二遥系统技术已经获得突破，即增加线路电流的测量和监测功能，正常情况下监测负荷电流并定时上送，将提高该自动化方案的实用性，不需对一次设备进行改造。还可以在此基础上发展三遥系统：由带动作信号和测量数据远传、可遥控翻牌复归的指示器、可遥控开关和采集开关状态的数据采集器及其系统组成。能够进行本地远程双向通讯，远程GPRS，实现配电网线路的遥信、遥测和遥控，如响应服务器发来的远程召唤指令，将线路的实时温度、负荷信息传送至服务器等。四遥系统采用的故障指示器还可以在线调整参数，实现配电网线路的遥信、遥测、遥控和遥调。

随着无线网络技术的微功耗化，近年来国内出现的依据微功率无线组网技术建立的通信自组网故障定位系统，微功率无线组网指示器根据检测的线路负荷、故障电流及功率方向，能够自动组成一个信息网络、自动路由，下游的指示器将采集信息上传至上一级的指示器，最后上传至远传配变监测终端，终端将故障信息实时上报到主站定位系统。这样则不用再安装大量的通信终端，远远降低了运行费用，提高了性价比。

4 结束语

1)采用暂态综合判据法和信号源注入法检测原理的故障指示器能够适用于配网常见的中性点不接地和经消弧线圈接地系统中，适用范围广，动作准确性高于其他检测原理。暂态法依赖于系统特征量的变化，可检测瞬时、间歇性故障，但对于配电网复杂的网架结构，该法尚不能完全掌握接地故障的变化特征，此时信号源法可靠性更高一些，但费用要高于前者。因此，应根据具体的网架结构，选择与系统相适合的检测原理设备，使指示器的动作准确性更加可靠。

2)、故障指示器系统具有成本低，实用性强的优势。随着其科技含量的提高和应用范围的扩展，该系统其必将融合到配电自动化系统中，在故障发生后实现单相接地故障点的快速自动定位、隔离，在指导实际的生产中得到更加广泛的应用，产生更大的社会和经济效益。

[1] 张彩友.单相接地故障指示器技术现状分析 [J].电网技术，2007，12(31)：280-283.

[2] 王清亮.单相接地故障分析与选线技术 [M].中国电力出版社，2013.

[3] 施伟斌.基于10 kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器 [J].供配用电，2008(3)：96-98.

[4] 王慧，胡珂，桑在中.”S”与电压互感器的特殊接线方式 [J].继电器，2004，32(3)：26.

[5] 徐腊元.国内配网自动化综述 [J].农村电气化，2004，3.

[6] 刘树德，郑琰，杨凤民.基于GIS的故障指示器实现线路快速故障定位 [J].供用电，2006，23(6)：33-35.

Analysis on Application Status of the Existing Single-Phase Grounding Fault Indicator

WU Junru1，3，LI Baoshu1，LIANG Shibin2，TIAN Qingsheng2，DAI Yunhong3
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.Graduate Workstation of Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Studying the exsiting application“transient synthesis criterion method”and“signal injection method”detection principle，found that the two methods is suitable for the common distribution network neutral point grounding and arc-supptession coil ground system.And the accuracy is higher than other principle.We shoud combine the principle of fault indicator with the complexity of the space truss structure to select appropriate principle and equipment to distribution network.Then through analyzing the present situation of fault indicator gives the proposal of development direction which is about system itself function extension and accsess to the distribution automation system.

grounding fault indicators；fault detection method；fault location system

TM75

B

1006-7345(2014)05-0062-04

2014-05-29

吴军汝 (1989)，女，硕士研究生，华北电力大学，云南电网公司研究生工作站，研究方向为配电网故障在线监测与定位技术 (e-mail)wujunr7225＠126.com。