浅谈油田架空线路故障定位应用

王 岗

（珠海优特电力科技股份有限公司，广东 珠海 510800）

油田供电线路大多以直配方式供电，架空线路居多，部分线路延伸较长，特别是给偏远油井供电的线路；大多线路供电半径比较大，分支线路多，线路的结构复杂，一旦线路发生故障，查找出具体故障所在的分支和故障点非常困难，少则几小时，甚至数十小时，给原油生产带来了巨大的经济损失，如何快速定位故障区域，恢复送电，减少经济损失，是油田供电单位迫切解决的问题。

1 现状

在20世纪90年代，故障指示器逐步应用到油田架空线路中，通过故障翻牌指示的方式缩短故障排查时间，提高工作效率，但是其方式任然依赖于人工现场沿线排查，带来的效益有限，不能满足配网对供电可靠性的要求，没有获得用户的广泛认可。

随着技术的发展，通信技术也有了突飞猛进的发展，特别是无线通信的广泛应用，使得故障信息的及时上送成为现实。

具有无线通信的架空型故障指示器挂接于配电架空线路的不同区位，检测到故障时，通过翻牌、指示灯就地指示，并通过无线公网通信将故障信息远传至主站，在主站配合下判断故障所在的出线、支线和区段。

近年来，国内有的厂家推出了具有通信功能的故障指示器，故障指示器内置短距无线通信模块，与同样具有短距无线通信模块的专用通信终端通信，通信终端同时具有无线公网通信功能以连接主站，俗称“3+1”模式，即3个故障指示器加一个通信终端，通信终端供电采用蓄电池或太阳能板，安装在距离故障指示器较近的位置，如塔杆上。也就是说，这些厂家的故障指示器自身没有远距离无线通信功能，数据信息先通过短距无线通信传输至通信终端，再由通信终端传输至主站。因为户外运行环境恶劣，通信终端的供电、安装存在一系列问题：蓄电池维护难度大，低温情况下电池无法正常工作，太阳能板安装繁琐且受灰尘与阴雨天气影响大、通信终端户外塔杆安装工作强度大且在防雨防尘防振防雷等方面要求高，因此，通信终端的制造成本、安装成本、维护成本都较高，这种“故障指示器+通信终端”的模式在电力行业的应用中存在较多的诟病。

因此研发“免维护”要求的高可靠性故障指示器提上日程，“免维护”特指现场装置免维护，只要安装调试完成，后期不需要进行其他现场维护工作。

2 基于无线通信的免维护故障指示器应用

秉承“免维护”的要求，UT-6111架空型故障指示器（下称UT-6111）适用于35kV以下小电流接地系统的中压配网架空线路，是一种具有无线公网通信功能的架空线路故障指示器，采用了无线短距（RF）通信及无线远传一体化技术，掘弃了通信终端，无需蓄电池及太阳能板，实现了产品免维护，可简称为“3+0”模式。实现配电网络架空线路的短路与接地故障检测、上下电与断线检测、就地故障指示、负荷采集、高压带电指示功能，负荷信息和线路故障信息可通过无线公网通信远传至配网主站，从而实现故障定位和数据采集的功能。

2.1 故障定位原理

1）短路故障检测

短路检测：如图由2#线B相2、5、8指示器和C相3、6、9指示器翻红牌显示而11指示器和12指示器仍为白色，即可判断出D点发生短路故障。

检测方法采用过流速断定值法，同时保留传统的自适应法，如图1所示。

图1

自适应法的优点是自动跟踪负荷电流大小，不用整定参数。其缺点一：在两相接地、过流或过负荷短路情况下，短路电流是逐渐增大的，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点二：线路长，短路电流小，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动。

过流速断定值法与变电站微机保护装置的故障检测原理一致，克服了自适应法的缺点。

两种方法都增加了充电判据和电压条件，使线路送电、停电判断更可靠，可防止重合闸期间，非故障线路（分支）因重合闸涌流导致的误动，可防止空载合闸涌流导致的误动，可防止负荷波动导致的误动，可防止大负荷投切导致的误动，可防止相邻线路干扰导致的误动，提高了短路检测的正确率。

2）接地故障检测

接地检测：如图由2#线C相3、6、9指示器翻牌显示而12指示器仍未动作，即可判断出D点发生接地故障，如图2所示。

图2

该方法的特点是能够实时监测线路首半波尖峰电流、线路电压的变化，并根据尖峰电流的方向区分是否接地。

为了防止人工合分闸（停电、投切负荷等）、保护跳闸和自动重合闸期间，非故障线路（分支）因三相开关动作不同期的单相暂态涌流导致误动，指示器增加了“充电判据”，带电稳定运行数秒以后检测故障；同时增加了“不停电判据”，只有检测到线路不停电以后才会给出接地故障告警。

2.2 产品技术创新点

1）CT取电技术

由取能 CT从母线上感应取电，在母线一次侧电流大于 5A时，二次侧可有感应电流流过，经过全波整流之后得到直流，然后通过降压型得到所需的电压。该稳压器要求静态工作电流小，转换效率高。为了防止 CT饱和，增加输出电压取样和能量泄放电路。

CT二次侧输出的是交流电流信号，还要经整流回路输出直流信号供稳压电源使用。为了防止 CT饱和以及过压损坏器件，还需要增加过压防饱和电路。

CT的防饱和，过电压保护。在发生相间短路故障时，一次侧出现大电流，容易引起 CT饱和。设计时要考虑能量泄放电路。原理是检测二次侧在负载上的压降，当该压降大于 9V时，打开二次侧回路开关，使得二次侧形成短路，多余的能量通过二次侧的短路得到泄放。

2）利用感应方式测量电压

利用磁芯和电路板的地两者感应电场形成的压差来采集电压。如图所示，电容Cs是磁性和电路板的地之间形成的寄生电容，它与取样电阻R串联，电路板地平面对大地电容之间的寄生电容为C0。Vout为测量电压。感应测量电压的大小与磁芯之间距离，磁芯面积大小，以及它们之间的绝缘介质相关，感应方式测量电压示意图如图3所示。

图3

3）低功耗技术

UT-6111在一次侧停电的情况下由备用电池供电，在负荷电流大于5A时，CT开始供电保证系统的正常运行。为了延长装置的使用寿命，必须要求UT-6111进行低功耗设计。针对系统的低功耗，硬件设计时主要考虑以下几个方面：

一方面，选用大功率大容量锂亚电池作为备用电池。为了在停电状态下，装置还能正常工作，必须保证备用电池能够提供足够的功率给系统使用。因为停电时，CDMA（GPRS）需要和远端服务器通信，而CDMA(GPRS)工作时的平均电流较大，瞬间大电流可以达到 1.5A以上，而且还要求 CDMA（GPRS）正常通信保持5年以上，普通容量的电池无法满足这个要求，所以，选择大容量锂亚电池作为备用电池。

另一方面，选用低功耗芯片。CPU选用超低功耗32位MCU芯片，负责信号采集处理、控制及通信部分，在低功耗模式运行时，降低主频，关断外围I/O口。ZIGBEE模块选用低功耗模块。上、下拉电阻尽量选用100k以上的欧姆电阻。

3 建立故障定位系统

图4

为解决运行人员故障查找费时费力的问题，建设基于无线通信的故障定位系统，实现线路故障信息的快速回送，通过系统快速定位故障位置，缩短故障查找时间，提高工作效率，提高配网的供电可靠性指标。

故障定位系统可以帮助电力运行人员实时了解线路上各监测点的电流（负荷电流、短路动作电流、首半波尖峰电流、接地动作电流、电缆线路稳态零序电流、电缆线路暂态零序电流）、线路对地电压（对地绝缘）、高压线或电缆头温度的变化情况，在线路出现短路、接地、断线、绝缘下降等故障或者异常情况下给出声光或者短信通知报警，通知电力运行人员迅速赶赴现场进行处理。故障定位系统示意图如图4所示。

故障定位系统由主站软件系统、前端数据采集系统、故障检测器、无线通信几部分构成。主站软件工作站显示配网线路的接线信息，当线路发生故障时，故障检测器会将故障类型、感应电流、感应电压等信息以无线的方式发送到主站系统，主站系统将这些信息显示在接线图上，并给出报警及可能的故障位置，同时将故障信息发送到故障排查人员的特定手持终端上，方便检修人员现场故障排查，并为工作人员快速制定故障隔离计划提供依据。

4 故障定位系统应用的意义

油田采掘油井分布分散，供电线路也随之延伸，因为成本原因，有线通信无法延伸到各个线路末端，同时难以获取廉价户外电源，大多数的自动化终端装置无法得到很好的应用，设备操作及故障排查等大多数工作任然依赖于人工，通过故障定位系统来提高故障排查效率是一个比较经济实惠的方式。