配电网故障定位方法及其发展趋势

张俊岭，尹东升，徐旺杰

（1.国网江苏省电力公司镇江供电公司，江苏镇江212002；2.国网江西省电力公司宜春供电公司江西宜春336000；3.国网江苏省电力公司盐城供电公司，江苏盐城224000）

配电网故障定位方法及其发展趋势

张俊岭1，尹东升2，徐旺杰3

（1.国网江苏省电力公司镇江供电公司，江苏镇江212002；2.国网江西省电力公司宜春供电公司江西宜春336000；3.国网江苏省电力公司盐城供电公司，江苏盐城224000）

在现有故障定位研究的基础上，从各种故障定位方法的区别出发，较为全面地分析了各种故障定位方法，指出了各种故障定位方法的优、缺点。分析了国内故障定位研究的发展状况和研究程度。然后在传统信号注入的基础上提出了新的故障定位方法，并用Matlab进行了仿真验证，提出了未来配电网故障定位研究的总体发展趋势。

配电线路；单相接地故障；定位方法；M atlab仿真

0 引言

我国配电网中，66 kV及以下大都属于小电流接地系统。电力运行部门的故障统计数据显示这种运行系统中故障总数的70%～80%为单相接地故障[1]。这种系统在发生单相接地故障时，接地电流很小，不影响线电压的对称性。规程规定单相接地故障时系统可以继续运行1～2 h，这样就提高了小电流系统供电的可靠性，特别是当发生瞬时故障时短路点可以自行灭弧并自行恢复绝缘。在非瞬时故障时，检修人员务必在短时间内查出故障分支，确定故障点，因为当系统带故障运行超过2 h，极有可能会引发更为严重的相间故障。由人工沿线寻找故障点的方法沿用至今[2]。在配电线路短、结构不复杂的情况下，人工巡线是可以接受的，但是随着配电网结构的日益复杂，分支线路越来越多，再采用传统的故障定位方法查找故障点将会非常困难，不但效率低下，而且降低了供电的可靠性，特别是环境气候条件恶劣的时候，当前故障检测方法面临巨大挑战。

1 国内外研究现状

从国内外故障定位的研究现状看，110 kV及以上的高压输电线路的研究比较成熟，而针对66 kV及以下配电网的故障研究还处于起步阶段，很不成熟。故障定位方法归纳起来有主动式和被动式两种[3]。主动式分为故障诊断、信号注入、中电阻、传递函数法等；被动式有区段查找法和阻抗法以及行波法等。在配电自动化程度高的系统中，可以利用线路馈线终端装置FTU（Feeder Terminal Unit）实现故障分段定位。国外自动化程度比较高，所以普遍使用故障指示器定位故障区段，在有故障的分支上，故障指示器会鸣叫并给出显示。近年来，随着科学技术的发展和对故障测距的深入研究，越来越多的综合测距方法涌现出来，如行波和交流综合定位法、交直流综合定位法。扬长避短，充分利用每种方法的优点可以实现精确迅速的故障定位。

2 故障定位方法分述

2.1 中电阻法

由理论可知故障电流仅仅在故障线路故障相和系统母线之间流通。因此可以在故障系统中性点加入一定值的电阻。首先检测流过该电阻的故障电流，通过计算便可以实现故障点的定位。该方法的缺点是要专门设计中性点电阻，其设计比较麻烦，增加故障定位成本。由于配电网的电压比较高，人为增加的电阻增大了系统的故障电流，增大了解决系统绝缘问题的难题，并且故障电流大了之后也会对通讯系统造成干扰。

2.2 端口故障诊断法

该方法适合用于较大配电网系统故障的定位，缺点是定位不精确，当故障点在分支线路上时该定位方法失效，而且需要测量线路两侧同一时刻电压电流值，给故障定位带来困难，因此没有多大的实用性。

2.3 信号注入法

由于故障电流仅在故障线路故障相中流通，因此可以在故障线路首端注入特定频率、特定大小的电流信号，通过检测该注入信号的流通情况就可以判断出故障点。信号注入就是在此理论指导下提出的。其优点是受消弧线圈以及负载的影响很小，可以忽略不计。该方法不要求装设电流互感器CT（CurrentTransformer），非常适用于线路上只安装了两相CT的系统。其缺点是电压互感器的容量以及接地电阻的大小会对注入信号强度产生影响，甚至会削弱注入信号使其检测不出来，从而使定位方法失效。信号注入法主要有交流信号注入、S信号注入、直流信号注入、脉冲信号注入4种。S信号注入是由山东大学电力工程学院桑在中教授在1993提出的。在此理论指导下研制出TY型接地选线和定位装置在国内的电力系统中得到一些试用[4]。有学者在此基础上，又提出了“直流开路，交流寻踪”的离线故障定位新方法[5]。

2.3.1 交流定位方法

在线路首端A注入100mA、60 Hz的交流信号。其定位原理如图1所示，首先确定故障分支，在分支点B处检测BE、BD分支，在BE处检测不到信号或者信号很小，说明这条支路没有注入信号通过，为非故障分支；而BD支路有信号，则可确定故障分支为BD支路；接着在分支点C处检测CD分支，发现CD中也没有电流，而且C点电流非常小，至此可以确定BC支路为故障支路。最后确定故障点，用交流信号探测器沿BC支路寻找故障点，故障点前的电流远远大于故障点后的信号，发生突变的点即为故障点。其缺点是受分布电容和接地电阻的影响比较大。

图1 交流信号注入原理图

2.3.2 直流信号注入法

直流信号注入法定位原理如图2所示。其优点是在中途没有衰减；可以解决分支众多和长短分支的问题；分布电容对直流相当于开路，接地电阻相当于通路，因此不受二者的影响。

图2 直流信号注入原理图

直流信号注入法的缺点是需要人工手持信号探测器沿干线爬杆找故障点，定位慢、效率低，不适应配电网自动化发展的需要。

2.4 加信传递函数法

首先建立分布参数模型并在首端加方波激励信号。然后测量时域电压以及电流值，经波频分析后得到频域传递函数，分析传递函数所包含的故障信息如频率f、φ相位等波形特征便可实现故障定位。传递函数法不受负载参数变化的影响，但是当故障只是线模分量的相间短路故障时，该定位方法失效。

2.5 阻抗法

当线路是近似均匀线路时，X=xL，则当知道线路的总阻抗X和单位线路阻抗x时，就可以确定线路的长度。阻抗法就是在此基础上提出的。

2.6 行波法

在波阻抗不连续点，行波会发生一系列的反射、折射、投射，而故障点就是波阻抗不连续点。因此，可以通过检测行波在故障点及检测端之间往返一回的传播时间或利用故障点行波到达两测量端的时间之差来确定故障距离[6]。系统运行方式、参数和线路结构等因素对行波法的影响比较小。行波法测距装置简单，测距精确快速。国内外研究普遍把行波法分为A、B、C、D等几种。

2.6.1 A型行波

A型行波早在50年代就已经被提出，其定位原理如图3所示。

图3 A型行波定位原理图

2.6.2 B型行波

图4 B型行波定位原理图

2.6.3 C型行波

C型行波克服了A、B型行波的缺点。其定位原理是首先把故障支路隔离，向故障支路发射高压高频脉冲信号，脉冲信号的发射时刻记为t1，在F反射后折回来的时刻记为t2。由Δt=t2-t1算出F距首端的距离。因为是人工发射高压高频或直流脉冲信号，所以可以通过多次发射信号实现精确定位，其原理如图5所示。

图5 C型行波定位原理图

2.6.4 D型行波

2.7 区段查找法

据调查发现，部分从事婚姻家庭社会工作的人员，其服务的专业化水平不高，专业知识积累不够。这主要是因为社会工作作为一个新兴职业，近年来仍处于起步阶段，社会工作价值观从接纳到内化,社会工作专业方法从理论学习到实践运用,仍需要一个过程，不可能一蹴而就。加之接受过高校相关专业培养的学生因为待遇、社会地位等原因，能够真正进入婚姻家庭服务领域的并不多,同时现有高校社会工作专业教育普遍实施通才教育,缺乏对婚姻家庭社会工作人才的专门培养,因此仍需要在婚姻家庭服务领域的实践中不断提升其专业水平[5]。

把线路分成不同的区段，在每区段内通过RTU，FTU等检测各段开关处的电气量，电气量有变化的区段记为故障区段，反之为非故障区，经过排查最终找出故障区间。区段查找法是粗定位，无法精确确定故障点，而且还要安装大量的RTU，FTU，成本太高，不适合大规模推广。

2.8 故障指示器法

在线路分段开关处安装故障定位指示器，当本段线路中电流电压发生变化时，线路空间的磁场电场强度等将发生变化，故障指示器通过电磁感应原理，感知变化，并给出指示，进而判断出故障线路。

2.9 综合测距方法

2.9.1 行波和交流综合定位法

该定位方法迅速，不用巡线查找故障点，并且具有可以进行多次定位的优势来确定故障的电气距离，并确定故障点所在区段，然后利用交流法实现精确定位，确定故障点，其原理如图6所示。

2.9.2 交—直流综合定位法

该方法克服了直流法难检测、交流法有效范围小的缺点，充分利用直流法和交流法的优点，实现准确快速定位。定位过程是先用直流法确定故障线路，接着继续用直流法缩小故障区域，最后由交流法实现细定位，其原理如图7所示。

3 未来的发展趋势

当今时代科学技术日新月异，人民生活水平大幅提高，这对提高电能质量可靠性提供了科学支持，同时也提出了新的挑战。原有的定位方法已远远不能满足要求，而且不适应配电网向自动化方向的发展。因此研究新的故障定位方法，势在必行，其未来的发展趋势有六方面。

图6 行波和交流综合定位流程图

图7 交—直流综合定位流程图

a）进一步完善故障定位原理，提高定位的可靠性，缩小人工巡线范围。

b）多种定位方法的综合利用，弥补单一定位原理的不足，提高故障定位精确性。

c）设计研制高性能、低成本、体积小、连续采集与处理行波数据的装置。

d）现有定位方法故障点的确定大都需要人工巡线，应进一步提高定位装置的智能型，以适应配电网自动化。

e）混合线路故障定位方法的研究。

f）含有分布式电源的智能电网的故障定位的研究。

4 基于传统信号注入法的改进定位方法

4.1 改进信号注入法原理

与传统信号注入法最大的区别是，当线路发生单相接地故障后，不需要把故障线路从母线处切除，直接在母线处加入特定频率特定大小的交流信号，通过线型变压器调整到合适的大小直接耦合到母线。通过滤波器模块滤除母线系统电流的影响，通过示波器可以发现注入信号在故障线路故障相和非故障线路以及故障线路的非故障相中不但大小不同而且极性相反，据此可以准确判定故障线路故障相，通过安装在线路中的信号检测装置，可以准确判断故障区间，通过手持信号探测器实现故障点定位[8]。

4.2 搭建Matlab/Simulink仿真模型

在Simulink环境下，从电力系统仿真模型块库中选择系统仿真所需要的各个模块搭建系统的仿真模型，该仿真模型主要包括电源模块、变压器模块、负荷模块、电流表模块、电压表模块、示波器模块、测量模块、电压互感器PT模块等。

4.3 算例分析

4.3.1 参数设置

在搭建的Simulink仿真模型上，进行了大量的仿真实验，这里仅取一例加以分析。仿真线路架空线选用LGJ-240型号导线，每km导线的正序电阻、负序电阻分别为0.012 73Ω、0.386 4Ω；每km导线的正序电感、负序电感分别为0.933 7mH、4.126mH；每km导线的正序电容和负序电容分别为12.74 nF、7.751 nF。注入信号为交流电压源，大小150mA、频率10Hz。

4.3.2 仿真波形图

由图8可以明显看出流过故障线路故障相的电流比故障线路非故障相的电流及其非故障线路的电流大很多，而且极性相反。所以改进的信号注入法可以准确判别出故障线路故障相，为下一步信号寻迹寻找故障点奠定基础。

5 结束语

对当今配电系统故障测距方法做了介绍。预测了未来的发展趋势。在传统信号注入法基础上，提出了改进的信号注入法，并进行了Matlab/Simulink仿真，验证了该方法的可行性。对改进和完善各种故障定位技术，实现电网可靠运行具有重要意义。

图8 仿真波形图

［1］束洪春.配电网络故障选线［M］.北京：机械工业出社，2008：16-20.

［2］戚宇林.中压配电网单相接地故障定位的研究与实现［D］.华北电力大学，2007.

［3］蔡秀雯.配电网行波故障定位技术的研究［D］.华北电力大学，2007.

［4］桑在中，潘贞存，丁磊，等.“S注入法”选线定位原理及应用［J］.中国电力，1997，30（6）：44-45，62.

［5］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.

［6］Nourish H，Chen Wang，Davies T.An-accurate fault location technique for distribution lines with tapped loads using wavelet transform［J］.Power Tech Proceedings，2001 IEEE Porto，Volume 3，10～13Sept.2001 Page（s）：4 pp.vol.3.

［7］David W.P.Thomas，Ricardo J.O.Carvacrol，Elisa T.Pereira. Fault location in distribution systems based on traveling waves［J］. Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna，Volume 2，23～26 June2003Page（s）：5 pp.Vol.2.

［8］张俊岭，塔晓龙，邓锐.基于改进信号注入配电网单相接地故障定位研究［J］.黑龙江电力，2012（6）：008-012.

Fault Locating M ethods of Distribution Network and Their Developing Trend

ZHANG Jun-ling1，YIN Dong-sheng2，XUW ang-jie3
（1.State Grid Zhenjiang Power Supp ly Com pany，Zhenjiang，Jiangsu，212002，China；2.State Grid Yichun Power Supply Company，Yichun，Jiangxi 336000，China；3.State Grid Yancheng Power Supply Company，Yancheng，Jiangsu 224000，China）

More comprehensive analysis on variousmethods of fault locating in terms of the differences between themethodswas carried outbased on existing research about fault locating，and the advantages and disadvantages of eachmethod were pointed out.The status of fault locatingmethod home and abroad were analyzed.A new fault locatingmethod is put forward based on traditional signal injection method and simulated by using Matlab.At last，the trend of fault locatingmethod about distribution system in the future is previewed.

distribution lines；single-phasegrounding fault；fault locatingmethod；Matlab simulation

TM711.2

A

1671-0320（2014）01-0010-05

2013-10-10，

2013-11-24

张俊岭（1986-），女，河南驻马店人，2013年毕业于东北电力大学电气工程专业，硕士研究生，从事高压用电检查工作；

尹东升（1987-），男，吉林松原人，2013年毕业于东北电力大学电气工程专业，硕士研究生，从事通信网规划工作；

徐旺杰（1987-），男，江苏盐城人，2010年毕业于江苏大学电力系统及其自动化专业，从事电力调度工作。