低压多分枝电网的区段故障定位方法

逯怀东 吕 平 谢荣昆 向珉江



低压多分枝电网的区段故障定位方法

逯怀东 吕 平 谢荣昆 向珉江

（国网济南供电公司，济南 250200）

本文在对比现有线路在线故障检测方法基础上，从低压配电网重要性、场景复杂性以及线路大截面低阻抗特性出发，研究了适合于低压配电网特性SSTDR检测方法，针对低压配电网的接线方法提出了多分枝电网的区段故障定位方法，通过站室智能终端间的配合、检测终端与阻波器配合，实现了低压电网的故障检测与定位。该方法利用站室配电终端对低压线路量测数据监测起动故障定位，在故障情况下通过扩展频谱时域反射波发生器可快速实现故障测距，再加以阻波器的配合可实现多个扩展频谱时域反射波发生器分区端定位，可有效适应低压线路T型连接及分支箱多分枝情况的故障定位时间与定位精度。

低压故障定位；多分枝线路；扩频故障时域反射波；阻波器

电缆是电力传输的主要物理介质之一，其引导电流由电阻最低的通道以最低损耗进行传输，保证了广大用户持续安全供电需求。交流电缆应用的电压等级由0.4kV至750kV不等，不同于输电网电缆长距离传输的线路特点，在距离用户最近的低压电缆供电半径小，线路长度短，导线截面范围大。在高电压等级的输电线路中因为主干网的作用，输电走廊具有重要价值，其故障在线监测技术发展已经趋于成熟，但是随着近年来用户对供电可靠性要求的不断提高，我国低压电缆的故障定位技术备受关注，也成为研究的主要关注点，但电缆不同电压等级特点不同，低压电网需要根据自身特点进行设计故障检测方法。

电缆是电力系统连通的物理通道，是电力系统重要的基础设施，也是运维检修的关键，国内外学者对电缆故障检测做了大量研究，而低压电缆线路距离短，线径较大，具有多分枝特点，一直是电缆故障定位的难点。

现有电缆故障检测方法较为常用的是低压脉冲反射法和冲击高压闪络法，其他方法目前应用尚不成熟[1-7]。在高电压等级研究较为深入，目前已经开展了详细地仿真计算分析，实现了线路关键参数的离线分析诊断，提高了在线分析计算的参数精度[8]。中压线缆主要是针对电缆头与线路的小电流接地选线[9-10]，方法上没有取得突破。

低压线路故障相对于高压和中压有着较大区别，使用场景多，如水下、飞机、高铁车辆及常规配电线路[11-14]，同时线路的线径较大，距离较短，故障过程更为快速，因此在检测方法上较中高压有着不同要求，需要在传统方法上进行改进或提出更为快速的检测方法。传统方法的改进包括低压脉冲反射法、故障冲闪测试方法和脉冲跨步法等[15-16]。同时，人工智能方法也在故障检测中逐步采用，如包含复合权重的电缆模糊综合预警模型和小波包分析方法[17-19]，此类方法在某些特定情况下提高了检测的精度和速度，但适应性差。此外，新型注入式检测方法，故障时域反射波技术得到应用[14]，该种方法可适应短线路至长线路的较宽距离范围，具有相当潜力，但在解决实际生产问题中尚处在探索阶段，对实际场景理解不足。

本文针对配电站室至用户电缆分支箱的低压电缆线路故障定位开展研究，比较国内外现有低压线路故障定位方法，采用基于扩频故障时域反射波的低压故障定位方法，并据此提出主动型低压多分枝电网的区段故障定位方法。

1 STDR/SSTDR工作原理

电缆故障信号的时域反射分析法（STDR）在对时域反射法（TDR）方法的基础上，发射为脉冲信号，可免疫噪声，它适合于低压电缆故障的在线检测与定位。

设STDR/SSTDR方法中的PN序列为()，则测量端检测到的信号为

其具体检测框图如图1所示。

图1 电缆的相关检测模型

图2中选用较好温度特性的晶振作为主系统的时钟源，驱动伪随机序列发生器产生相应频率的PN码。

图2 STDR/SSTDR方法的基本原理图

2 SSTDR测距方法

故障定位的范围则可如式（3）所示：

（3）

故障鉴别能力用最小测量距离来表示，即

从式（2）还可以看出系统的测距能力有限，即有一个最大的测量距离：

（5）

设要求的设计指标为：最大故障定位距离8km，定位盲区2m，由式（2）至式（5）计算得到，所有PN码的码片持续时间为1/200MHz，PN序列长度应大于1000。

3 主动型低压多分枝电网的区段故障定位

在扩频故障时域反射波的基础上，本文提出了一种适用于主动低压多分枝电网的区段故障定位方法，它采用扩展频谱时域反射波发生器与被动式滤波器配合，通过站室智能配电终端协调管理实现低压馈出线路故障精准定位，可解决离线式检测方法在时间上的不足和常规在线式方法在多分枝线路的不足，实现结合网络拓扑与建筑物线路布置图的故障点快速查找与精准定位，降低现场破坏性查找的资源浪费。

由于低压线路多分支，线路结构复杂，考虑到成本问题，故不采用每个末端线路均配置扩展频谱时域反射波发生器，而是采用SSTDR放于线路首端，在线路末端配置阻波器，因为阻波器比SSTDR装置成本较低，故此方案可以节约成本。具体线路配置结构如图3所示。

图3 系统结构示意图

线路的拓扑结构有变压器、断路器、母线、馈线及其分支，在每段线路配置扩展频谱时域反射波发生器，如图3的SSTDR1至SSTDR3，在每条线路的首末端配置阻波器，其中，SSTDR注入线路的信号频率可在3～30MHz可设定，SSTDR的起动停止由站室终端设定，阻波器可滤除1MHz以上高频信号，SSTDR的高频信号在阻波器处将会被反射，可根据反射波从发射到接受的时间差判断该线路电气距离是否正常。在配电站室中配置站室终端，通过低压电压量测模块获取配电室的母线三相电压有效值，通过低压电流量测模块获取各条线路工作的三相电流有效值，配电站室可根据电压电流值判断哪条线路故障，并初步判断故障类型。通过开关量输入输出模块获取各支路断路器的状态。站室终端由低压电压测量模块、电流测量模块或开关量输入输出模块获取数据的方式，为以太网通信，触发条件为数据变化超过1%或开关量变位。

站室终端与每段母线配置的低压电压量测模块和开关量输入输出模块、每条支路的电流测量模块进行通信，由站室侧获取低压配电网络运行状态，当每秒母线三相电压有效值跌落超过20%或支路断路器位置信号为闭合但电流跌落至零，则起动该支路配置的SSTDR，发送扩展频谱时域反射波进行故障测距，故障类型和故障位置通过以太网返回至站室终端，站室终端收到信号后记录故障线路的名称和位置，并自动发送给检修人员。

本方法可适用于以下4种接线：

1）站室馈出线无分支，如图1中L2的情况，只需在馈线首末端设置阻波器，馈线处设置SSTDR装置，采用单线测量和检测即可。

2）站室馈出线连接至分支箱，如图1中L1的情况，在站室馈出线首端、分支节点末端，以及各分支的首末端设置阻波器，阻波器保证了SSTDR发送的扩展频谱时域反射波被封闭在测量区间内，保证测量的准确性，站室馈出线首端配置SSTDR装置。

3）在T型连接线路的分支后主干处，如图1的L3处，需要在主干处首端配置SSTDR装置和阻波器。

4）在T型连接线路的分支后支路处，如图1的L4处，在分支处的首端设置SSTDR和阻波器装置。

4 区段故障定位方法

假设将故障点设置在线路L3，该线路接线较复杂，故障点在T接线路的分支后主干处，设其故障类型为短路，接线图如图4所示。当故障发生时的现象及其工作步骤如下。

图4 系统实施案例示意图

1）站室终端起动后，接收低压电压测量模块、电流测量模块或开关量输入输出模块发送的测量信息，得到线路的电压、电流和开关量信息。

2）在收到L5线路监测到低压电流测量模块发送的电流变化信息后，确认开关量输入输出模块发送的开关位置为闭合，以便区分是故障扰动还是开关动作扰动。

3）当每秒母线三相电压有效值跌落超过20%或支路断路器位置信号为闭合但电流跌落至零，站室终端起动SSTDR3、SSTDR4、SSTDR5、SSTDR6、SSTDR7，分别对应的向SSTDR装置所在的线路发送扩展频谱时域反射波进行故障测距，故障类型和故障位置通过以太网返回至站室终端。

4）站室终端收到线路L3安装的SSTDR4发送的故障类型与故障位置，并排除其他线路故障可能性，将所得的故障信息进行记录，并向检修人员发送信息。

5 结论

本文对比了现有线路在线故障检测方法，从低压配电网重要性、场景复杂性以及线路大截面低阻抗特性出发，选用了适合于低压配电网特性SSTDR检测方法，在不影响现有低压电网电能质量的前提下提高检测精度与检测速度，重点针对低压配电网的接线方法提出了多分枝电网的区段故障定位方法，通过站室智能终端间的配合、检测终端与阻波器配合，实现了低压电网的故障检测与定位。

该方法可适应由中心配电室或柱上变压器台区到低压用户电能计量表前的低压线路故障定位，通过站室配电终端对低压线路量测数据监测起动故障定位，正常状态下无谐波注入，在故障情况下通过扩展频谱时域反射波发生器可快速实现故障测距，再加以阻波器的配合可实现多个扩展频谱时域反射波发生器分区端定位，有效适应低压线路T型连接及分支箱多分枝情况，大大缩短故障定位时间，并提高定位精度，为故障检修节约查找时间。

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Study on Section Faults Location Method of LV Multi-Branch Network

Lu Huaidong Lv Ping Xie Rongkun Xiang Minjiang

(Ji’nan Power Company of State Grid, Ji’nan250200)

Based on the comparison of the existing line fault detection method, the SSTDR detection method is engaged in low voltage distribution network characteristic, for the importance of low voltage distribution network, the complexity of the scene and the low impedance characteristics of the numerous LV lines. The section faults location method of lv multi-branch network is proposed based on SSTDR. The fault detection and positioning of the LV power network are realized by the cooperation between the intelligent terminal of the station and the detection terminal. The method can be used to monitor the fault location of the low-voltage line measurement data through the distribution terminal unit. In the event of a fault, the time-domain reflected wave generator can be quickly realized by the extended spectrum. It is effective to adapt to the fault location time and positioning accuracy of the T-type connection and the branch gearbox of the LV line.

LV fault location; multi-branch network; SSTDR; filter

逯怀东（1964-），男，山东省济南市人，本科，主要从事智能配电运检管理与技术研究工作。