基于暂态录波技术的线路故障在线监测系统在配网中的应用

王 勤，邱 辉，李大武

(国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540)

配电网线路一般由架空线路和电缆线路组成，具有输电距离较长、分支线路众多、网络拓扑结构复杂、外部环境和气候条件较恶劣等特点，是最易发生故障的系统之一。配电网线路故障类型以短路故障和单相接地故障居多，而单相接地故障是配电网中最容易发生且最难查找的故障[1]。

当配网发生故障时，常用的处理方式是故障定位、故障区域隔离和非故障区域恢复送电，但是由于无法准确、快速地定位故障区域，只能依靠运行检修人员人工巡线查找，故障查找时间会超过修复故障时间，导致故障处理时间较长。

故障指示器可以在线路发生故障时快速定位故障区段，从而缩短线路故障的响应和处理时间，提高了配网的供电可靠性。在线路运行正常时，故障指示器能够监测配网线路的运行工况并上传至配电主站系统，可对配电网运行方式的优化、用电负荷的合理控制提供依据。

1 小电流接地系统单相接地故障的检测方法

我国配电系统(6～35 kV)中性点的接地方式除了小部分是经小电阻接地外，大部分是不接地或经消弧线圈接地，称为小电流接地系统。小电流接地系统在单相接地时的准确选线及故障定位技术，各国均有一定研究，检测单相接地故障的方法主要是以下几种。

(1) 首半波法。首半波法原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值的瞬间假设的，采样接地瞬间的电容电流首半波和电压首半波，比较其相位。当采样接地瞬间的电容电流突变且大于一定值时，并且与接地瞬间的电压首半波同相，同时导线对地电压降低，则判断线路发生接地。该方法可检测不稳定接地故障，但易受线路参数、故障初相角等因素的影响[1-2]。

(2) 零序电流比幅比相法。零序电流比幅比相法是小电流接地系统在发生单相接地故障后，流过故障线路上的工频零序电流值最大且零序电流的方向与健全线路上的方向相反这一特点进行故障选线。这种方法受电流互感器不平衡电流影响，选线准确率不高。

(3) 暂态零序电流五次谐波法。通过检测五次谐波电流的变化来判断单相接地故障。其工作原理是当小电流系统发生单相接地故障时，含有铁心的设备由于三相电压不平衡而进入磁饱和状态(磁化曲线在非线性区)，尤其是电压互感器。这样就会有大量谐波分量产生，其中五次、七次等奇次谐波分量较为突出[3-5]。消弧线圈是按照基波整定的，对五次谐波的干扰较小，但是其幅值较小，易受其他因素干扰，从而影响选线结果。

(4) 信号注入法。信号注入法无需考虑系统中性点的接地方式，当发生单相接地故障时，通过信号注入装置向系统注入某一特征信号，信号注入装置、大地、故障点形成了回路，故障指示器在检测该特征信号后翻牌亮灯报警。

2 基于暂态录波技术的线路故障在线监测系统

基于暂态录波技术的线路故障在线检测系统主要实现基于6～35 kV架空线路短路和接地故障的准确定位，工作过程如图1所示。由配电主站系统、采集单元和汇集单元组成，综合运用了先进的故障检测技术、无线通信技术、计算机技术、网络通信和信息建模等技术，能够快速准确地在线检测短路故障、接地故障，实时监测线路负荷、谐波等情况，并将所采集到的故障特征信息及故障瞬时波形发送到配电主站。配电主站系统软件根据信息进行网络拓扑计算分析确定故障区域，同时具备告警显示、告警短信转发、故障统计检索和查询等功能，从而引导维护人员快速准确地找到故障点。

为提高工作效率、减轻维护人员劳动强度，提供了一种强有利的手段，也能有效提高配电线路故障检测的自动化和现代化水平，及时为线路安全性提供科学有效的依据。

图1 工作过程示意图

根据单相接地时的线路特征，通过采集线路中的相电场强度的突变值，触发采集单元(暂态录波型故障指示器)对线路负荷电流数据进行录波，同时汇集单元对三相采集单元的录波数据进行汇总合成零序电流波形，形成Comtrade录波文件上送至配电主站。主站分析软件提取其暂态分量和工频分量，对故障线路与非故障线路的暂态电流波形进行对比(见图2)，故障线路暂态电流波形不相似、极性相反；非故障线路暂态电流波形相似、极性一致；故障点上游的暂态电流波形相似、极性一致；故障点下游与上游的暂态电流波形相比，暂态电流不相似、极性相反。因此，可以运用多种算法比较相邻采集单元暂态电流的相似度来确定故障区段。汇集单元能接收配电主站下发的故障数据信息，采集单元以闪光形式指示故障；当装置判断出接地故障处于安装位置的上游和下游时，采集单元能就地采集故障信息和波形，以闪光形式指示故障，并且将故障信息和波形上传至主站。

图2 非故障线路和故障线路的暂态波形对比

3 系统应用

该系统应用于上海金山供电局张12桑园(下)线，全线安装了4套暂态录波型故障指示器，即4个监测点，分别是变电站出口1号杆、26号杆、49号杆和4-20号杆。通过4套暂态录波型故障指示器将线路分割成4个区域。

张12桑园(下)线部分网络拓扑图见图3。在某日张12桑园(下)线发生单相接地故障时，采集单元(暂态录波型故障指示器)根据相电场强度突变同组触发启动录波功能，同时汇集单元对三相采集单元的录波数据进行汇总合成零序电流波形，形成Comtrade录波文件上送至配电主站(见图4至图6)。通过在线监测系统对上送波形进行拓扑网络分析，确定故障区域在26号杆和49号杆之间后系统自动将故障区域信息发送到巡线人员手机上，巡线人员立即前往故障区域进行故障点查找与修复，故障处理和恢复送电的时间约为20 min，比实施前可节省3/4的时间。

图3 12桑园(下)线部分网络拓扑图

图4 1号杆(故障点前)零序电流波形

图5 29号杆(故障点前)零序电流波形

图6 49号杆(故障点后)零序电流波形

4 效益分析

该项目实施后从故障发生到故障恢复时间缩短为小于20 min，极大地保证了售电量。同时，在实施后能够有效地对配网系统进行监测，在发生故障时，能够快速准确地判断出故障区域，减少了人工巡线的环节，减少人力、物力等费用，提高了供电可靠性。

采用基于暂态录波技术的线路故障在线监测系统后，配电主站系统可以实时显示线路的运行状态。当发生故障后，系统会在2 min内快速准确地判断出故障区域并通过短信的形式告知巡线人员，提高了工作效率。

5 结语

基于暂态录波技术的线路故障在线监测系统通过对配电线路运行状态进行在线监测，可以获取线路的运行参数，并具备短路故障的快速准确定位及对发生接地故障的时刻进行故障录波的功能，提高了故障排除速度，缩短了停电时间，减少了停电损失，提高了配网的供电可靠性。

参考文献：

[1] 陈彬，张功林，黄建业 . 配电自动化系统实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[2]王小宁. 基于故障指示器的故障定位系统在配网中的应用[J].甘肃电力技术,2012(6):37-39.

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