故障指示器综述

李永刚 张书伟 张志军

摘要：随着社会经济的发展，配电网自动化的重要性越发突出，对故障定位、切除以及恢复供电的快速性要求越来越高。为了快速定位故障区段，缩短故障时间，故障指示器现已大量应用的现在智能配网中。但使用效果并未达到预期，存在单项接地故障判别准确率低等问题。本文根据冀北张家口地区所采用的不同原理的故障指示器，综合阐述了各种故障指示器不同原理的优缺点，总结了当前故障指示器所要解决的问题，探究了未来故障指示器的研究方向。

关键词：故障指示器;通信;故障定位;单相接地

一直以来，电网的可靠运行一直是经济社会发展的重要保障，人民对电网供电可靠性的要求越来越高，但是之前对配电网络的重视程度不够，无论是网架结构还是智能化程度，都十分薄弱。

然而，配电网覆盖范围广，线路复杂，单纯依靠人工巡线的方式查找故障费时费力，无法满足快速恢复供电的实际要求。为了实现故障的快速定位，部分故障指示设备投入到配电网中，而最有代表性的就是故障指示器。

1 故障指示器简介

故障指示器用于故障发生后快速定位故障区段，它实时检测线路的电气量，通过一定的故障判别算法，当故障发生时发出警示。为了能够快速定位故障地点，往往人为地将配电网分成多个区段，当某一区段发生故障时，该区段及该区段至电源侧所安装的故障指示器均会发生报警信号。故障指示器可配置的远程通讯方式分别为光纤通信、GPRS技术、3G/4G宽带技术和ZigBee。

2 故障指示器分类

国内市场上销售使用的故障指示器种类繁多，型号复杂，根据故障指示器单相接地检测原理，故障指示器可分为三种类型：外施信号型、暂态特征型和暂态滤波型。

2.1 外施信号型故障指示器

外施信号型故障指示器需要增加信号注入设备，在变电站或线路上安装专用的单相接地故障检测外施信号发生装置。发生单相接地故障时，根据零序电压和相电压变化，外施信号发生装置自动投入，连续产生不少于4组工频电流特征信号序列，叠加到故障回路负荷电流上，故障指示器通过检测电流特征信号判别接地故障，并就地指示。虽然通过在单相接地故障发生时刻人为增大接地电流，提高了故障指示器的判断能力，但会增加系统的复杂性和安全隐患，在实际应用中已经很少使用。

2.2 暂态特征型故障指示器

在发生单相接地故障时，故障相电压会突然降低，线路的分布电容对地放电;非故障相电压突然升高，线路分布电容开始充电。因此，在故障过程中具有显著的故障特征量。

暂态特征型故障指示器采用突变量法检测短路故障，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，实现线路短路和接地故障就地判断。由于需要快速准确地捕捉暂态量，暂态算法对于终端设备的处理能力有较高要求，而且各暂态算法的单相接地故障准确率不同，受限于终端处理能力，目前使用暂态算法的单相接地故障判断准确率较低。

2.3 暂态录波型故障指示器

暂态录波型故障指示器也称为智能型故障指示器，由采集单元、汇集单元和主站系统构成。采集单元采集故障特征数据等信息，并将采集到的信息上传至汇集单元;汇集单元接收、处理采集单元上传的数据信息，并与主站系统进行通信。指示器在线路状态发生异常改变时触发录波并上传至主站，主站通过录波数据分析实现故障区段定位。

3 故障判别

配电网的线路故障主要是相间短路和单相接地短路两种。

配电网线路发生相间短路故障时，线路电流会发生较大变化，可以较为简便地区分。而配网发生单相接地故障后，如何快速判断和定位，是故障指示器一直以来没有解决好的问题。

根据不同的原理，单相故障判别方法有很多种，但无法实现准确定位的原因主要有以下两点：

（1）一些故障判别算法是建立在可以准确获取线路电压电流信息前提下的，而对于故障指示器而言，难以配合其在每个线路上都安装电压传感器等设备。

（2）一些算法过于理想化，对硬件设备要求高，如谐波分量法，信号注入法等。

因此，上述这些检测原理的指示器在实际中并未得到广泛应用。经调查，实际应用的故障指示器的算法主要为暂态综合判据法和信号源注入法。

暂态综合判据法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;暂态电容电流突变;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等。

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。

4 故障定位的难点

配电网故障定位一直是亟待解决的难题，且近年来分布式电源（DG）的接入和配电网架的日趋复杂化，使得故障定位的难度越来越大，目前基于故障指示器的故障定位难点如下：

（1）环网供电的故障定位。随着社会经济的发展，为了保证重要负荷的可靠供电，线路常采用闭环的供电方式。故障点不同，接收到的故障电流方向不一样，难以形成有效的判据，无法实现准确、快速定位。

（2）含DG接入配电网的故障定位。分布式电源的大量接入，使得配电网的网架发生变化，与传统配网单一电源供电的方式存在较大差异。而分布式电源具有波动性和随机性，造成线路中的保护装置无法整定;发生故障后，故障电流的方向也不确定，所以含有DG的配电网，很难实现故障的快速定位与切除。

5 下一步研究重点及建议

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。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。

当线路发生接地故障后，检测到故障的故障指示器动作，并且将故障信息传递到通信终端，然后再以无线的方式传送到监控主站，主站对接收到达数据信息进行处理，对动作的故障指示器的地址信息进行纠错、校正，最终通过

拓扑分析和计算的方法定位故障位置。

但由于我國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。将故障指示器以合适的接入方式纳入到配电自动化设备的生产管理系统中，与其他自动化终端结合，实现馈线自动化，这将是未来一个重要的发展方向。

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，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。

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作者简介：李永刚（1988），男，河北张家口人，助理工程师，主要研究方向为配网自动化及其应用;张书伟（1986），男，河北廊坊人，工程师，主要研究方向为配网防误操作、智能配电网及交直流系统运行管理;张志军（1991），男，河北张家口人，助理工程师，主要研究方向为配网自动化。