故障指示器线路故障区间定位测试系统及测试方案设计

刘 霡，张彦兵

（1.三峡大学国际文化交流学院，湖北宜昌 443000；2.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南许昌 461000）

0 引言

配电线路故障指示器的设计初衷是解决中性点非有效接地的配网线路发生单相接地故障时故障区间定位困难的问题[1-3]。相对而言，暂态录波型、外施信号型、零序电压启动高精度录波型以及电场启动型高精度录波型故障指示器具有一定的应用效果。现阶段故障指示器的测试主要以单套故障指示器的性能试验为主，而实现线路故障区间的定位需要主站系统综合处理故障指示器所上传的数据，实现故障区间的辨识[4-7]。配电线路故障指示器组网性能测试，是评判配电线路故障区间定位正确率的有效测试手段。

电力系统数字实时仿真，相对物模试验环境而言，具有试验便捷、建模灵活、成本风险可控等优势。电力系统实时仿真系统、功率放大器、升流器、升压器相结合，可以搭建测试功能完善的试验环境[8-10]。

设计配电网接地方式自动切换、故障点及故障类型自动触发、故障角度自由可控、外施信号源集成开发、电能质量极端工况模拟、接地电阻自动切换的仿真测试系统，完成配电网运行工况建模。归纳了配电网常规类型的接地故障试验项目，设计了特殊类型的接地故障试验项目，为多套故障指示器组网实现单相接地故障区间定位提供了参考试验项目。

1 测试系统设计

10 kV配电系统主接线如图1所示，10 kV母线有多条出线，配电系统经母线安装的接地变引出中性点，控制中性点断路器的通、断状态，并匹配相应的线路长度，模拟配电网不同的中性点接地运行方式。P1、P2、P3、P4为安装在不同线路区段的故障指示器。K1、K3、K8为不同区段的区内故障点，K2、K7为区外故障点，分别模拟区、内外故障点发生单相接地故障，可用于考核故障区间定位系统的性能优劣。

图1 10 kV配电系统主接线图

系统中性点接地方式有不接地、经消弧线圈接地、经10Ω小电阻接地3中方式，接地方式的选择依据配网对地电容电流的大小而定，也可根据实际需求进行调整。如：当不接地系统对地电容电流小于10A时，系统接地方式分为不接地；当不接地系统对地电容电流为10 A～30 A时，系统接地方式为经消弧线圈接地，消弧线圈为预调谐方式，补偿度为过补偿5%；当不接地系统对地电容电流大于30A时，系统接地方式为经小电阻接地，小电阻阻值选10 Ω。线路负荷大小可根据实际需求进行模拟，如重载、轻载、空载等运行工况。

测试系统组成如图2所示，分别由电力系统实时仿真器、功率放大器、升压装置、故障指示器悬挂安装架组成。在实时仿真器中模拟10kV配电系统不同运行工况下发生单相接地故障、模拟非故障工况下的扰动工况，并将故障指示器安装处系统的线路电流、电场值以小信号的形式实时发送给RTIO智能接口单元，经功率放大器、电流升流器、电压升压器变换，将电力系统的一次值实时反馈给待测试的故障指示器装置。

图2 测试系统组成

该测试系统可以实现不同安装位置的故障指示器的电场、电流及零序电压的同步输出。通过仿真系统的深度建模，可以实现故障角度可控、过渡电阻可调、中性点运行方式自动切换、故障自动触发、外施信号源集成、不平衡运行工况模拟、断线故障模拟、弧光故障模拟等。为基于故障指示器实现故障区间定位的主站系统提供灵活、便捷、高效、优质的测试环境。

2 测试方案设计

配电网线路的运行工况复杂多变，单相接地故障影响因子较多。对各影响因子进行排列组合，模拟配网线路不同工况下发生接地故障，能够为配网线路故障区间定位系统提供一个全方位考核的平台，有助于系统算法的改进及性能的提升。表1所示为配网线路单相接地故障影响因子。

表1 配网线路单相接地故障影响因子

配电网线路故障区间定位系统主要依靠线路故障前后零序电压、零序电流的关系特征值作为判据，配电网网架结构及故障类型的不同对零序电压、零序电流均具有较大的影响。常规的故障指示器测试方案中，所考虑的变量主要为中性点接地方式、接地故障电阻、故障类型及故障触发角度。实际配电网线路运行工况更为复杂，如：负载电流不对称、线路电压不对称工况下，系统存在零序电流和零序电压；线路负载轻重程度不一、谐波含量不一、多个接地故障点等都将会对故障区间判别算法造成影响，容易引起故障定位系统的误判。传统的继电保护测试仪测试方法，不具备上述复杂工况的便捷模拟，无法为故障区间定位系统算法的调试、改进搭建试验平台，而采用本文所述的测试系统，可以解决上述困扰。

基于图1所示的配网系统进行配网线路故障区间定位测试平台的搭建，参照表1所示内容进行配网线路故障工况的全方位的模拟，对故障定位系统的动作正确率进行统计，表2所示为所设计的配网线路故障区间定位试验统计表格。

表2 配网线路故障区间定位试验统计表

基于表2所示的线路故障区间定位统计结果，可以体现线路故障定位系统性能优劣，对设备的开发调试具有良好的促进作用。

3 结语

基于电力系统实时仿真器所建设的配网线路故障模拟系统，可以为故障指示器配线故障区间定位系统提供全方位的测试环境。有助于诸如零序电压启动精确录波型故障指示器、电场启动型精确录波故障指示器通过组网相互配合实现配电线路故障区间的定位。所提出的综合测试系统建设方法、配网线路单相接地故障影响因子归纳及测试记录统计表格，均具有良好的实用性。对故障指示器生产厂家、测试机构均具有一定的参考价值。