基于高压直流恒流源的线路故障定位方案研究

陈超杰，周 青，沈晓峰，徐友刚，朱子叶

(1.国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799；2.上海电力大学，上海 200090)

目前配电网日益电缆化、分支化，伴随着电容电流的急剧增加和分支机构的日益复杂，而现有技术的接地查找手段普遍存在定位精度不准确、高阻接地查找困难、注入信号存在危险性等问题，使得推广使用受到较大限制[1-4]。尽管一些较先进的故障指示器已具备接地指示功能，然而故障指示器不可能密集安装，对电缆出线分支较多或距离较长的线路现场查找帮助依旧有限。

由于现有技术的局限性，单相接地故障点查找至今未很好解决，对于配电网的安全稳定运行带来较大负面影响。为此，本文研制一种能从根本上提升接地查找定位效果，又安全方便的接地查找设备。

1 现有单相接地定位存在的问题

现有接地故障点查找设备效果最好的是信号注入法检测方案，通过向停电的故障线路与大地之间注入交流信号，再通过无线钳表检测信号电流的流向，逐步缩小检测范围，最终定位到故障点，但该技术仍存在一些问题。

1.1 无法检测高阻接地或间歇性接地

高阻接地与间歇性接地是最难查找的接地类型，而且出现的也很频繁，尤其是树枝搭接、小动物入侵等，常常造成高阻或间歇性接地。现有产品的信号电压强度低，由于电缆线路多、系统电容电流大，现有产品采用交流信号注入，如果信号电压强度过大，检测装置将承担极大的电容无功功率，这在技术上极难达到。因此，下游产品信号电压一般仅几百伏，对于高阻接地或间歇性接地无法击穿故障点绝缘，这导致检测高阻或间歇性接地效果不佳[5-6]。

1.2 容易受干扰

配网系统的日益电缆化，使系统对地电容阻抗日益降低，现有方案采用交流信号注入在无故障的电缆分支线上也产生感应回流，从而对检测形成干扰甚至误导。

1.3 无法验证线路绝缘水平

部分单相接地并非永久性故障，很可能在跳闸后故障点已经自动消除，具备送电条件。为确保安全，有时必须对线路进行绝缘测试，但现有设备的交流信号源电压低，无法直接测试系统绝缘水平，还必须使用其他仪器来检测线路绝缘。随着供电可靠性要求的日益提升，用户希望故障停电时间尽可能短，这就需要接地查找装置本身具备绝缘验证能力[7-8]。

当信号源无法构成回路，通过提升信号电压来直接验证线路绝缘，将能极大提升单相接地故障的处置效率。

1.4 安全性差

现有信号注入方案的检测仪器、操作杆均无防误操作保护，一旦检测时误接入运行线路，将导致线路跳闸、人员伤亡的严重事故发生。检测设备的现场应用安全性也需要提升。

2 检测用高压直流恒流源的设计

2.1 利用直流信号源检测故障点的特点

现有技术的信号电源采用交流，在高阻值接地时，电容电流影响对故障点的准确判断，占据了装置的容量。在高阻值的接地故障点查找时，花费时间较长，难以准确判断故障点甚至无法查找，因此故障查找性能受到限制。

本文电源采用直流方案，直流方案的优点在于：首先直流信号无电容效应，具备先天的电缆电容电流屏蔽能力，因此具有很强的抗干扰能力；其次直流信号因为不产生电容电流，对于电容量很大的线路元件，可直接用较小的功率产生较高的电压，从而类似于兆欧表对线路直接进行绝缘检测，可实现在线的线路绝缘水平的同步检测，对缩短故障处置时间带来极大的好处。

现有技术不具备直流电流的钳表检测功能，要实现直流信号注入比较困难。采用新型双重化屏蔽霍尔电流传感器，具备极佳的外部电磁场屏蔽能力，通过该技术登杆检测线路中的直流信号电流，就能非常灵敏地确认故障方位。

2.2 高压直流恒流源的结构设计

本文将逆变器与斩控交流调压电路结合，采用漏磁变压器升压，同时利用其电流稳定特性，达到恒流效果，规避了高压恒流电源控制上的复杂性，实现无极可调、不怕短路近似恒流的高压、小电流直流电源的设计，易于现场使用，其基本结构如图1所示。

图1 高压直流恒流源结构图

高压直流恒流源主要由4个部分组成。

(1)12～220 V逆变器。选取适当容量的蓄电池，通过振荡电路，将直流电逆变为交流电，由变压器升压至220 V。

(2)斩控交流调压器。通过控制脉冲的占空比，利用高频周期矩形波函数对正弦波进行调制。假设12～220 V逆变器输出值表示为

ui(t)=Umsin(ωt)

(1)

(2)

输出电压的傅里叶展开式：

(3)

输出电压由基波和高次谐波所组成，利用低通滤波器，可完全滤除高次谐波，使得u0(t)=DUmsinωt，改变占空比即可调节电压。

(3)漏磁升压变压器。漏磁变压器具有电流稳定的特性，当变压器开始工作时，负载电压趋近于副边电压值，副边漏抗很小；当稳定工作后，负载压降下降，漏抗压降上升，趋于允许的限定值。改变原边电压，副边的电流在负载变化时也能基本保持不变。变压器升压后电压为

u2(t)=nu0(t)

(4)

式中n——变压器变比，漏磁变压器空载电压可达10 kV以上。

(4)高压整流桥。通过将4只相同的整流二极管接成电桥形式，利用二极管的引导作用，在输出端实现全波整流电压，整流桥输出的电压值为

UL=0.9U2

(5)

一般还需要滤波电路对整流后的电压进行滤波，使输出电压接近理想的直流。

本文设计的高压直流恒流源整机样机基本参数如表1所示。

表1 高压直流恒流源样机基本参数

3 直流恒流源信号注入法分析及设计

3.1 直流恒流源信号注入法

10 kV电力系统发生单相接地故障的等效电路如图2所示。在图2中，L为消弧线圈电感；Cm，Rm，Lm为故障点上游所有并联线路的等值线路参数；Cn，Rn，Ln为故障点下游等值线路参数。

图2 单相接地故障其等效电路

直流信号注入法的原理与传统的交流信号注入法类似，设线路n发生单相接地故障，其原理示意图如图3所示。在图3中，Udc为直流电源，与逆变器相连，将直流信号转变为交流信号。与斩控式交流调压电路结合，通过漏磁变压器升压后高压整流，构成高电压小电流的直流发生器。

图3 直流信号注入法原理

直流信号注入法等效电路如图4所示。选取一个检测点，对已隔离故障线路的故障相与地之间施加信号电源注入直流信号，通过故障点的接地与装置形成电流回路，测量电流的流向即可判断故障点的方位。

图4 直流信号注入法等效电路图

假设故障点在左侧，则故障接地与直流源形成回路，左侧回路电流：i1≈UL/R1，右侧无接地，则电流为i2≈UL/R2，由于右侧开路，R2理论上近似为0，故i2≈0。

与传统交流信号源相比，直流信号无电容效应，具备先天的电缆电容电流屏蔽能力和抗干扰能力；其次，直流信号不产生电容电流，对于电容较大的线路元件，可直接用较小的功率产生较高的电压，进而利用兆欧表等对线路直接进行绝缘检测，使故障点难以藏匿。

3.2 安全防误操作保护设计

为了保证现场检测的安全性，尤其是信号注入装置不能错误接入运行线路导致误操作事故，提出了三重化安全防范结构。

(1)感应验电器。信号操作杆顶部设置与日常验电操作类似的验电器，验电器与信号输出夹头具备足够安全距离，挂接操作杆时直接通过验电器验电，保证挂接在无电回路上。

(2)全绝缘导线与高压硅链信号源电路。信号导线采用复合硅橡胶高压导线，导线本体可承受50 kV交流耐压1 min不击穿，而仪器的信号输出部分通过变压器二次隔离与高压硅链整流输出，其本身可承受15 kV以上的外部交直流电压不击穿，即使信号操作杆完全搭接到运行导线上，也不会导致线路接地的误操作事故。

(3)集成全绝缘限流熔断器。操作杆集成有外部全绝缘的限流熔断器，即使信号操作杆搭接到运行导线、仪器绝缘失效对地击穿，此时限流熔断器也会立即断开，从而保护线路不发生接地短路的重大事故。

样机的原理结构如图5所示。

图5 项目样机原理示意图

4 现场试验结果

以避雷器隐性故障发生在上海某110 kV变电站10 kV的II段母线为实例，对所提技术方案进价现场验证。下面分析线路发生避雷器隐性故障的处理过程。

(1)单相接地故障选线与隔离。10 kV II段母线于22：00左右发生故障，经分析确认是10 kV拼开线单相接地故障。通知运维班现场巡线，故障点在1至39号杆段；39号杆后段当晚经拉手线路操作转至拼镇线供电，隔日上午未查见明显故障，试送电后单相接地故障仍然存在。

(2)避雷器隐性故障查找。经高压直流恒流源注入直流信号测试发现，故障在在20号杆大号侧，通过无线钳表缩小范围于22号和28号杆测试后发现故障依旧在大号侧。随后利用红外测温装置，发现7号配变A相避雷器发热(见图6)，温升3 K左右。登杆发现避雷器瓷套穿孔，故障隐蔽，地面巡视发现困难，更换避雷器后恢复送电正常。

图6 故障的避雷器

现场实际应用表明，通过直流高压恒流源信号注入，结合无线钳表判断故障点大致区域，检测定位的效率高，具有较好的实用价值。

5 结语

单相接地故障的辨识与查找对配电网的安全稳定运行起着至关重要的作用。随着线路的复杂化，给单相接地故障的查找定位及事故处理带来了极大不便。本文提出一种基于高压直流恒流源设计的接地查找方案，分析了直流信号注入法定位的基本原理，并设计高压直流恒流源，利用二分法原理对发生故障的线路进行故障查找，通过现场数据验证该方法的可行性。与传统交流信号注入法相比，直流信号注入查找更精确，具有一定的实际使用价值。