架空线路接地故障定位难点与关键技术分析

陈坤良

（广州市铱泰电子科技有限公司，广州 510440）

近年来，我国经济正在全面迅猛发展。现代经济的发展是科技、自动化、数字化、信息化的比拼，这些都离不开电力的稳定供应。因此，各行各业对供电的质量、稳定性都提出了很高的要求，每一次停电都有可能引起非常大的损失。随着供电的需求大量增加，电网的铺设也越来越广，越来越密集。在整个错综复杂的配网线路中，要做到线路零故障并不现实，因此在线路发生故障时，如何科学、快速地定位出故障位置是电力维修和维护部门迫切需要解决的问题。

10 kV配网架空线路故障中，线路接地故障是最为常见的情况之一。这一故障可能会引起保护跳闸、电气设备损坏、继保装置不动作以及电路大面积停电等问题。发生单相接地故障后，可能产生几倍于正常电压的谐振过压，会导致绝缘击穿发生短路事故，从而烧毁线路或者设备，甚至对正在或准备去维护设备的工作人员产生极大的威胁[1-4]。另外，接地故障有时还可能是间歇性的故障，隐蔽性很强，容易产生多次断电，从而降低用电的可靠性。

1 10 kV架空线路接地故障常见的原因

配网10 kV架空线路接地故障比较常见的原因为：第一，由于绝缘部件本身质量问题或雷雨雷电天气造成绝缘闪络，从而引起绝缘性问题；第二，放风筝、鸟害、人为空中抛物、导电或者绝缘性不强的废弃物（如铝箔纸、录音带等）造成线缆与保护线路短路；第三，环境污染导致陶瓷绝缘子表面出现粉尘等污渍，在湿度较大时引起闪络；第四，线缆附近树木在夏天生长较快，导致安全距离不够，在雨天造成搭接，从而导致线路故障。

2 查找和定位接地故障的方法

2.1 传统的故障定位方法

通常出现线路接地故障引起跳闸时，最常规的方法是由维护人员沿着架空线路跳闸的线路逐步巡查，通过人员目测或者通过望远镜来观察、查看线路是否出现搭地或接地的情况。这种方法存在着很多难点：第一，有些线缆的搭接比较隐蔽，如绝缘子故障引起微小的短路等，无法通过人眼观察出来；第二，大部分配网架空线路分支多、线路长，若遇到晚上出现故障，人员巡查的方式不但非常耗时还很难查出真正的故障点。

2.2 当前注入电压信号后检测的方法定位

10 kV架空地线接地故障频繁发生，目前已有研发人员开发出向已断电的架空线路注入信号，然后通过检测信号来判断故障方向的检测方法。

2.2.1 注入脉冲高压信号法

架空线路停电后，通过带绝缘杆的双舌勾，由信号发生器发出直流高压脉冲电压，输入到线缆与大地之间，然后通过电流钳表逐步检测脉冲电流在线路各个方向电流的大小，从而判断脉冲电流的方向，找出故障的位置。这种方法中脉冲电压是一个窄带信号，功率相对较低，且信号发生器体积较小，窄带脉冲电流值相对较大，对检测电流的电流钳表的测试精度、灵敏度要求较低，研发制造成本和难度也相对较低。但由于架空线路走线较长，且线缆与大地之间是平行走线，存在着分布电容，同时线缆的A、B、C三相线的长距离平行走线也会产生较大的分布电容。电缆走线模型如图1所示。

图1 电缆走线模型

窄带脉冲是一个频率高、频谱宽的信号，在分布电容中会对高频信号产生影响：一是在线缆与大地之间的分布电容会使信号产生衰减，且随着线缆的距离越远、分布电容越大，产生的衰减则越明显，从而造成长线情况下无法判断；二是在线缆间的分布电容会使脉冲信号电流线间产生耦合，从而导致判断故障点时因混淆而误判。

2.2.2 注入工频信号法

架空线路停电后，在线缆和大地之间注入工频信号，通过钳表检测各线路方向的电流。这一方法的优点是工频信号频率低，分布电容对信号的影响小。其缺点是有很多配电架空线路是双回线路，两组三相电缆走线其中一组故障停电时，另一组是不停电的，而未停电线路的电流很大，即使耦合很小的值到被测线路也会对定位产生影响，从而造成定位失败。

3 快速定位故障的优化分析与实现

3.1 注入信号选用低频异频高压信号

经过上述分析发现，采用脉冲信号和工频信号都有很大的缺点，因此本文采用接近工频而又异于工频的低频信号。低频信号可以避免线缆分布电容对信号衰减和线缆相互串扰的问题，而且更贴近实际工频接地故障的现象，有利于准确定位。

为了高仿真度地模拟实际线路接地的故障，采用对地电压3 kV的异频高压信号（10 kV电压等级线缆的对地电压约为5.7 kV），频率选择35 Hz，这样就可以比较全面地适用于各种故障情况，如污损引起的绝缘闪络、电弧放电、绝缘子内部被雷电暴雨的恶劣电气损坏等，此类故障现象只有在同等的高压电压条件下才会暴露出来。

3.2 紧凑型便携式高压发生源设计

为了便于现场使用，需要设计一个可以携带的高压发生器，本文采用锂电池组作为设备的电源，然后通过逆变产生一个高压的正弦信号，电压有效值约3 kV。逆变电源的主要特点是质量轻、体积小、转换效率高、节能，非常适用于本文中的高压发生器。高压发生器采用全桥式逆变电路来实现较大功率输出，以降低逆变电源功率开关器的耐压要求，提高电路稳定性。高压便携式发生器的框架图如图2所示。

图2 高压便携式发生器框架图

如图2所示，锂电池组的标准输出为14.8 V（充满电为16.8 V），容量为26 Ah，逆变电路包括逆变桥电路和滤波器电路，其中控制与反馈电路能够控制逆变全桥电路把直流转换成交流，滤波器电路能够滤除谐波部分和高频噪声，以得到比较标准的正弦信号，经过滤波输出后得到频率为35 Hz、电压为300 V的交流电，输出电路的电流为1.2 A以上。低压交流300 V电压由升压变压器升至3 000 V后，输出电流可以达到120 mA以上。

3.3 现场注入方法

通过双舌勾将低频异频高压信号注入因故障停电的架空线路，如图3所示。低频异频高压信号发生器的公共极接到接地桩，高压输出极通过双舌勾接入架空线路，模拟故障电流会沿着产生了接地故障的方向流动，通过可开口高压钳形表测试电流进行判断。如图3中，电流故障点在右侧线杆位置，钳形表在①位置测试时有正常的故障电流，②号位置也能测试到故障电流，但③号位置测不到故障电流或者电流远小于①、②号位置，因此可判断故障点为右侧杆塔附近位置。

图3 现场注入方法故障检测

3.4 检测电流的最终判断定位的关键技术分析

如图3所示的异频信号源输出中，高压故障电流最大值（短路时）约120 mA，通常情况下由于线阻和故障本身负载，电流在10～60 mA，频率选择为35 Hz。现场实际测试中发现，由于附近平行走线正常通电的架空线路耦合干扰或地回路的工频干扰，电流也会达到这一级别甚至更大。这种情况和现场未停电干扰线路与已经故障停电线路的距离远近、分布电容大小有很大的关系。在这种情况下，在上述故障测试中，就有可能在③号电流钳表的位置仍能测到较大的电流（实际上是50 Hz干扰电流），这个时候将很容易产生误判，甚至无法判定故障点位置。因此，通过低通滤波器滤除工频50 Hz的干扰信号变得非常的关键。由于50 Hz干扰信号离模拟故障信号频率35 Hz非常近，则对滤波器的要求就很高，需要设计陡峭截止频率的低通滤波器电路。因此，采用四阶有源滤波器设计一款切比雪夫滤波器，实现了陡峭的截止频率。滤波效果如图4所示。

图4 滤波效果图

图4中，35 Hz为通频信号，几乎没有衰减，50 Hz信号能够滤除到-80 dB。最终实际电路的实测数据中，被测信号同时存在35 Hz模拟故障电流通带效果和50 Hz干扰滤除效果，分别如表1和表2所示。由表1和表2中的实测数据可见，滤波达到了预期效果，可以完好地通过35 Hz有效信号，并滤除50 Hz干扰信号。

表1 35 Hz模拟故障电流检测效果

表2 50 Hz回路干扰电流检测效果

4 结语

通过分析10 kV配网架空线路结构的复杂性和产生接地故障时定位的困难性，当前的检测方法因容易受分布电容的影响和工频电流干扰而出现故障定位错误。结合理论研究，提出了能有效解决这两类问题的方案，并详细分析了电路设计和判断方法，进行了实验室模拟试验和现场故障模拟试验，所得测试数据再次证实了方案的可行性和先进性。