架空线路接地故障位置测量的方法分析及应用

2022-03-26周晓磊吴婧涵

电子元器件与信息技术 2022年1期

周晓磊，吴婧涵

（国网河南省电力公司登封市供电公司，河南登封 452470）

0 引言

在很多地区的配电网中，配电线路依然是采用架空线路的方式，虽然建设成本和电缆配电线路相比有所降低，但也容易出现故障，其中以发生接地短路故障次数较多，导致配电系统的供电可靠性下降为主。当架空配电线路发生接地故障时，需要快速锁定接地故障点，从而快速将故障消除。采用本文所述的架空线路便携式接地故障位置测量仪，来对接地故障位置进行测量及定位，可以有效降低接地故障处理时间[1]。本文首先分析了架空配电线路的运行现状，之后阐述了具体的架空线路接地故障位置测量方法及实现原理，最后介绍了架空线路便携式接地故障位置测量仪的应用，对于提高架空配电线路的运维技术水平具有一定的价值。

1 架空线路的运行现状

架空配电线路运行在野外露天环境下，容易受到大风、鸟害、施工外破等因素的影响，线路跳闸事件时有发生，特别容易发生接地故障。虽然很多架空线路都进行了绝缘化改造，在一定程度上提高了架空配电线路运行的稳定性，但接地故障的情况还是时有发生。接地故障类型主要包括单相接地、二相接地以及三相接地，其中以单相接地在电力系统的运行实际中发生最为频繁，而三相接地发生的概率相对较低，但是一旦发生三相接地短路，所产生的冲击电流也较大，会对电力设备造成较大的损伤。

由于我们目前大多数的10kV架空配电线路都是采用小电流接地的方式。这种中性点接地方式的优点是当架空配电线路发生最为常见的单相接地故障之后，所产生的接地电流很小，不会使得架空配电线路的绝缘系统破坏。但是由于接地电流很小，也使得当线路发生接地之后，难以对接地故障的具体位置进行测量和定位[2]。当前对于架空线路的接地排查方法，依然是采用人工巡线的方式，这种方法较为耗时耗力，不符合智能配电网建设及运维的发展方向，以下介绍架空线路接地故障位置的便携式测量方法。通过采用这种便携式接地故障位置测量技术，可以在较短的时间内快速锁定接地故障点，从而使得架空线路的运维人员能够快速采取措施，恢复配电系统的正常供电。

2 架空线路接地故障位置测量的方法

2.1 架空线路接地故障位置测量的基本方法

当前我国对输电线路的故障定位效果较好，但对于配电线路的故障定位还有待提高。由于配电线路的结构也更为复杂，存在着很多分支线，还分布了大量的配电变压器，故具体的定位难度也较高。目前在架空线路接地故障的定位方法主要包括了行波法、脉冲信号注入法以及S信号注入法等，这些方法都在实际的架空线路故障排查中得到了应用。

其中行波法在输电线路故障定位中应用较多，但也可以引入配电架空线路的故障定位中。当架空线路接地之后，接地点会产生行波，根据行波从故障点到测量点所花的时间，并结合行波的波速就可以确定接地故障点的距离。但由于配电线路的结构错综复杂，行波信号在发生多次反射或折射后，就会导致所测量出来的距离比实际故障点和测量点之间的距离更大，故测量结果的准确度有待提高[3]。对于脉冲信号注入法，在这种方法中，首先在架空线路的起始端注入脉冲信号并对该信号进行检测，如果检测到所注入的信号在下游，则说明接地故障点也在下游，反之则说明线路的接地故障点在上游。但这种方法能够定位的接地故障范围较小，而实际的架空线路长度往往较长，故应用效果不好，难以满足实际生产的要求。对于S信号注入法，该方法的原理较为简明清晰，并且在实际中也取得了较好的应用效果，以下为详细分析和介绍。

2.2 基于注入信号法的架空线路接地故障位置测量及定位

对于S信号注入法，其应用原理是当架空线路发生故障之后，通过采用专门制作的信号发生设备，向架空线路电压互感器的二次侧注入一个特定频率的信号。该信号和架空线路自身的频率存在较大的差异，并且注入之后会通过线路中的接地点构成回路，从而继续流入大地中，这样就可以通过跟踪及检测这个特定频率的信号所经过的路径，达到确定架空线路具体故障位置点的目的。

在这种方法中，由于是根据外加信号所流过的路径来确定故障点，故和配电线路中性点的接地方式关联不大，能够用来对中性点不同接地方式的配电线路进行故障定位。这样就可以提高该接地故障位置测量技术在实际中的应用范围，满足对架空线路运维的需求，图1为故障排查人员正在通过非接触式感应器定位具体的配电线路接地故障点。

图1 信号注入法在架空配电线路故障定位中的应用

当在架空配电线路的一端注入交流信号之后，并通过接地点形成回路，由于电磁感应作用，在故障的线路区间内会产生和注入信号频率相同的磁场。并且在靠近接地故障点的区域，交流信号会发生较大的幅值变化，故据此就可以在地面通过感应器定位具体的接地故障点。从图1中可以看出，该故障排查人员根据所测量到的结果在不断地变换测量位置，直到满足接地故障点的特征。这种测量方法只需要测量人员手持终端设备，而不需要在架空线路上额外安装故障检测装置，故可以降低投资成本。但是这种接地故障点的测量方法在实际应用中也存在着一定的局限性，如果架空线路较长，则线路的分布电容就较大，容易出现测量误差，特别是应用在中性点经电阻接地的方式中。但对于大多数的架空线路接地故障都能够适用，并且在实际的应用中也取得了较好的应用效果。

3 架空线路便携式接地故障位置测量仪的应用

利用S信号注入法，可以开发出架空线路便携式接地故障位置测量仪，配电线路故障排查人员只需要手持终端设备，而不用在配电线路上额外装设检测设备就可以实现接地故障点的有效定位，故采用这种方法提高了线路接地故障的排查效率。在架空线路便携式接地故障位置测量仪的组成上，主要包括了非接触式感应器和分析控制系统，其中非接触式感应器的应用如图1所示，操作人员无需登杆即可进行注入信号的检测。分析控制系统则是对所检测感应到的信号进行分析，判断是否符合接地故障的特征，图2为架空线路便携式接地故障位置测量仪中分析控制系统的原理结构图。

图2 架空线路便携式接地故障位置测量仪的原理结构图

从测量仪分析控制系统的结构图中可以看出，该测量仪主要由电流采集单元、数据显示单元、数据处理单元、电源模块以及运行指示单元等组成。其中电流采集单元由手持非接触式感应器实现，并将所感应到的电流信号传输到分析控制系统中的数据处理功能单元。同时将数据处理的结果通过数据显示单元和运行指示单元展示在配电线路检修人员的面前，这样就可以直观地判断接地故障点的位置，提高故障排查效率[4]。其中对于数据处理功能单元中所采用到的数据处理算法，应选择计算效率较高，迭代次数相对较少的算法，这样就可以快速对数据进行处理，提高便携式接地故障位置测量仪在应用过程中的响应速度。但是应保证数据处理结果的准确性，不能因为降低了迭代次数而导致计算结果准确度不高[5]。

在实际的接地故障排查操作过程中，可以设定所注入的电流信号数值，当检修人员沿着线路故障区段行走时，当电流采集单元所采集到的电流数值远小于注入的电流值时，说明线路接地故障点在下游。如果采集到的电流值较大时，说明故障点在下游。此时可以继续寻找，直到采集电流值和注入电流值较为接近，说明该处为线路的接地故障点。通过采用架空线路便携式接地故障位置测量仪，可实现对接地电流强度及流向的准确测量，从而大幅提高架空线路接地故障的排查效率，达到故障点快速定位、供电迅速恢复的目的[6]。