配電線路故障定位方法綜述

配電線路故障定位方法綜述

0故障定位技術(shù)供電企業(yè)的基本任務(wù)之一是不斷提高供電可靠性。據(jù)統(tǒng)計，電力用戶遭受的停電事故95%以上是由配電網(wǎng)引起的（扣除發(fā)電不足因素），其中大部分是故障原因。因此，準(zhǔn)確地測定配電網(wǎng)故障位置，對于及時隔離并修復(fù)故障、提高供電可靠性具有十分重要的意義。根據(jù)測量時線路是否帶電，配電網(wǎng)故障定位技術(shù)可分為在線和離線兩種方式。實際的配電線路故障絕大部分是絕緣擊穿故障，在線路停電后，絕緣恢復(fù)，故障電阻上升至數(shù)千歐甚至數(shù)兆歐，難以通過直流電阻或注入信號尋跡等簡單的方法測定故障點位置，通常需要采用高壓設(shè)備將故障點擊穿后測尋故障點。目前，離線定位法主要用于電纜故障定位。對于架空線路來說，由于供電距離較長，通過施加高壓擊穿故障比較困難，尤其是線路通常與配電變壓器直接相連，外加高電壓會對用戶用電設(shè)備帶來危害。因此，離線定位不適用于架空線路。在具體實現(xiàn)方式上，故障定位方法可分為利用多個線路終端（FTU）/或故障指示器（FPI）的廣域故障區(qū)段定位法以及直接利用線路出口處測量到的電氣量信息計算故障距離的故障測距法。前者用于交通便利、自動化水平較高的城區(qū)配電網(wǎng)完成快速故障隔離；后者用于供電距離較長、不易巡檢的鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)或鐵路自閉/貫通系統(tǒng)完成故障點查找。針對不同故障類型，本文將詳細介紹實際應(yīng)用中的短路故障定位技術(shù)和小電流接地故障定位技術(shù)。并根據(jù)目前定位技術(shù)中存在的問題，對未來故障定位研究進行初步展望。1設(shè)備嚴重失效的原因電力系統(tǒng)短路故障是指引起電流急劇增大，電壓大幅度下降，并進一步導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞的相與相或相與地之間的短接。短路分為三相短路，兩相短路、兩相對地短路和單相對地短路（發(fā)生于大電流接地系統(tǒng)，即中性點直接接地或經(jīng)小電阻接地的系統(tǒng)）。短路故障特征明顯，故障定位的實現(xiàn)相對簡單。1.1fpofpsp定位原理短路故障電流幅值較大，易于檢測，通常采用“過電流法”實現(xiàn)架空線路短路故障的區(qū)段定位，原理與過流保護相同?！斑^電流法”需要借助饋線終端裝置（FTU）或故障指示器（FPI）定位故障區(qū)段。以圖1所示的手拉手環(huán)網(wǎng)饋線自動化（FA）系統(tǒng)為例，在線路出現(xiàn)短路故障時，F(xiàn)TU檢測到過流現(xiàn)象并上報至FA控制主站。主站分析故障信息，確定故障區(qū)段。在變電所保護動作跳開故障線路后，遙控分段開關(guān)隔離故障，恢復(fù)非故障區(qū)段供電。“過電流法”原理簡單，判據(jù)明確，同時具有較好的靈敏度。FPI在故障定位實現(xiàn)上與FTU相同，其測量方式分為直接測量和非接觸式測量（測量電磁場）兩種。采用非接觸式測量監(jiān)測故障信息具備一定的現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)勢，測量裝置的靈敏度和可靠性是該研究能否推廣的關(guān)鍵。1.2故障測距法對于郊區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng)，供電距離長，采用故障測距的定位方法既可以降低成本，又可以減輕尋線負擔(dān)。1.2.1基于合理充放電的故障測距阻抗法是利用故障時測到的電壓和電流求取故障回路的阻抗，又因故障回路阻抗與故障距離成正比，從而據(jù)此定位故障。阻抗法原理簡單，投資少，但配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支線、混合線路較多，且負荷影響較大，故阻抗法不能簡單的直接用于測距計算，實際應(yīng)用中常常作為輔助測距方法，結(jié)合“S注入法”計算故障距離或配合行波法確定故障距離。奧地利采用的是將饋線預(yù)先分段，利用標(biāo)準(zhǔn)的電力系統(tǒng)分析軟件對各段線路進行離線短路計算。當(dāng)故障發(fā)生時，遠端繼電器測量故障電抗并上報主站，與短路計算得到的故障阻抗對比判斷故障區(qū)段。這種阻抗定位策略在故障發(fā)生時僅需作出對比判斷，節(jié)省了計算時間，且準(zhǔn)確率高，實際運行效果良好。1.2.2位故障區(qū)段為克服阻抗法對負荷影響考慮不足的缺點，歐洲一些發(fā)達國家采取了一些改進措施，在計算中考慮實時采集的負荷電流，通過電流對比定位故障區(qū)段。該方法對自動化實現(xiàn)程度要求較高，它是利用SCADA/EMS/DMS/D-SCADA計算各條線路的故障電流并與各點測量上報的故障電流進行對比，判斷故障位置。此方法將各監(jiān)測點的故障信息與SCADA等系統(tǒng)監(jiān)測的負荷電流等電網(wǎng)運行信息綜合運用，故障判斷更為準(zhǔn)確，在芬蘭實際運行效果良好，但由于僅以電流作為判據(jù)，定位精度受故障電阻影響較大，需要作進一步的改進。2工頻故障情況接地故障是指中性點非有效接地系統(tǒng)發(fā)生的單相對地短接，又稱小電流接地故障。其工頻故障電流微弱，故障電弧不穩(wěn)定，而由線路電容充放電引起的暫態(tài)信號幅值較大，信息量豐富。針對小電流接地故障的特點，故障定位研究中采用了多種解決策略。2.1錯誤區(qū)域定位方法2.1.1基于注入信號的故障定位方法“S注入法”是利用故障時暫時“閑置”的接地相電壓互感器注入一個特殊信號電流，通過對該信號進行尋跡來實現(xiàn)故障選線和定位。在實際工程應(yīng)用中可以在線路節(jié)點和分支點安裝信號探測器，通過檢測信號的路徑來定位故障區(qū)段，也可以通過手持探測儀沿線巡檢，信號消失的點即為故障點。文獻提出了基于注入信號原理的“直流開路、交流尋蹤”的離線故障定位方法，該方法致力于解決停電情況下故障點絕緣有可能恢復(fù)，必須外加直流高壓使接地點保持擊穿狀態(tài)，從而保證注入信號的流通回路，通過信號尋跡確定故障位置，還要注意外加高壓對用戶的影響?！癝注入法”原理先進，不受消弧線圈影響，適用于只安裝兩相CT的架空線路；但該方法需要附加信號注入設(shè)備，且注入信號強度受PT容量限制，對于高阻接地及間歇性故障，檢測效果不好。2.1.2各申請電流增量分解零序電流法利用線路零序電流的幅值及相位特征進行故障區(qū)段定位。對于諧振接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補償作用，故障線路零序電流的變化特征不明顯，幅值和相位判據(jù)失效，文獻提出對諧振系統(tǒng)故障后的穩(wěn)態(tài)零序電流增量進行分解，根據(jù)分解后的電流增量的相位定位故障區(qū)段；文獻提出在故障發(fā)生后通過改變消弧線圈的補償度，監(jiān)測線路零序電流的增量變化來判斷故障區(qū)段，文獻詳述了零序電流增量法的基本原理及配合FTU的定位策略，這幾種措施從一定程度上提高了零序電流法的檢測靈敏度，但對于高阻故障，檢測仍然比較困難。另外可以利用暫態(tài)零序電流幅值較大，且判據(jù)不受中性點運行方式影響的特點，直接比較各點的暫態(tài)零序電流幅值實現(xiàn)故障區(qū)段定位。利用暫態(tài)信號充分提高了檢測靈敏度，但缺點是故障暫態(tài)信號的獲取和判斷不太穩(wěn)定，導(dǎo)致定位可靠性不高，需要進一步改進。2.1.3零序電流幅值判斷中電阻法是對穩(wěn)態(tài)零序電流法的一種成功改進。由于諧振接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)故障電流無法用于故障檢測，需要在中性點投入中電阻產(chǎn)生足夠大的零序電流，通過比較沿線FTU檢測到的零序電流幅值判斷故障區(qū)段。該方法適用于諧振接地系統(tǒng)，從根本上克服了穩(wěn)態(tài)法靈敏度低的缺點，但需要改動變電所的中性點接地方式，同時也帶來了一定的成本問題。2.1.4零序無功分量對接地系統(tǒng)的影響功率方向法是通過檢測零序功率的有功分量或無功分量進行故障定位。對于中性點不接地系統(tǒng)，檢測沿線零序無功功率的方向即可判斷故障區(qū)段，但不適用于諧振接地系統(tǒng)，文獻提出的零序有功分量（或稱有功功率）適用于諧振接地系統(tǒng)，但有功分量較小，不易檢測，且受CT不平衡電流的影響，可靠性低。文獻提出的暫態(tài)零模功率方向法原理與首半波法類似，首先利用暫態(tài)零模電壓、電流計算出故障方向，然后通過比較各FTU測量的故障方向判斷故障區(qū)段。該方法不受中性點運行方式影響，不需要在中性點投入中電阻或向系統(tǒng)注入信號，但需要在線路上加裝零序電壓互感器，成本高、施工不方便，而且大量的電壓互感器容易引起鐵磁諧振。2.1.5ftu/fpo間的信號傳輸相關(guān)法是一種通過判斷相鄰FTU檢測到的暫態(tài)零模電流相關(guān)性確定故障區(qū)段的故障定位方法。該方法僅需要測量暫態(tài)零模電流信號，避免了安裝電壓互感器帶來的問題，且檢測靈敏度高，不受中性點運行方式影響，不需要加裝任何設(shè)備，成本低，易于實現(xiàn)，但需要應(yīng)用于實現(xiàn)饋線自動化的網(wǎng)絡(luò)或安裝FPI，且各FTU/FPI間需架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)。2.1.6端口比值支定位法除上述方法外，早期研究中的端口故障診斷法，是對可及端口施加激勵，通過檢測端口故障電流源是否為零判斷故障端口，故障端口包含故障分支，進而通過分支判據(jù)判別故障分支。在此基礎(chǔ)上，文獻借鑒模擬電路故障診斷理論，結(jié)合字典法的概念，提出了改進的端口比值分支定位法。該方法屬于離線測量法，應(yīng)用于架空線路難度很大，且需要獲取線路兩端的信息，應(yīng)用有所局限。此外，加信傳遞函數(shù)法通過在故障線路出口處施加高頻信號（單位階躍波、窄脈沖波、方波），在頻域內(nèi)構(gòu)建配電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，由傳遞函數(shù)的頻譜特性構(gòu)造判據(jù)進行故障定位。傳遞函數(shù)法取用地模分量作為故障定位的信息依據(jù)，因此具有不受負載參數(shù)變化影響的優(yōu)點，且能夠?qū)崿F(xiàn)多分支輻射網(wǎng)的故障定位問題，但同時存在無法處理只有線模分量的短路故障的定位問題，目前尚未投入實際運行。2.2故障測距法2.2.1故障點位置計算“S注入法”除用于故障區(qū)段判斷外，也可以用于故障測距。通過檢測注入信號的電壓電流，計算變電站至故障點的故障阻抗，以故障距離與故障阻抗成正比為判據(jù)計算故障點位置。該方法靈敏度受注入信號強度影響，定位效果需要現(xiàn)場實際運行以進一步驗證。2.2.2故障測距原理微分方程法是通過列寫線路的暫態(tài)微分方程，利用測量的暫態(tài)電壓、電流信號求取測量端至故障點間線路電感實現(xiàn)故障測距，又稱之為暫態(tài)阻抗法。該方法不受中性點運行方式影響，克服了穩(wěn)態(tài)法中故障信號微弱難以用于定位的缺點，靈敏度大為提高。但由于所使用的模型沒有考慮線路的分布電容，測距誤差大，不能滿足實用化的要求。2.2.3故障距離計算方法根據(jù)行波理論，線路上的任何擾動，其電氣量均以行波的形式向系統(tǒng)的其它部分傳播，因此在理論上可以利用測量到的暫態(tài)行波信號實現(xiàn)各種類型故障測距。其基本原理是通過測量故障產(chǎn)生的行波在故障點與母線之間往返一次的時間（單端法）或利用故障行波到達兩端的時間差（雙端法）來計算故障距離。輸電線路輸電距離長，利用GPS同步對時可以準(zhǔn)確計算故障距離，配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支點多，在配網(wǎng)中應(yīng)用行波測距關(guān)鍵要解決故障波頭的識別及混合線路波阻抗變化的問題，同時需要考慮其經(jīng)濟成本。文獻所采用的C型故障測距是根據(jù)脈沖發(fā)射測距原理提出的，它可以在停電條件下對線路離線測量，但信號發(fā)射接收裝置成本較高，還需要解決抗干擾問題，實用化難度大。文獻針對帶分支線配電網(wǎng)提出先定位故障區(qū)段，再計算故障距離的行波測距方法，仿真顯示測距結(jié)果準(zhǔn)確，但仍然存在偽故障點的判斷問題。文獻提出利用適用于各種故障類型的行波線模分量實現(xiàn)故障測距，為解決分支線路定位，需要在主線路及各分支線路末端安裝測距裝置，應(yīng)用成本過高。文獻開發(fā)出低成本的行波信號傳感器，沿線安裝在容性裝置的接地線上，通過雙端測距計算故障距離，但裝置的安裝條件對方法的應(yīng)用有一定限制。綜合上述幾種方法，在配電網(wǎng)中應(yīng)用行波測距必須使用雙端測距，單端測距是不可行的，而雙端測距又會增加成本，其應(yīng)用受到局限。2.2.4求解工具和方法參數(shù)辨識是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知的前提下，建立其等效數(shù)學(xué)模型，通過線路首端檢測到的電氣量求取模型內(nèi)各元件參數(shù)的辦法，在電力系統(tǒng)一般應(yīng)用時域和頻域兩種參數(shù)識別，求解工具通常為最小二乘法。輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)均勻，求解過程只需要辨識少量參數(shù)，故障測距比較準(zhǔn)確。文獻對中性點不接地系統(tǒng)建立零序網(wǎng)絡(luò)等效模型，利用零序電流、電壓信號，辨識各出線對地電容，與已建模型電容比較選出故障線路，再辨識故障線路電感計算故障距離，由于小電流接地系統(tǒng)零序分量較小，僅能保證一定程度的選線判斷，用于故障測距會大大降低計算精度，實際應(yīng)用效果有待進一步驗證。3地面信息及保護策略(1)用戶對供電可靠性要求不斷提高。下一步提高供電可靠性的必然途徑，就是通過準(zhǔn)確的故障定位應(yīng)對故障停電問題。從國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r來看，配電網(wǎng)在提高供電可靠性上顯得越來越重要，其故障檢測也受到越來越多的重視。(2)現(xiàn)有的故障定位技術(shù)相對成熟。適用范圍也涵蓋了各種接地方式及故障情況，且具備現(xiàn)場應(yīng)用的條件。實際應(yīng)用中，要因地制宜，選擇合理的定位策略，并積極地推廣應(yīng)用，摸索經(jīng)驗。(3)建立故障管理系統(tǒng)。通過故障管理系統(tǒng)可以充分利用獲取的各種故障信息，如配合故障投訴系統(tǒng)采用信息融合技術(shù)做出最優(yōu)判斷。同時可以記錄各種定位方法的運行性能及準(zhǔn)確率，有助于對比分析，為改進及開發(fā)提供可信的數(shù)據(jù)。(4)根據(jù)分布式電源的并網(wǎng)要求，制定合適的保護方案。隨著分布式電源在系統(tǒng)中比重越來越大，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行和管理更加復(fù)雜。在分布式電源規(guī)模占系統(tǒng)比例較大的情況下，其接入會影響到系統(tǒng)保護的定值及定位判據(jù)，需要建立相應(yīng)的保護方案及定位策略。各國對分布式