故障指示器的检测及应用

肖开伟+梁仕斌+田庆生+赵振刚+李川

摘要：故障指示器厂家多样，其标准和功能各不统一，所以有必要在接入配网前对其各项功能進行检测，并统一其协议标准。本文介绍了故障指示器的工作原理与其功能结构，利用故障指示器综合测试仪和其他相关设备对故障指示器进行检测，结果表明此方法对故障指示器的检测是有效的，故障指示器检测到故障信号时能够准确地翻牌，当发生单相接地故障时，经过检测后故障指示器接入配电网后的运行情况良好，能够准确的监测故障并上报主站系统。从而验证了此故障指示器监测方法的有效性和准确性。

关键词：故障指示器；故障监测；故障定位

O 引言

配电线路传输距离远，支线多、大部分是架空线和电缆线，环境和气候条件恶劣，设备故障和雷电等自然灾害常常造成故障率较高。一旦出现故障停电，首先给人民群众生活带来不便，干扰了企业的正常生产经营；其次给供电公司造成较大损失；再者一条线路距离较长，分支又多，呈网状结构，查找故障，非常困难，浪费了大量的人力，物力。

配电线路故障定位及在线监测（控）系统主要用于中高压输配电线路上，可检测短路和接地故障并指示出来。而在配电线路故障定位及在线监测（控）系统中，故障指示器能够实时监测线路的运行状态，对线路故障进行快速准确定位，并做翻牌动作。而且故障指示器与其他配电自动化设备相比，具有体积小成本低等优点，可以缩减故障点的查找时间、故障排除时间及恢复正常供电时间，从而提高供电的可靠性。因此，故障指示器在配电网中得到了越来越多的应用。

随着电网自动化改造的深入和电网配电建设投资比例的增加，配电网自动化的发展推动了配电线路故障定位系统的发展，系统主要由故障指示器和信号源。文献[1]介绍了我国配电线路故障指示器的特点，分析了目前故障指示器有待解决的问题。并提出制定标准、规范市场的建议。文献[2]对目前国内二合一的故障指示器检测故障的原理进行了简要分析，并对故障指示器的技术现状进行了分析。文献[3]论述了配电系统故障指示器的原理及其特点，运行安装配置原则，提出了故障指示器试验方法和改进建议，并对其发展前景进行展望。文献[4]提出了一种可以实现检测配电线路故障指示器功能的检测系统，结合检测系统应用分析了故障指示器常见的不合格原因。从而加大了故障指示器入网质量的把关力度，有效提高了故障指示器的入网质量和可靠性。以故障指示器进行故障定位的系统已经是我国配电线路故障监测的重要方法，并且越来越普遍。以后还会有更多的故障指示器接入配电网中，所以在故障指示器接入实际配电网之前非常有必要对其功能进行检测，从而能够保证配电线路故障指示器安全、稳定、可靠地接入配电网中。

1 故障指示器的检测原理

故障指示器主要安装在线路分支点和用户进线处当线路发生短路故障或单相接地故障时，能够发出报警是示，从而使检修人员迅速定位故障点，为尽快排除故障，恢复线路供电提供了有力保障。但是长期以来故障指示器厂家多样，又缺乏统一的标准。所以导致了故障旨示器的性能也有所差别，限制了故障指示器在实际中的应用。依据Q/GDW436-2010《配电线路故障指示器支术规范》的要求，故障指示器的检测试验分为型式试佥、出厂试验和抽查试验三种。型式试验包括外观与结勾检查、额定工频耐受电压、功能性能试验、电气性能式验、低温性能试验、高温性能试验、交变湿热试验、辰动耐久试验、倾斜跌落试验、电气寿命试验、静电放电抗扰度试验、射频电磁场辖射抗扰度试验、浪涌（冲机）抗扰度试验、临近干扰试验、耐受短路电流冲击试佥、着火危险试验、功率消耗试验、防护等级试验、卡戋结构的握力试验等20项试验项目。其中，功能性能式验，直接关系着挂网运行的故障指示器能否在一般情况下正常工作。

故障指示器功能性能测试的检测方法主要有两类：现场模拟试验方法和电流模拟试验方法。而其中现场模拟的试验方法存在安全隐患，试验时场地占地大，并且仅可以试验有限的故障指示器的短路故障功能和短路故障重合间识别功能，所以在实际中应用较少。而电流模拟试验方法为目前所普遍采用的故障指示器试验检测方法。该实验方法是用已有的试验设备故障指示器综合测试仪，将故障指示器挂在该设备的升流线圈上，并在通过计算机给测试仪设定特定的状态序列，即设定各电流状态和持续时间。接着测试仪输出给定电流，依据设定的状态序列发生变化，模拟线路运行情况，使挂在升流线圈上的故障指示器感应到大电流的输出变化，然后通过人眼观察故障指示器是否正确动作。此种方法具有较高的安全性，且可在实验室内直接试验，占用场地小。

2 故障指示器的结构和功能

故障指示器监测配电线路的原理是：依据安装在配电线路的故障传感器所检测的故障信息来确定故障区域；通过监测线路的过电流来实现相间短路故障的定位；通过监测零序电流幅值并分析幅值与相位的关系，或测量线路周围空间电场磁场来实现单相接地故障的定位。

当配电网的线路的某一相穿过卡线环，里面流过交流电（220V，lOkV或35kV）时，外部CT相当于电流互感器的铁芯，内部产生随着交流电变化的电磁场，电磁场通过外部CT环穿过感应绕阻，使其产生感应电流：设一次侧的绕阻Ni，二次侧的绕阻N2，一次侧流过的电流I1，二次侧流过的电流I2，由电磁感应原理：通过检测感应电流的变化来对线路故障进行判定。

故障指示器由一个CT控制模块，433通信模块，电源管理模块，超级电容构成，太阳能电池板构成。电源管理模块负责协调管理整个故障指示器的电源供给，支持太阳能电池板取电和在线CT取电，当线路取电情况或太阳能电池板充电情况较好时优先采用CT供电和太阳能电池板为其他模块供电，并为超级电容充电。当线路取电情况或太阳能电池板充电情况不好时，让超级电容放电为其他模块供电。

CT的另外一个作用是作为电流的采集单元，将采集的电流值反馈到控制与驱动模块，采集频率为800Hz。故障指示器通过CT采集感应的电流进行进行判定，当满足一定的逻辑时，判定为线路短路故障和接地故障。电流的测量过程使用互感器和整流电路将待侧的交流的大电流信号转换为直流的小电压信号，然后利用运算放大器转换为0至3V的电压信号，由控制与驱动模块内部AD转换器来采集。AD模块将信号传人控制模块进行逻辑判断，当控制模块识别到符合故障的逻辑时，驱动模块驱使翻牌，同时组织故障报文传输给射频通信模块，通过射频通信模块传输给通信终端。endprint

通信终端通过太阳能电池板，超级电容，充电电池给433射频通信模块，GPRS通信模块，控制模块进行供电。当太阳能充足时，太阳能电池板给超级电容或充电电池充电，再由超级电容或充电电池供电。通信终端通过433射频通信模块接收故障指示器传过来的信息，再将这些信息通过基于101规约制定的协议组成报文，由过GPRS通信模块发送给主站。

一般故障指示器3只为一组，分别部署在线路的A、B、C三相上。多组故障指示器和一台通信终端构成一个子站，一个子站可以对配网线路实现若干个点的状态量监测与突发监测。

3 故障指示器的监测、分析与应用

3.1 检测使用的主要设备

为了能够准确的检测信号源装置的性能和功能，其检测的设备要准备好，主要用到的设备有故障指示器综合测试仪、高低温湿热实验箱、数显式推拉力计、钳形电流表、万用表、T频磁场发射器、静电放电测试仪、振铃发生器等。

3.2故障指示器的功能性能检测

在故障指示器的功能性能检测试验中，需要进行四大项试验，分别是模拟相间短路故障试验、模拟单相接地故障试验、防误报警试验、最小不动作电流试验。

（1）模拟相间短路故障试验

将A、B、C三相三只故障指示器手T挂在故障指示器综合测试仪的线圈上，然后故障指示器综合测试仪中的负荷电流设置成如下图2所示。其中共设置三组参数，第一组参数：I1=lOA、I2 =160A、At=0.5s；第二组参数：I1_lOA、I2=10A、At=40ms；第三组参数：11=500A、I2=10A、At=0.5s；并且每组数值重复3次，然后观察并记录三只故障指示器的翻牌情况。

（2）模拟单相接地故障试验

对故障指示器施加AI为10A-50A的电流信号序列，故障指示器正确动作率100%。電流信号序列波形如图3所示，其中，t0、Ty、t。、ATi、AT2、AT3允许正负误差10%。各参数代表含义如下。I，：负荷电流；AI：电流倍号序列幅值；t0：单相接地故障发生时刻；Ty：信号源启动延时，默认值为Ss；t。：信号源动作后闭锁时刻；AT：开关设备投入时间，默认值为200ms；Tn：开关设备第一次投入到最后一次分闸时间，Tn默认值为9350ms； AT2、AT3：开关设备投切间隔时间，AT2默认值为lOOOms、AT3默认值为1250ms。将电流信号序列数值重复3次，然后观察并记录三只故障指示器的翻牌情况。

（3）防误报警试验

防误报警试验即当这些电流波形通过故障指示器的时候故障指示器不能有动作，如果有动作，则不合格。防误报警试验分为模拟线路突合负载涌流试验、非故障相重合闸、负荷瞬时突变，模拟人工投切大负荷、空载合闸励磁涌流这五项。如图4所示。其中图（a）模拟线路突合负载涌流试验中11_610A、I2=10A、At=0.2s；图（b）非故障相重合闸试验中I1_lOA、合闸后电流I2=610A、At=0.5s；图（c）负荷瞬时突变试验中I1=lOA、I2=610A、At=0.2s；图（d）模拟人工投切大负荷试验中I1=lOA、I2=610A、At=3s；图（e）空载合闸励磁涌流试验中I，=600A、At=0.2s。将每个试验中的数值重复3次，然后观察并记录三只故障指示器的翻牌情况。

（4）最小不动作电流试验最小不动作电流试验的波形如图5所示，其中I₁=lOA、I₂=80A、△t=ls。将其试验重复3次，然后观察并记录三只故障指示器的翻牌情况。

以上每个试验都要进行三次，需要测A、B、C相三只故障指示器，如果所有试验都通过测试，那么表明故障指示器的功能性能达到合格要求，否则则需要重新检查调试故障指示器直到通过试验测试为止。

3.3 故障指示灯接入10KV线路应用问题

在云南省部分偏远地区，其lOkV配网线路传输距离远，线路长，分支多，沿途地势复杂，环境和气候条件恶劣。线路发生故障需要派工作人员到现场沿线查找故障位置，然后排除故障，这种方法消耗了大量的人力、物力，效率非常低，查找和消除故障的时间较长。针对这种情况，将故障指示器接入到lOkV配电线路中，帮助配电运行人员查找故障。运行结果表明，此故障指示器系统在lOkV配电线路中得到了广泛的应用，缩小了配电运行人员的工作时间，提高了工作效率。

故障指示器具有快速定位故障、减少工作人员查找故障工作力度等特点，在配电线路中得到了广泛的应用，但生产标准的不同，使得其性能质量差异较大。因此在故障指示器接入线路前很有必要对其性能进行检测。本文介绍了故障指示器的工作原理与其功能结构，利用故障指示器综合测试仪和其他相关设备对故障指示器进行检测，结果表明此方法对故障指示器的检测是有效的，故障指示器检测到故障信号时能够准确地翻牌，当发生单相接地故障时，故障指示器能够检测到信号源发出的特定电流信号，从而翻牌，并将故障信息上传通信终端，进而上报给主站。endprint