故障指示器原理及应用实例,接地故障指示器原理

国网新疆电力有限公司电力科学研究院的研究人员冯斌、李开鑫、赵启、朱建华，在2019年第4期《电气技术》杂志上撰文，为提高智能配网线路故障指示器装置的安全和稳定，研究其故障指示器的检测方法，并设计相关模块组合为测试系统，可对故障指示器进行简单高效的检测。

本文详细论述了配网线路中故障指示器检测系统的实现方法，并给出了部分测试项的逻辑图。该检测系统可应用于入网检测、到货抽检、到货全检等检测工作。

随着电网的高速发展，10kV配网的负荷日趋增大，用户对配网供电可靠性提出了更高要求。故障指示器（简称故指）具有快速查找定位故障点的功能，对智能电网有提高排查效率，提升供电可靠性的作用。但是市场上故指种类繁多，质量也良莠不齐，对于配电线路的故障检测存在较大随机性，严重影响配网的可靠性和可维护性。

目前，故指检测仅能应用耐压仪、绝缘表进行简单的测试，主要依靠安装后的实际工况来确定其工作可靠性。为确保设备安全、稳定、高效的运行，根据配网实际情况拟定相关技术要求，并对故障指示器进行检测。

基于对故障指示器的稳定运行，研究一套较为合理易操作的检测系统对故指进行全面检测，从而提高配网自动化的可靠性。研究的检测系统按国网技术标准，完成了对故障指示器的功能，性能，规约等的检测，该方式可广泛应用于故指的入网检测、到货全检以及日常维护。

故指检测系统主要包括模拟主站检测系统和功能性能检测系统。目前故指主要有就地型和远传型。就地型故指需要巡检人员到现场按指示器提示寻找故障点，增加了电网的系统维护成本，而远传型可以通过无线网络将故障信息传输至主站，然后主站通过分析处理判断出故障点[2]。模拟主站检测系统主要是针对远传型故指进行检测。功能性能检测系统主要是检测故指是否满足国网提供的技术要求。检测系统结构如图1所示。

系统硬件由服务器、网络交换机、串口服务器、特征函数发生器、功率源、录波仪、PC上位机和打印机组成。软件部分主要用VC平台的C类编程语言实现。图中服务器主要担任模拟主站的作用，对故障指示器汇集单元上送的数据、事件进行存储和分析，同时也用于控制波形发生器模拟现场各类故障特征波形。

图1 检测系统结构图

波形发生器经过功率放大器放大，使其产生A、B、C三相信号，模拟配电线路的实际情况，由于实际配电线路上还存在有高压电场干扰，所以通过信号源输出电压信号，再通过PT端子进行放大，以此来模拟实际运行工作下的电场，具体情况如图2所示。

图2 模拟配网线路结构图

检测系统的PC终端相当于控制机，能够与特征波形函数发生器、故障指示器汇集单元进行双向数据交互。模拟主站系统也能同时与函数发生器、故障指示器汇集单元进行双向数据交互。根据不同的测试项，对测试过程进行优化，可实现高效，简洁的自动测试。

系统先初始化，然后录入产品相关信息，包括生产厂商，产品编号等，然后选择好通信规约，然后进入自动测试。自动测试子项可以根据需要作删减。测试系统工作流程如图3所示。下面以二遥远传型为例说明测试的方法。

功能测试项主要包括：短路故障识别、接地故障识别、重合闸故障识别、自适应负荷电流以及防误动功能。这些是故障指示器所需要的最基本的功能。

图3 测试系统自动测试图

1）短路、接地及重合闸故障告警功能测试

故障指示器的基本功能包括短路、接地以及重合闸故障的识别。该测试项主要是检测故指的基本功能。测试过程如下：由服务器调整特征波形，经过功率放大器放大，从而模拟实际现场的线路故障情况，然后检测故障指示器在每个相序上是否正确动作，并在规定时间内将信息传至模拟主站，从而判断故障指示器是否具备该功能。算法流程如图4所示。

图4 短路故障测试逻辑图

2）自适应负荷电流和防误动功能测试

自适应负荷电流是指线路在不同负荷下出现故障时，故障指示器应能判别故障并遥信上报到主站，防误动功能测试项是指配网系统中由于人为或自身系统原因导致电网波动，如人工投切，变压器空载合流等。对于这种电网波动，故障指示器不应该误判为故障。

测试过程如下：可在30A、100A、150A（具体可根据实际情况修改）线路负荷时给出故障特征信号，故障指示器应能正确动作并将遥信上报主站。同样信号源给出防误动特征波形并经过功率放大给到线路，故障指示器不应该误动作。

3）性能测试

国网大纲要求的电气性能主要包括短路故障起动误差，最小可识别故障电流持续时间、负荷电流误差以及接地识别率等。在实际配网系统中，接地故障较为常见，所以对不同的接地故障故障指示器应该能识别并正确动作。

4）负荷电流误差

远传型故障指示器以二遥为主，即遥信和遥测。负荷电流误差检测主要依靠遥测来进行判断，对于二遥外施型，规定负荷电流在0～100A时遥测误差应在±3A以内，负荷电流在100～600A时遥测误差应在±3%以内。具体测试流程如图5所示。

图5 性能测试遥测精度逻辑图

5）接地故障识别率

接地故障波形较为复杂，一般是通过函数发生器模拟接地波形。但为更好模拟真实情况，可通过数据库找出以前实际线路上的接地波形，再通过服务器将波形给到特征波形发生器，从而还原真实的接地状况。接地故障一般分为金属接地，小电阻接地，弧光接地以及高阻接地，故障指示器应能对上述接地正确识别并正确动作，并将遥信事件上报主站。

6）通信测试

汇集单元一般是多通信接口。串口通信方式、网口通信方式和无线通信方式等都可作为汇集单元与主站的通信方式，所以检测的服务器有串口服务器和网络交换机，以适应不同的汇集单元通信。串口服务器主要是对通过RS-232或485的配电线路汇集单元与TCP网络的数据进行交互的传输服务。串口通信具有速率快、稳定性高、调试简单的特点，故一般在到货全检时采用串口通信的方式。但是在实际现场，多数是无线通信，所以模拟主站由网络交换机构建网络，与公网或专网进行数据交互，从而实现对汇集单元的通信检测。

7）规约测试

模拟主站下发初始化、总召以及心跳等指令，汇集单元回应并上送信息。在测试过程中汇集单元与模拟主站的通信应以密文形式传送，加密方式按国标SM2算法加密。规约测试有报文防丢失的机制，即所有的收发帧都带有确认帧，这使得检测系统更加稳定和可靠，同时也易于排查问题。

8）事件记录功能测试

通过特征波形模拟故障，汇集单元会向主站上送遥信事件，主站通过记录的遥信事件与所给特征波形的故障类型进行判别，若正确，则可认为汇集单元具备事件记录功能。

1）系统具有良好的兼容性和扩展性。系统可以实现配电线路故指汇集单元的多种通信协议，如平衡101协议和平衡104协议等的检测，优化了模拟主站的信息交互，同时系统能添加自定义协议，对系统升级有更好的兼容性。

2）系统可实现多信息状态的一致。系统对故障指示器的就地故障动作，远传汇集单元以及主站信息状态等实现了信息的一致，保证了故障指示器在运行状况下的信息真实性，提高了配网线路的可 靠性。

3）系统自动化程度高，人为参与少，节省了资源，提高了检测效率和其稳定性。

该检测系统已对北京、深圳、山东等故指厂家生产的暂态录波型、外施信号型、暂态特征型故障指示器进行了批量检测，平均每月（工作日）可实现故指检测1000余组，目前已累计检测2000余组，发现不合格故指200组左右。不合格原因主要为故障识别率低、通信异常及部分硬件损坏。实践证明，该系统可以大大提高检测效率，并保证检测质量。

故障指示器检测系统可以减少检测时间，提高检测效率和故指产品质量，从而提高配网维护成本和提高配网稳定性。而且该系统可以根据实际需要对方案模板进行删减，优化检测步骤，提高检测效率，对到货全检有较大的帮助。同时，该检测系统还可对模板进行自定义子功能项的添加，从而提高故障指示器的入网质量，确保配网线路的稳定运行。