1、配电网故障定位研究技术综述1 配电网故障定位研究的意义随着我国经济的发展，电力系统规模逐渐加大，网络结构逐渐复杂，而且，用户对供电稳定的要求也越来越高。这就要求一方面，在系统正常运行过程中要防止故障的发生；另一方面，在系统发生故障后，要快速、准确地找到故障位置，迅速排除故障，确保电力系统安全运行，提高供电可靠性，将损失最小化。我国大多数配电网均采用中性点非直接接地系统，即小电流接地系统。随着国民经济的发展，在配电网系统中，出现了既有架空线又有地埋电缆，还存在有架空线和地埋电缆混合敷设的情况。架空线上发生的故障中单相接地故障占80以上，当小电流接地系统发生单相接地故障时，由于单相接地不形成短路回
2、路，故障线路流过的电流为所有非故障线路对地电容电流之和，故障电流远小于负荷电流，使得故障定位比较困难，不能快速、准确地进行故障定位。虽然由于电力电缆具有比架空线路可靠性高、占用空间少、受恶劣天气影响较小、有利于工厂布局和城市规划等优点，但是由于机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、水树等因素的影响，长时间运行的电力电缆也会发生故障。再加上由于电力电缆多埋于地下或铺设在电缆沟中，故障发生后，很难迅速、准确地测出故障地点的确切位置，不能及时地排除故障恢复供电，往往会造成停电停产的重大经济损失。因此，如何确保配电网的安全可靠运行，快速有效地查出故障线路及故障点位置，具有非常重要的意义。2 配电网故障定位技术
3、的发展现状多年来，国内外研究人员及学者对于小电流接地系统故障定位方法的作了许多研究工作，尤其是对单相接地故障定位的研究，也提出了不少使用方法。根据架空线路和电力电缆自身的特点，配电网故障定位方法主要分为适用于电力电缆的故障定位方法、适用于架空线路的故障定位方法和适用于架空线与电力电缆混合敷设的故障定位方法。2.1 电力电缆的故障定位方法2.1.1 阻抗法阻抗法通过测量故障发生后故障点到测量端之间的阻抗，然后利用线路参数建立故障定位方程，求解得到故障距离。这种方法多以线路集中参数模型为基础，由于原理简单，容易实现，所以一直得到人们广泛的关注。电桥法是阻抗法故障测距中比较广泛使用的一种。电桥法包括
4、电阻电桥法和电容电桥法两种。电阻电桥法仅适用低阻抗的测量，要求故障点的电阻不得超过 100 千欧，最高不得超过 500 千欧，一般以 2 千欧为宜。其基本原理为：将被测电缆末端非故障相与故障相短接，电桥两输出臂分别接故障相和非故障相，调节电桥臂上的调节电阻，当电桥平衡后，根据电桥平衡原理计算出故障距离。电容电桥法可以用于电缆断线故障的测量，其原理与电阻电桥法类似。电桥法的优点是：方便、简单。但缺点是不适合测量高电阻和闪络性故障。因为故障电阻较高的情况下，电桥回路中电流很小，一般电流检流计灵敏度很低，很难检测出电桥是否平衡。电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始材料，当一条电缆线路是由两
5、种以上导体材料或不同截面积的两段以上的电缆组成时，还需进行换算。还有电桥法不能测量三相短路故障。这种阻抗法是以线路集中参数模型为基础进行计算的，当故障电阻比较大，就无能为力了。为此，文献6提出了一种适于测量高电阻故障的阻抗法，这种方法以分布参数为基础，建立参数方程，并计算出故障距离。其基本原理是：对带有高电阻故障的电缆施加正弦高压信号，使高阻故障点闪络，此时故障点的高电阻故障变为电弧故障。因为电弧故障成电阻性，流过故障点的电流和故障点两端的电压同相位，通过采集系统，将流过线路的电流和线路两端的电压采集到后，根据分布参数理论就可以求出沿线路各点的电压和电流，从而实现故障定位。2.1.2 行波法行
6、波法也是电力电缆故障测距中一种比较常用的方法。行波法故障定位具有速度快、精度高等优点，具体包括：A、B、C 和 D 型行波测距法。(1)A 型行波测距故障点发生故障后，产生的行波就会在在故障点与测量端来回传播，可以通过行波往返故障点与测量端一次的时间和行波波速来确定故障点的距离。这种方法不受过渡电阻和对端负荷阻抗的影响，此原理简单，所用装置较少，且可以在理论上达到较高的精度。多年来，由于没有深入地了解故障点产生的行波特性以及传播特性，再加上需要高速采样系统和精准时间计时系统等条件，所以一直没得到广泛应用。近年来，比较常用的 A 型行波测距方法主要有：脉冲电流法和脉冲电压法。脉冲电流法是 80
7、年代初发展起来的一种测试方法，该方法具有安全、可靠和接线简单等优点。其原理是：通过线性电流耦合器测量电缆故障击穿时产生的脉冲故障电流信号。它实现了仪器和高压回路的电耦合，省去了电容与电缆之间串联的电容和电感，简化了接线，而且还易于分辨传感器耦合出的脉冲电流信号。脉冲电压法，又称为冲击闪络法。该方法原理为：首先利用直流高压和脉冲高压信号把电缆故障点击穿，然后通过放电电压脉冲在测量端与故障点之间往返一次的时间来测距。其优点是不需将高阻和闪络性故障击穿，直接利用故障击穿产生的瞬时脉冲信号，测试速度比较快，测量过程简便。其缺点是：在利用此方法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串联一个电阻或电感
8、产生电压信号，这样就增加了接线的复杂性，且降低了电容放电时加在故障电缆的电压，使故障点难以击穿；还有在测量过程中，分压器耦合的电压波形变化不明显，难以分辨。(2)B 型行波测距B 型行波测距的基本原理是：只利用故障点行波产生的第一个行波波头信号到达电缆两端的信息，并借助于通信通道进行故障测距的。此方法的优点在于只利用第一个波头，因而故障点的反射波和透射波不会限制此方法的应用。但此方法仍需要精确的故障行波到达测量端的时间。(3)C 型行波测距C 型行波测距的基本原理：电缆发生故障时，将该电缆与电网断开，通过脉冲发射装置向故障电缆发射高频脉冲，然后计算脉冲信号在装置与故障点之间的来回时间，从而计算
9、出故障距离。目前，常用的 C 型行波测距方法主要有低压脉冲反射法和二次脉冲法。低压脉冲反射法 2 ,又叫雷达法。主要用于电缆的低阻(或短路)故障及断路故障的测距。这种方法比较简单直观,通过观察故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差来进行测距。不同的故障性质具有不同的反射波,如果发射脉冲是正极性的,回波脉冲也是正极性的,表示是断路故障或终端头开路,即电压不能馈至另一端的故障;如果回波是负极性脉冲,则是短路接地故障,表示电缆故障点绝缘电阻低于该电缆的特性阻抗,甚至为零的故障。低压脉冲反射法的优点是简单、直观，不需要详细的电缆原始资料，还可以根据反射脉冲的极性分辨故障类型。缺点是不能用于测量高电阻与闪络故
10、障。（电力电缆故障现场测距方法的研究与应用）二次脉冲法： 2.1.3 电弧燃烧法2.1.4 声测法声测法的基本原理是利用电力电缆故障点放电时产生的声音信号进行定点，声音传感器在电力电缆上方将声音信号检测出来， 声音最大的地方为故障点所在的位置 5。对于电缆护层己经被烧穿的故障， 往往可以在地面上用人耳直接听到故障点的放电声。但是对于电缆护层未被烧穿的电缆故障或者是埋深的电缆故障，都有可能使故障点放电声音减小，需要用高灵敏度的声电转换器，如拾音器或压电晶体，将地面上微弱的地震波转换为电信号并由相关仪器对信号进行放大处理，然后用耳机还原成声音，或通过显示装置显示声音的强度，以此来找出放电声音最大的
11、位置。该方法主要用于电力电缆高阻故障的定点。（电力电缆故障现场测距方法的研究与应用）2.1.5 音频电流感应法如果电缆发生了低阻故障，例如故障电阻小于10 ，就很难利用声测法检测到故障点放电的声音或者根本没有放电声音 6，因此低阻故障不能使用声测法进行故障定位。这时可以使用音频电流感应法通过检测地面上磁场的变化来确定故障点的位置。其基本原理是用115 kHz 7的音频信号发生器向被测电缆中通入音频信号电流，由于电磁耦合的作用，在大地中会产生感应电流，从而形成地面磁场， 然后在地面上用探头沿着电缆敷设路径接收音频信号， 并将接收到的音频信号送入接收机进行放大并送入耳机。根据耳机中响声的变化可探测
12、故障点的位置， 在故障点的上方音频信号最强，当探头继续前移时，音频信号逐渐降低，则音频信号最强处即为故障点。音频感应法一般用于探测故障电阻小于10 的低阻故障。用音频感应法对两相（三相）短路或两相（三相）短路并接地故障进行测量都能获得满意的效果，一般测得的故障点位置绝对误差为1-2m。 （电力电缆故障现场测距方法的研究与应用）2.1.6 跨步电压法跨步电压法，就是应用“电位差”原理，对直埋电缆外护套故障及低电压电缆故障进行精确定位。2.1.7 声磁同步法声磁同步法需要测试仪与高压信号发生器相配合，适用于探测电力电缆的高阻和闪络性故障，并可在定点的同时探测电缆的路径。在向电缆施加冲击高压信号使故
13、障点放电时，会在电缆的外皮与大地形成的回路中感应出环流来，这一环流在电缆周围产生脉冲磁场。由于一般环境的电磁干扰与电缆故障放电的脉冲磁场相比弱得多，仪器能够可靠地检测出磁场信号。如在听到声音信号的同时，接收到脉冲磁场信号，即可判断声音是由故障点放电产生的 8。实际测试时，通过对脉冲磁场波形识别，通过对声磁延时时间值的检测判定来排除环境噪声和磁场干扰，由此反复探测直至找到故障点。2.1.8 基于高速光电传感技术的电缆故障测距2.1.9 基于 GPS 的电缆双端测距2.1.10 基于小波分析的故障定位2.1.11 实时专家系统专家系统( expert system, ES)是一个具有大量的专门知识
14、与经验,通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题,达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。文献 28 - 29 中采用建立专家系统的方法,利用TC进行故障定位。算例表明,专家系统能够提高判断的准确性和快速性。文献 30 中介绍了一种建立在地理信息系统( geographic informationsystems, GIS)基础上的配电网故障定位ES,它充分利用配电网GIS的地理信息设备管理、网络拓扑结构,然后结合ES的规则库进行动态搜索、回溯推理,最终确定故障区段。但ES的专家知识库都是针对特定的一个配电网建立的,维护工作繁琐,往往知识库的维护不到位会使得ES不
15、能及时适应网络结构变化。（配电网故障区段定位）2.1.12 基于贝叶斯频谱估计的故障定位2.1.13 基于 Hilbert-Huang 变换的故障定位2.1.14 电力电缆的在线监测三次脉冲法：三次脉冲法是在二次脉冲法和多次脉冲法的基础上经过进一步改进发展而来的，其参考波形是用一个独立于脉冲反射仪之外的专门的脉冲发生器产生1 000 V 或200 V 的测试脉冲，在不击穿被测电缆故障（静态）的情况下得到的，1 000 V或200 V 的脉冲幅值可有效地减小干扰。紧接着高压脉（16/32 kV）击穿电缆故障产生燃弧，在燃弧电压降低到4 kV 时，自动触发中压脉冲来稳定和延长燃弧至50 ms，系统捕捉到燃弧峰值电流后，自动触发1 000 V 或200 V 的低压脉冲， 从而得到准确的故障波形。两条波形自动叠加后的波形的不同点就是故障点。三次脉冲法是目前世界上最先进的电缆高阻故障预定位技术。直流三次脉冲法：直流三次脉冲法结合了三次脉冲法图形清晰、定位准确的优点，以及燃弧电压高、定位有效性高的优点，成为电缆故障定位的又一利器。直流三次脉冲法的燃弧电压高达80 kV，这也是世界上基于脉冲反射原理的预定位方法中测试电压等级最高的， 因而对阻值极高以至于其他定位方法无法击穿的故障尤为适用。
