郑思源 彭良钦
（国网温州供电公司）
0 引言
现阶段我国配电系统主要采用中性点非有效接地系统，由于该系统的自身特性导致当配电网馈线出现故障时很难对故障进行准确定位。配电网馈线故障定位系统的研究一直困扰着相关研究人员。
1 常用配电网馈线故障定位方法分析
根据故障定位的处理方式，故障定位可分为在线和离线两种定位方式。在线故障定位是在系统线路发生故障时，系统可以持续供电，通过监测和处理故障前后的信息来实现定位；离线故障定位则是可以在断电情况下进行。与离线相比，在线方法难度更高，但是实际生活中一般要求在线定位。
很多学者对电网故障定位问题做了大量研究，方法一般可以概括为三类：一类是通过在线路端点处测量电路参数的故障测距法；二类是在故障发生后由信号源向系统注入特殊的信号来寻找故障点的信号注入法；三类是利用户外故障探测器的户外故障点探测法。三种定位方法各有优劣。
1.1 故障测距
故障测距包括阻抗法和行波法。阻抗法具有操作简单、耗费资源少的优点，但是受接地电阻的影响较大，测量故障点的精度不高；随着小波理论的成熟，行波法发展非常迅速，测量距离精度大大提高，而且其不受线路过渡阻抗和供电系统运行方式影响，但是行波法需要在故障线路两端装设监测装置，在输电线路故障测距时比较实用。对于网络复杂、馈线较多的配电网故障定位而言，行波法故障定位需要装设大量的监测设备，投资较大。
现在高压输电线路大多采用阻抗法进行故障测距，而对于多分支的低压配电系统，用故障测距法测出故障距离，但由于配电网结构复杂而使定位精度不高。
1.2 户外故障点探测
这种方法主要是根据接地点前后高次谐波零序电流所产生的磁场大小来确定故障点，但零序电流与电网的分布电容大小及接地方式有关，所以这种方式探测精度不高。常用的是线路FTU法和安装线路故障指示器的方法，将故障指示器或者FTU的信息进行统一的分析处理，基于配电网拓扑结构和故障算法确定故障发生的区段。
对于故障点探测方法而言，准确、快速获得线路故障信息，是故障点探测法成功的关键。要想提高故障点定位精度采用先进的故障定位软件尤为重要，近年来，优化矩阵算法、遗传算法、神经网络等复杂的故障定位算法都应用到了故障定位领域。与矩阵算法相比，遗传算法、神经网络等具有更深的理论基础和容错能力，但要想在实际中应用难度较高，所以现在应用最多的还是优化矩阵的方法。
1.3 信号注入法
（1）S信号注入法
S信号注入法的主要思想是，系统发生故障时由信号源向系统注入一个特殊的电流信号，通过对这个电流信号的路径跟踪和波形特征来实现故障测距与定位。S信号注入法适合线路上只安装两相电流互感器的供电系统，对于接地电阻较大的配电网，注入信号会被分布电容进行分流，给故障定位造成干扰，而且S信号注入法故障定位花费时间较长，应用性低。
（2）加信传递函数法
该方法是在线路首端施加一个信号，并在首端测量电流和电压，算出线路的加信传递函数，利用波形上峰值点之间的距离与实际线路故障距离有着近似反比关系来确定故障点。
由于加信传递函数法是通过监测注入信号的电压和电流，对于接地电阻较大的线路，分布电容会对注入信号进行分流，从而给故障定位带来干扰；如果在接地点存在间歇性电弧现象，注入信号可能会破坏线路中原有故障信号的特征，给监测带来困难。
2 基于交直流信号注入法并结合阻抗法进行选线及定位
通过上面分析可知现有的故障定位方法均存在各种不同的缺点，因此本文提出基于交直流信号注入法并结合阻抗法进行选线对馈线的故障进行定位。
2.1 交直流信号注入法确定故障支路
针对不同的情况合理地选择交流注入法或者直流注入法，对提高效率和精度很有帮助。交流信号注入法是一种解决低压树状配电网故障定位问题的有效方法，定位准确，通用性好，接线简单，但需要巡线，定位时间较长。直流信号注入法不受接地电阻大小的影响、不受线路长度的影响，不受线路长短分支的影响，几乎可以解决一切单相接地故障问题，但检测略显繁琐，需登杆测量。但如果只用这两种方法定位故障支路，那么定位将更简单、快速。
2.2 阻抗法对故障支路准确定位
当利用交直流信号注入法进行选相和选线完成后，将故障范围缩小到了某一分支线路，传统方法是由维修人员在故障分支上查找故障点，在线路各点测量注入信号，当出现某一点前后检测信号突变时，该点就为故障点。但是当故障支路很长时，人工查找的方法很缓慢，在排查的过程中单相故障可能会扩大为两相或相间短路，所以可以运用阻抗判断出故障点的精确位置，然后再由维修人员去故障点排查故障。
由以上的交直流注入法可以准确地定位到故障支路区段，之后采用双端注入直流信号的方法来判断出故障点的位置。如在图 1a中确定短路发生在 BC支路上，为了精确定位，把 C点的故障相也断开，这样故障相线路就完全脱离了系统网络，等效电路如图1b所示。
图1 直流双端注入法原理图
确定故障点的位置实质就是计算出从注入点到接地点的线路长度，由于接地的过渡电阻不确定，所以只从一端注入信号并测量电压电流不能确定两个未知量，而采用双端注入法的实质就是增加了一组方程，所以能解出各未知量的大小。双端注入法计算公式如下：
式中，UA、1I为A点注入直流电压和电流；UC、2I为C点注入直流电压和电流。
在实际工程测量中，A点为变电站，很容易装备注入和监测设备，C点为用户端的变压器，要由维修人员去人工注入和测量。式中RAB和RBC是已知的，可以由线路的长度和参数求得。于是可以求出式中的未知量RBf、RCf、Rg，再由线路的参数算出故障点的位置。
2.3 交直流注入法和阻抗法结合原理
假设单相短路故障出现在线路三的某一条支路上，选相装置判断出短路相后，断开变压器出线短路相的断路器，然后从母线向短路相注入直流电流信号。在线路的各分支处，装设直流信号感应装置，此装备不必精确测量直流电流信号大小，只是将三相线路中的直流信号相加，然后和设定的阈值比较，当三相直流电流信号之和大于阈值时发出信号给调度室。例如图 1，当注入信号为 100mA时，设定阈值为80mA。1号、2号、3号线路表是变电站连接母线上的出线，其他支路表示3号出线上的子网支路，此时发出信号的装置有：3号支路，AB支路，BC支路，CD支路。由收集到的信号调度很容易判断出故障点在C和D点之间。
然后，根据双端注入理论在支路的两端再次注入信号，同时测量断点注入信号电流电压大小便可确定故障点，可选择在DI支路的变压器的高压侧向故障相注入信号并测量信号的电压电流大小，最后将数据传送给调度，利用式（1）～式（3）计算出故障点位置。
改进直流注入法采用各个分支线路都装设直流信号感应装置，不需测量各分支线路上信号精确值，不需维修人员到各分支点去监测信号电流大小，只需到线路端点注入和监测信号，大大节省了排查故障线路的时间，而且在定位方面理论上不存在误差，只有测量误差，大大提高了故障定位的精确度。
当配电网发生单相接地故障后，首先由三倍零序电流判断出发生了单相接地故障，并启动选相装置开始选相，将故障相退出运行后再启动选线装置开始选线，由线路上的感应器反馈信号确定了故障线路后，最后进行精确定位，此方法可由人工操作也可以在线路的每个端点出都装设注入和监测设备，综合所测数据判断出故障点具体位置，由维修人员到达故障点排查故障。其流程如图2所示。
图2 直流注入法单相接地故障诊断流程图
3 结束语
本文对几种常用的配电网馈线故障定位方法进行了研究，分析了每种方法优缺点，并且在此基础上提出了基于交直流信号注入法并结合阻抗法，对基于交直流信号注入法并结合阻抗法原理进行了详细的研究并得出了基于交直流信号注入法并结合阻抗法诊断流程图，该方法能够精确地对故障进行定位。
[1] 齐郑. 小电流接地系统单相接地故障选线及定位技术的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2005.
[2] 郑罡. 基于注入法的小电流接地系统单相接地故障定位[D]. 山东: 山东大学, 2007.
[3] 郭浩. 基于信号注入的配电网单相接地故障定位研究[D]. 河南: 河南理工大学, 2010.
