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听说,故障指示器是配电网的下一个风口?

2019-11-08 13:57

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线路故障指示器是应用在输配电线路、电力电缆及开关柜进出线上,用于指示故障电流流通的装置。一旦线路发生故障,巡线人员可借助指示器的报警显示,迅速确定故障点,排除故障。彻底改变过去盲目巡线,分段合闸送电查找故障的落后做法。

在能源格局不断变化的今天,停电仍会引起企业关键运营的中断,引起一系列的麻烦如生产流程,从而造成巨额损失。此外,某些老旧的电网设备仍在全世界运行,而在有些地区,用电风暴变得越来越常见。面对这些严峻挑战,电力公司可采取多种方法来应对未来服务中断的风险,包括实现配电网络的现代化、分布式配电网络、雇佣更多线路维修人员等。由于存在不同程度的成本、技术风险和社会效益问题,所有这些方法都很复杂,难以评估。

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电力公司最近关注的重点措施是安排、雇佣、培训更多线路维修人员来改善停电响应,为客户提供更好的服务。但在世界的许多地方,劳动力老龄化已是众所周知的难题,越来越难以找到技术熟练的劳动力来填补线路人员缺口。为应对停电时间延长、客户不满意以及可能的政府干预等问题,电力公司需要更好的解决方案。如果能够提高线路人员的工作效率,使他们缩短搜索断线的时间,而把更多时间分配给实际的维修工作和高优先级的维护任务,以上问题无疑将得到很大改善。

故障指示器简史

在电网节点捕获数据是关键

电力线路故障指示器起源于二十世纪八十年代的德国,发明它的目的是为了指示电力线路短路电流流过的途径,帮助人们查找到故障点。

过去几年,仅仅因为难以找到故障源,许多国家和地区发生了长时间停电事故。但是,电力公司应当如何改进配电网络架构以更好地响应停电事故呢?答案是利用更先进的线路传感器技术来降低系统成本,并将其部署到电力基础设施的更多节点中。这种技术集成度高,有助于提高测量精度,降低功耗,减少维护工作量。

进入二十世纪,人们开始关注短路指示器的信号远传问题。信号远传的实现,突破了架空线路和电缆设备的视线障碍,延长了人们的观察距离,并逐渐演变成为配电线路故障定位系统。

图1.被称为故障指示器的节点监控系统

我国从九十年代开始引进和学习国外短路指示器的研制技术,到了二十一世纪,国内主要厂商开始研究线路上的单相接地故障检测问题,并陆续推出了一些试用产品,例如接地故障指示器和短路接地二合一故障指示器。我国电力系统生搬硬套了前苏联的模式,110kV以下配电系统主要采用小电流接地系统,中性点不接地或者经消弧线圈接地。

新型线路传感器的最常见应用场景之一是被称为故障指示器的节点监控系统,当用电线路故障发生时,它会检测并发送警报,使得线路工作人员能够在最短时间内检修故障设备。图1所示为配电线路上使用的故障指示器。不同地区和不同供应商为该系统取的名称不尽相同,比如线路监视器、故障监视器、故障电路指示器等。本文使用故障指示器这一通用术语来指称该系统,并用线路传感器来指称用于检测电力线路物理状态的基础技术。

如今,随着芯片制造工艺和通讯技术的快速发展,全数字化的故障指示器已经出现。在这之前,故障指示器主要采用模拟器件和逻辑组合电路,也曾出现过所谓的智能型故障指示器,但这类指示器主要是把模拟电路换成单片机,信号采集、故障判据和通讯技术实际变化不大,表现为信号没有量化、参数不能调整。数字化的故障指示器除了实现故障检测、指示和信号远传等“遥信”功能以外,还可以实现“遥测”信号量化、“遥控”和“遥调”参数调整功能。对于全数字化的故障指示器,我们可以这样理解,传统的故障指示器好比传统的继电器保护,全数字化的故障指示器好比现在广泛使用的微机保护。

图2.检测电力线路物理状态的线路传感器

故障指示器简介

下一代线路传感器:采集电能、互联、减少维护工作量

在环网配电系统中,特别是大量使用环网负荷开关的系统中,如果下一级配电网络系统中发生了短路故障或接地故障,上一级的供电系统必须在规定的时间内进行分断,以防止发生重大事故。通过使用故障指示器,可以标出发生故障的部分。维修人员可以根据指示器的报警信号迅速找到发生故障的区段,分断开故障区段,从而及时恢复无故障区段的供电,可节约大量的工作时间,减少停电时间和停电范围。

在地下线缆型故障指示器应用中,故障指示器位于每条主电缆的电缆端接处。故障上游的指示器会跳闸,而故障下游的指示器会保持非跳闸位置。这样,服务团队无需经过耗时的故障隔离过程,便可轻松找出电缆或设备的故障部分。该地下线缆型故障指示器应用包括变压器、开关设备、机柜、接线盒、拼接等。

故障指示器由传感器和显示器两部分组成,传感器负责探测电缆通过的电流,显示器负责对传感器传送来的电流信息进行判断及做出故障指示动作。在线路上安装上故障指示器后,当系统发生故障时,由于从故障点到馈电点的线路都出现了故障电流,引致从故障点到馈电点之间线路上所有的故障指示器动作,指示灯就会闪亮。从馈电点开始,沿着故障指示灯闪亮的线路一直查找,最后一个闪亮点就是故障点。推广使用电缆故障指示器,有助于以较短的时间找到故障点,是提高配电网运行水平和事故处理效率的一条有效途径。

在架空型故障指示器应用中,故障指示器上显眼的显示屏可将线路工作人员指引到问题所在部分。该架空型故障指示器应用包括无保险丝抽头、带中线重合器的长馈线、分区开关设备、换接装置、馈线等。

故障指示器的工作原理

现有故障指示器面临两大挑战:1) 批量采购成本高昂;2) 需要经常维护才能正常工作。电力公司的预算和资源有限,面对高昂的累计采购成本和大量的经常性维护工作,往往无法在庞大的电力基础设施中部署更多故障指示器。

故障指示器依靠独特的传感器直接在线检测信号,利用故障电流产生的电磁场变化,产生脉冲信号激励电路工作,不影响电网的正常运行工作。正常情况下,故障指示器不动作,窗口为白色显示。当通过线路上的电流达到故障指示器设定的故障电流值时,如果过电流持续的时间不满足故障指示器设定的电流突变时间,则此电流可能是电机起动等因素引起的瞬间起动过电流,不是故障电流,因此故障指示器不动作。相反,则判断为故障电流,故障指示器翻红牌(或光闪)。故障指示器动作后再作一次判断,如果2s内线路电流恢复正常,说明线路开关重合闸成功,故障点被排除,恢复正常供电状态,故障指示器恢复正常状态。倘若2s内线路电流消失,说明故障已引发上级开关跳闸而导致线路失压,则确定为故障,故障指示器保持动作,直到达到设定的复归时间自动恢复正常状态。

通过更先进的电源管理改善故障指示器

故障指示器的分类

为了应对这些挑战,ADI公司针对故障指示器开发了一种新型线路传感器架构,它能高效采集电能,而且只需更少的维护(图3)。

市场上销售的故障指示器种类繁多,型号复杂,但大体可分为以下几种:

图3.采集电能的故障指示器设计

按使用功能分:①短路型;②接地型;③接地、短路二合一型。

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