摘 要：本文针对以电缆为主的10 kV配电网络，研究了现有电缆型故障指示器存在的问题，提出了采用电压、电流复合判据，重新设计电流电压采样元器件，增加抗干扰措施，改进后备电源设计，研制一种带通信功能的新型电缆型故障指示器，准确判断故障区段，提高故障查找效率。
关键词：传感器;复合判据;故障指示器;抗干扰
1 故障指示器概述
为方便迅速地查找故障区段，恢复非故障区段的供电，现有的中压开关柜均安装有故障指示器，其中部分还配有通信终端将动作信息上传至配网后台主站，构成故障自动定位系统。
故障指示器作为配网自动化的重要终端设备，以其体积小、价格低、安装方便、无需整定、维护量小等特点在当前配电网中被广泛应用。
2 现有电缆型故障指示器存在问题
但现有的故障指示器在现场实际运行的情况并不理想，故障区段判断准确率低，设备缺陷率高，运行维护工作量大，主要存在如下问题。
（1）现有电缆型故障指示器的故障电流采集、故障判别均在传感器上，而这些采集与供电回路没有采取任何隔离措施，造成故障指示器的抗干扰性能差，正确动作率为50%～60%，偏低，经常发生误动或者拒动的现象。
（2）故障指示器是指示故障区间的一种智能设备，用于指示安装点后段线路发生故障。因故障指示器是在线路停电后才发出指示信号，对发信号速度要求不高，只用区分出正常停电还是故障停电即可。为保证故障指示器使用的方便性，故障指示器均不用设定故障电流值，安装后即可投入使用，其判據如下。
①线路有电流，正常运行。因常规故障指示器电流传感器精度较差，小电流测量不到，一般将线路有电流值设定为10 A左右。
②线路发生故障，电流出现突变。一般将突变电流值设定为150 A左右。
③线路停电，电流为0。一般设定为线路电流小于10 A即认为停电。
现有电缆型故障指示器因只采集电流而没有采集电压，线路是否带电依靠电流的大小来判别，造成判据失效。比如在线路负荷电流过小时发生故障，或者开关合闸到故障线路上时，故障指示器均不会动作。
（3）现有电缆型故障指示器的传感器及显示面板均采用电池供电，当电池的电量耗光时故障指示器将无法工作，且传感器上的电池根本无法更换。
（4）故障指示器动作后只是面板上的LED显示灯发光，没有任何动作的详细信息或者记录，更谈不上故障录波，造成故障分析非常困难，运行人员往往无法分辨出是该故障指示器是正确动作还是误动。
（5）现场安装的大量故障指示器几乎处于无法也无人维护的状态，故障指示器运行情况无从知晓，这样更加剧了故障指示器误动及拒动的概率。即使部分带通信终端的故障指示器有人维护，也需要花费大量的人力、物力及财力，大大增加了供电企业的运行维护成本。
3 新型电缆型故障指示器的结构
新型电缆故障指示器控制面板（见图1）采用32位工业级单片机，该CPU运行速度快、数据处理能力强，资源非常丰富。采用单片机解决方案，与外部设备的接口采用互感器、光电耦合器、高频变压器等多种隔离措施与保护措施，使装置元器件更优化，抗干扰能力强，运行稳定可靠。装置全部采用高速、高精度12位AD转换器，单次采样与转换时间只有1 μs。配合25×10-6低温漂、高精度的专用基准电压源芯片，每周波64点的高速采样，使全量程、全工作温度范围内测量通道精度小于0.5%，保护通道的精度小于2%。装置全部采用高性能、高可靠性的开关电源，电源输入端采用多重抗干扰滤波措施及防雷击保护回路，各种滤波电容均采用长寿命、耐高温、高频低阻电解电容，高频变压器采用双层屏蔽措施，确保装置能长期稳定可靠工作。该故障指示器具有电流电压采集回路，可采集线路三相电流、零序电流、线路电压及带电显示器的开关量输出。采用电流电压复合判据，外部接口全部采用高频变压器、互感器或者光电耦合器进行隔离。设备抗干扰性能强，运行稳定可靠。所有保护装置均具有故障记录功能，且故障发生时间、故障电流大小、故障波形，均能通过通信直接上送至通信终端，使故障分析与判断变得简单、直观、方便。装置具有带高速光电隔离与接口保护的RS485通信接口，可联网将各种信息上传至通信终端。
4 电流互感器的设计
传统故障指示器电流传感器虽然也是采用硅钢片及漆包线制成，但因硅钢片太小、漆包线太少且设计不合理，造成电流传感器测量精度低（精度超过10%）、测量范围小（600 A左右就饱和），从而造成故障指示器故障判别不准确，误报漏报事件时有发生，失去了其原本的意义，传统保护用电流互感器对于故障判别能满足要求，但体积大、成本高，而且因二次额定电流为5 A，对二次线径及容量的要求也较高。重新设计故障指示器用电流传感器，采用常规电流互感器的设计思路，结合配网故障的特点及故障指示器的功能，互感器的设计参数如下：变比为600/1，600 A以下精度不小于3%，600 A以上精度为10P10，容量为1.5 VA。
采用这种新型电流传感器因二次额定电流变小，可使二次线径变小。同时可兼容测量电流传感器和保护电流传感器的特性，既可保证保护电流的范围，又可兼顾测量电流的精度;另外电流传感器采用开启式，也方便安装。
电流传感器采用常规电流互感器的设计方法，采用以下参数。
5 故障指示器通信终端的设计
故障指示器通信终端需要及时将故障指示信号及负荷电流送至配网调度，其功耗一般较大，无法采用后备电源长时间供电。故通信终端除了具备后备电源外，还需要有外部供电回路提供能量。常规通信终端要么由外部市电或者PT供电，要么由电流互感器供电。而对于实际安装现场，特别是户外环网柜，无法取到市电，也没有安装PT，而部分环网柜的负荷电流也较小，无法采用电流互感器供电。常规故障指示器通信终端均外置后备电源，造成现场安装不方便，且运行环境较恶劣。而后备电源均有电压，现场安装时也有短路的风险。
新型电缆故障指示器通信终端（见图2）除了可以采用外部市电、PT或者电流互感器供电以外，还可以采用带电传感器供电。带电传感器体积小、现场更换方便，且所有环网柜均具有带电传感器。本通信终端还内置有后备电源，该后备电源不仅可以给本终端供电，还可以向故障指示器控制面板供电。通信终端内置后备电源使现场安装方便、安全，后备电源的运行环境也大大改善。本通信终端采用32位CPU，通信处理能力强;具有双RS485通信接口及内置的4G无线通信模块，不仅可将线路电压电流及动作信息上传至配网调度系统，还可与其他智能设备（比如智能仪表、局放在线监测、温湿度控制器等）通信并上传收集的数据;通信终端采用带电传感器供电，从而扩宽了通信终端的供电途径，也就扩大了故障指示器的应用范围。通信终端内置后备电源使现场安装方便、安全，后备电源的运行环境也大大改善，且可向故障指示器控制面板供电。
6 采用电压电流复合判据的方法
新型电缆故障指示器采集中压线路三相电流、零序电流及线路电压，线路电压可以采用以下4种采集方法中的1种：（1）直接通过互感器采集线路电压模拟值，当线路电压大于额定电压的70%认为线路电压正常，否则认为线路停电。（2）采集线路带电显示器的开关量输出，如果有开关量输出，则认为线路电压正常，否则认为线路停电。（3）通过与通信终端通信得知线路是否有压。（4）通过采集故障指示器的工作电源电压的大小得知线路是否有压。
6.1 相间故障判据
（1）线路电压正常;（2）三相电流中任何一相电流突变150 A，或者三相电流中任何一相电流值超过600 A;（3）线路失压。
6.2 接地故障判据
（1）线路电压正常;（2）零序电流达到30 A;（3）线路失压。
故障判据增加电压判据，能有效提升故障判断的准确性，避免了由于线路负荷太小、电流互感器精度不足等原因导致的误判漏判。
7 结语
本文提出采用复合判据的新型电缆型故障指示器可实现故障的准确定位，帮助现场抢修人员迅速确定故障段，减少故障查找时间，缩短用户停电时间，提高供电可靠性。
新型电缆型故障指示器配置的通信管理机具有双RS485通信接口并内置4G无线通信模块，使终端通信能力更强，采用远程维护手段，可提高运行维护的效率、减轻运行维护人员的压力，保证设备发挥应有的功能。
[参考文献]
[1]汤志锐.基于故障指示器的配网故障检测方法及自动定位系统[J].动力与电气工程，2011（36）：87-88.
[2]冯晓明.基于非接触式电流互感器取电的故障指示器设计[J].电测与仪表，2014（12）：98-102.
[3]中国南方电网有限责任公司.中国南方电网有限责任公司就地型电缆线路故障指示器技术規范书[Z].中国南方电网有限责任公司，1995.
[4]广东电网有限责任公司.广东电网公司电缆型故障指示器技术规范[Z].广东电网有限责任公司，2012.