故障指示器的调研

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一、 故障指示器在配电网故障检测中的实际应用

在输配电线路、电力电缆及开关柜、架空线等处，经常会出现接地、短路等故障，为了便于维修人员查找故障点，我们需要在线路中安装一种故障指示装置——故障指示器。

它的应用范围很广，在长线路的中段和分支入口处，可指示线路故障区段及故障分支。安装在变电站出口，可判明是站内或站外故障。安装在用户配变高压进线处，可判明故障是否由用户原因造成。安装在电缆与架空线连接处：可区分故障是否在电缆段。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。

在线路上装上故障指示器，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的线路上所有的故障指示器动作，窗口显示为红色(或光闪)。从馈电点开始，沿着故障指示器动作的线路一直查找，最后一个红色(或光闪)点就是故障点。

●主干线路故障F1：

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二、故障指示器简介

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。通过使用本产品，可以标出发生故障的部分。维修人员可以根据此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。

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。

三、故障指示器简史

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。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。

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。

直到二十一世纪，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。

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

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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。

四、故障指示器的工作原理

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。

五、故障指示器的分类

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：

(1)按使用功能分：①短路型；②接地型；③接地、短路二合一型。

(2)按信号源分：①有信号源线路故障检测系统；②无信号源线路故障指示器。

(3)按安装地点分：①架空线路型；②电缆线路型；③母线汇流排型；④面板型。

(4)按显示方式分：①翻牌显示型；②光电显示型。

(5)按线路供电方式分：①单电源型；②双电源型。

下面按照安装地点的分类方法，简单介绍三种不同的故障指示器。

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1.架空线路故障指示器

传感器和显示（指示）部分集成一个单元内，通过机械方式固定于架空线路（包括裸导线和绝缘导线）的某一相线路上的指示器。应具备通信功能，配置通信模块，将故障、线路电流、电池电量低等信息回传到与其连接的数据接收装置。应能带电装卸，装卸过程中不应误报警。

图4.1 架空线路故障指示器 2.电缆型接地故障指示器

传感器和显示（指示）部分集成于一个单元内，通过机械方式固定于某一相电缆线路（母排）上，通常安装在电缆分支箱﹑环网柜﹑开关柜等配电设备上的指示器。除上述要求以外，还需要配置零序接地故障指示器。

图4.2 电缆型故障指示器

3.面板型故障指示器

主要用于应用于电缆分支箱、环网柜等配套设备中。它是一种由传感器和显示单元组成，通常显示单元镶嵌于环网柜﹑开关柜的操作面板上的指示器。检测原理和电缆型短路、电缆型接地故障指示器原理基本相同，所不同之处是检测器检测到故障后通过光纤线传输到主机，通过主机发出告警信号。传感器和显示单元采用光纤或无线等方式通

信，一﹑二次之间应可靠绝缘。 图4.3 面板型故障指示器

六、判据

1、短路判据

(1)线路中电流突然升高：当线路发生短路时，导线中的电流会突然升高，它的大小与回路中的阻抗有关。故障指示器动作的突变电流，不同厂家有不同的规定，一般规定为：

I t≥100—160A

式中：I t——突变电流，A。

(2)线路中电流等于零：当线路发生短路时，变电站保护动作，开关跳闸，线路停电。此时，导线中的电流为零。

(3)突变电流时间：为了提高故障指示器动作的准确度，还需要与变电站保护动作相配合。突变电流的时间宽度，不同厂家的规定也略有不同，一般规定为：

10—60ms≤△T≤1.5—4s

式中：△T——突变电流时间(s)。

以上条件均满足时，故障指示器才判断为线路发生了短路故障。

2、接地判据

(1)电压从正常值突然下降：当线路发生单相接地时，故障相对地电压会突然降低。由于接地性质的不同，电压不一定都降到零。线路中负升高时，电压也会降低，这就容易引起两者混淆不清。为了避开因负荷升高而引起电压降低的“假接地”，而又不漏掉电压降低是因非金属性接地引起的“真接地”，在设计中考虑了一个两全其美的数值：即：

△u >20％

式中：△u——接地引起电压降低的百分数。

(2)接地电流：当线路发生单相接地时，故障点流过的接地电流。其大小等于电网正常运行时单相对地电容电流的3倍。接地电流的大小与路电压、频率、线路结构、

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线路总长等诸多因素有关。

(3)五次谐波电流突然增大：单相接地时产生电弧，并产生高次谐波，由于三次谐波含量较小，不宜采用(应将其滤掉)，故多采用五次谐波电流。一般规定：

△I5 >35mA

式中：I5——五次谐波电流(mA)。

(4)连续接地时间：为避开瞬间接地，故障指示器还考虑了连续接地时间。一般规定：

△t>0．5s

式中：△t——连续接地时间(s)。

(5)接地瞬间电容电流首半波与电压首半波相比较：当接地瞬间电容电流首半波与电压首半波相位相同时。则视为线路单相接地。以上5项据，各生产厂家不一定全部采用。但是，所选内容必须同时满足时，指示器才能判断为发生了接地故故障。

七、电气性能

1．架空线型的指示器

a) 短路故障报警：指示器应能根据线路负荷变化自动确定故障电流报警动作值，

且动作误差应不大于±20%；高低温运行环境下动作误差应不大于±25%。

b)可识别的短路故障报警电流最短持续时间应在20m s～40ms之间。

c)接地故障报警：有定量设置的特征值，其动作误差应不大于±20%；高低温运

行环境下动作误差应不大于±25%。

d)自动复位时间：规定（2~48）h,推荐值2h、4h、8h、16h、24h.。复位时间允许误差不大于±1%。

2．电缆型和面板型指示器

a) 短路故障报警：指示器应能根据线路负荷变化自动确定故障电流报警动作值，且动作误差应不大于±20%；高低温运行环境下动作误差应不大于±25%。

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b)可识别的短路故障报警电流最短持续时间应在20m s～40ms之间。

c)接地故障持续时间：由生产厂家提供，其允许误差值不大于±10%。

d)自动复位时间：规定（2～48）h,推荐值2h、4h、8h、16h、24h.。复位时间允许误差不大于±1%。

e)具有低电量报警功能的指示器，其报警电压允许误差不大于±2%。

八、数字故障指示器

1.特点：普通的故障指示器采用微分、积分模拟电路，对小电流、小电压信号不敏感。电流突变必须在100A以上。对小负荷电流没反应，不适合农网使用（例如，农网变电站出口速断、过流定值在100A以下时没反应）。

数字故障指示器是采用高起始导磁材料（特殊配比和炼钢）和信号采样技术，对小电流、小电压信号敏感。短路电流和接地电流突变大小可调，最小为10A。能

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9 1 结构 ● 独特设计，已申报外观专利

● “天下一大抄”结构 2

工艺 ● 线路板主要为表贴元件和机器焊接工

艺

● 机器自动灌胶

● 线路板主要为直插元件和

手工焊接工艺 ● 以手工灌胶为主 3

材料

● 填充物：采用电子灌封AB 胶，抗紫外

线，不变色。 ● 卡线结构：不生锈，导磁性能和电流测

量线性度好，可从小负荷电流开始测量，并从导线负荷电流磁场感应自取电。 ●

● 填充物：多采用环氧树脂，

不抗紫外线，会变色。 ● 卡线结构：线性度不好，

不能从小负荷电流开始测量和自取电。甚至没有闭合磁路，对电流信号反应迟钝，也不可能从导线取电。

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技术原理 ● 采用高起始导磁材料（特殊配比和炼

钢）和信号采样技术，对小电流、小电压信号敏感。 ● 采用微分、积分模拟电路，

对小电流、小电压信号不敏感。

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适用范围

● 短路电流和接地电流突变大小可调，最

小为10A 。

● 能监测小负荷电流和线路电压，同时适

合城网、农网使用。

● 电流突变必须在100A 以

上。

● 对小负荷电流没反应，不

适合农网使用（例如，农网变电站出口速断、过流定值在100A 以下时没反应）。

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短路故障准确性

● 可以在杆塔底下或远程主站灵活设置

短路故障检测参数，杜绝小电流突变和缓慢突变引起的拒动，可选自适应负荷电流的过流突变判据，但不如两段式电流保护【速断、过流判据】可靠。 ● 增加线路充电和停电判据，预防涌流误

动和重合闸期间非故障分支误动。 ● 使用自适应负荷电流判

据，不能杜绝重合闸非故障分支涌流和反馈送电引起的误动。

● 两相接地短路故障或者过

负荷故障容易拒动。 ● 不能在线调整参数

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接地故障准确性

● 可以在杆塔底下或远程灵活设置接地

故障检测参数（接地电流、电压下降比例和电压下降延时等），以防止误动 ● 增加线路充电、电压持续下降和不停电

条件，以防止误动

● 采集和计算线路杂散电容对地放电电

流大小，为定量分析

● 不能在线调整参数，只要

会误动（拒动）则永远误动（拒动）下去

● 判首半波或者5次谐波突

变和方向，为定性分析，信号不能量化，检测不可

靠，经常误动。

8 后备电池 ● 后备2节10寿命惰性锂亚电池，电池

容量大，在加上自取电功能，使用寿命●

一般后备1节锂电池，电

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2.数字故障指示器在配电网中的应用

现场故障定位点/监测点/监控点主要由数字故障指示器FCI 和数据采集器DCU 组成。FCI 集短路和接地故障的“遥信”及直接取代线路取样CT 实现无线“遥测”功能。蓝派克公司（LPK ）应用新技术制造了 FCI 自身及无线通讯模块的工作电源 ，从单根10KV 线路磁场感应取电，不停电方式安装并取代线路CT 测量电流和故障电流值是LPK 最大的特点。

数字故障指示器FCI 主要安装在变电站出线、开关负荷侧、架空分支线、电缆

和电流测量精度

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通信功能

● 指示器本地无线通讯有多个独立信道，可主动发送，也可被召测。 ●

指示器为四字节全球唯一地址，带工厂密码和CRC 检验，30~300米发射功率可调，-40~20db 接收功率可调，人工分频，64信道自动跳频，通讯可靠性高。

● 不带测量功能，翻牌后只发送动作报警信号（只发不收，未能解决通讯电源问题），存在无线同频干扰问题。

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遥测功能

●

负荷电流（分两档）：3～600A(600A 档),±2%精度或者±2A ；1～70A(60A 档),±1%精度或者±1A ；

● 零序电流:1～70A(60A 档),±1%精度或者±1A

● 电容放电电流或单相接地电流：3～600A(600A 档),±2%精度或者±2A ； ● 线路对低电压6kV 及以上，±3%精度或者±100V

●

导线或接头温度：-50~150℃，±2℃误差

无 12

遥信功能 ●

动作信号快速、同时发出，无线跳频通信，双向数据交换

●

动作信号延时、逐个发出，无线调频（定频点），不发不收，单向通信 13 遥控功能 ● 遥控指示器翻牌、复归 ● 无

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遥调功能 ● 遥调指示器参数，即在线设置指示器的

故障检测参数

● 无

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安装方式

简易托杯+国产绝缘操作杆，或者直接采用

美标令克棒

复杂托杯+国产绝缘操作杆

16 实现故障定位、在线

监测和配网自动化功能

有

只能实现动作信号远传（故障定位）功能

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进出线和主干线路分段处各装1组，以实现这些线路的在线监测（遥测）、故障检测与定位（遥信），同时在附近安装1台DCU 。FCI 和DCU 都带有四字节全球唯一通信地址，用于DCU 对FCI 的识别；DCU 还带有一字节101协议通信地址，用于DCU 与主站之间的地址识别。DCU 与FCI 采用短距离无线调频组网通信，DCU 与主站之间采用GPRS 公网通信。

系统图

九、带通信系统的故障指示器及故障自动定位系统

1.故障自动定位系统

故障自动定位系统是基于故障指示器技术、GSM 通信技术和GIS （地理信息系统）技术的一套自动高效的故障点检测及定位系统，主要用于配电系统各种故障点的自动检测和定位，包括相间短路和单相接地故障检测和定位。配电控制中心的故障定位软件系统与大量现场的故障检测和指示装置配合，在故障发生后的几分钟内即可在控制中心通过与地理信息系统的结合，

给出故障位置和故障时间的指示信息，

同时还可以通过GSM短消息的方式将故障指示器位置信息发送到相关人员手机上。有利于维修人员迅速赶到现场，排除故障，恢复正常供电，大大提高供电可靠性，同时也大大减少故障巡线人员的数量和寻线时间，大大提高工作效率。

故障自动定位系统包括：故障检测探头（带动作信号远传的故障指示器）、通信终端（子站）、中心站、主站和通信系统。

通讯系统分为：探头到子站之间的短距离通信系统、子站到中心站的GSM（手机短消息）通信系统和中心站到主站之间的串行（或网络）通信。其中探头到子站之间的短距离通信方式主要有无线（架空、电缆系统）、光纤（电缆系统）两种方式，解决了高压绝缘问题。

故障检测探头就是前面介绍的各种故障指示器它能检测架空裸线、电缆线路的短路故障和单相接地故障。按照使用场合不同，使用不同型号的指示器。

系统工作原理：故障探头FI安装在各线路分支处的分支线上，可以检测短路和接地故障。系统出现短路或接地故障时，FI检测到短路故障电流或待定的接地信号电流流过后，探头本地翻牌显示同时通过短距离通信系统，将动作信号传送给相隔2~10m的子站。本系统用于相间短路和单相接地故障时，仅故障检测部分不同，通讯系统、故障处理及显示部分均为公用。

对于架空系统，探头通过无线系统将检测结果发送给主站。子站安装在线路的分支处，可以接收6只FI（分别在两个分支的6相线路上）发送过来的动作信息。

对于电缆系统，除了短路故障指示器外（它只检测短路故障），还要安装检测接地信号电流的接地故障指示器，他们都通过塑料光纤与面板相连，面板型故障指示器可以给出就地的LED发光指示，还可以通过开关触点输出与子站连接。

子站在收到动作信息后，将动作分支的FI地址信息通过GSM通讯系统发给中心站。中心站得到该信息后进行处理，将处理结果送给监控主站进行显示。监控主站依据从中心站收到的这些动作信息，进行网络拓扑计算分析，与地理信息系统相结合，可以直接显示出故障点地理位置信息，并在地理背景上显示出来，还可以打印出地理位置信息，同时通过中心站向值班人员手机发送故障位置信息，可以通知运行维修人员直接到故障点排除故障。

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系统示意图：

图（一）、架空系统故障定位系统示意图。

FI：Fault Indicator 带通信的故障指示器（探头）

ST：Sub-transmitter 子站

CS：Center Satation 中心站

图

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图（二）：电缆系统环网柜内故障定位系统接线示意图。

2.系统部件

（1）探头带无线通信功能的故障指示器，在线路发生故障时，故障分支上的故障探头在故障后将被触发，给出红色翻牌显示，同时将数字编码信号通过短距离无线发射单元，以无线电波的方式发射出来，发送给架空子站。

（2）子站是FIS配电网故障检测和定位系统的通讯转发装置。安装于架空线路杆塔上，功能是将故障指示探头发送过来的无线接收信息接收后进行解调、解码及重新编码，通过GSM将信息发送给中心站。

（3）中心站实现通信管理和数据采集的功能，向下与各个子站通信，负责收集现场探头的故障信息，向上与主站通信，传送所收集的数据。具备基本的通信连接、协议转换、信息收集、缓存、处理的功能。同时可以与第三方自动化系统连接，向第三方系统输出故障定位信息。

（4）后台技术要求：

①丰富的图形编辑工具，人机界面有好。

②故障指示器的动作信息和网络拓扑数据的实时收集。

③故障通路和故障点的查找。

④纠错和补漏。

⑤用GIS支撑平台实现多种人机操作功能。

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