电缆故障在线监测系统

电缆故障在线监测系统系统组成

1）主站：1台服务器（计算机）+1台通讯交换机（短信猫）+1套主站软件

监测点：由检测终端（4个数字故障指示器=1个零序接地指示器+3个短路指示器）+通讯主机（一台数据采集器 ）组成;一台通讯主机*多可带7套检测终端

指示器：Digital Fault Current Indicator 数字化的故障指示器

DCU：Data Collect or Control Unit 数据采集器（内置低功耗GPRS DTU），可选电动开关储能和开关遥控功能

GPRS DTU：GPRS Data Transmission Unit，即GPRS数据传输单元------可选配置。

EFU：Earth Fault Line Select Unit 接地选线装置。为了提高单相接地检测的准确度，系统可接入变电站接地选线装置或台变PT监测仪的数据。------可选配置。

电缆故障在线监测系统工作原理

数字故障指示器指示器主要安装环网柜电缆进出线上，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台或2台通讯主机（采集器）。指示器和通讯主机（采集器）都带有四字节全球唯壹通信地址，用于通讯主机（采集器）对指示器的识别；通讯主机（采集器）还带有一字节101协议通信地址，用于通讯主机（采集器）与主站之间的地址识别。通讯主机（采集器）U与指示器采用短距离无线调频组网通信，与主站之间采用GPRS公网通信，可选静态IP、动态域名和APN专线，推荐使用APN通道，确保数据和控制可靠。

当线路正常运行时，通讯主机（采集器）定期轮询每只指示器或由指示器主动上报，指示器按预设的通讯策略进行应答或上报，将实时数据发送到通讯主机（采集器）。通讯策略的含义是：指示器采用极低功耗设计，设计寿命为8年以上，但无线通讯能量较大，不能完全依靠内部锂电池供电，大部分能量要从高压导线感应取电。当负荷电流大于20A时可以完全取到通讯能量，在通讯时可以做到“有问必答”或者定时主动发送；当负荷电流小于20A时，只能取到有限的电能，在通讯时会出现“两问一答”或者定时主动发送的情况，其它时间指示器内部无线通讯模块都在休眠以减少电池损耗。值得一提的是，由于无线通讯划分为64个独立信道，无需对多只指示器进行编码和延时错开时间发送，对于多只指示器同时发送时也不会存在互相干扰而导致通讯不上的情况。

当线路出现短路故障时，指示器可以检测到短路故障电流，如果符合特定的短路故障判据，则本地翻牌显示，并按照预设的时间参数自动复归，也可以通过主站遥控复归。同时，在通讯主机（采集器）轮询到自己时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将动作信号、短路故障电流等数据发送到通讯主机（采集器），通讯主机（采集器）再通过GPRS方式将故障动作信息和故障数据打包发到用户手机或主站系统。

由于指示器的本地无线和通讯主机（采集器）的GPRS网络“一直在线”，并具有双向、随机发起主动通讯的能力，所以主站在召唤通讯主机（采集器）的数据的同时，还可以对通讯主机（采集器）和指示器下发参数和遥控命令，例如在线修改通讯主机（采集器）和指示器的参数，遥控DCU连接的开关合闸、分闸，遥控通讯主机（采集器）管辖的指示器闪灯、复归等。

a) 短路故障检测原理

对于短路故障，指示器提供两种可选择的故障判据：一种是电流突变法，一种是过流速断定值法。

目前市面上绝大多数模拟电路的故障指示器主要是采用电流突变法，做得好的厂家的短路判据为：

1. 线路“充电”时间：≥5S

2. 电流突变

当负荷电流IL小于等于200A时，ΔI≥100A；

或，当负荷电流IL大于200A时，ΔI≥1/2*IL。

3. 线路“停电”时间：≤5S 

该方法的优点是自动跟踪负荷电流大小，不用整定参数。其缺点一是在两相接地、过流或过负荷短路情况下，短路电流是逐渐增大的，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点二是在很多农网线路，线路长，短路电流小，指示器因无法检测到电流突变而导致拒动；其缺点三是在有些短路情况下，非故障出线、非故障分支、故障点后面的线路如果带有大型容性负载（例如高压电容器）和感性负载（如大型电动机、水泵等），则会向故障点反馈送电，导致非故障线路误动。

由于指示器的故障检测参数可以通过本地无线或者主站在线修改，因此在管理比较规范的电力公司，我们推荐过流速断法。该方法与变电站微机保护装置的故障检测原理一致，不论是两相接地短路（电流缓慢增大），还是农网过流故障（速断、过流定值整定很小），只要变电站出口跳闸，指示器也能检测到并给出故障指示，是目前可靠性和准确性*高的判据。为了防止重合闸期间，非故障线路（分支）因重合闸涌流导致误动，指示器增加了“充电判据”，只有带电稳定运行30秒以后才开始检测故障；为了防止合闸涌流，指示器采取了“停电判据”，只有检测到线路停电（无流无压）以后才会给出短路故障动作。

电缆接地故障检测原理

对于三相电缆线路、变电站出线电缆、架空转地埋电缆、地埋转架空线路，还可以通过监测稳态零序电流大小来检测单相接地故障，同时可以通过“捕捉”暂态零序突变电流的大小来辅助判断单相接地故障。三相电缆接地故障判据为：

（1） 零序电流速断或过流启动（两段式）：0～100A/0～9.99S（在线可设）；出厂默认参数为速断10A/500ms、过流5A/1S。
（2） 暂态零序电流增量启动：0～700A/0.01～3ms（在线可设），本地不指示，只上报接地故障电流。出厂默认参数为零序暂态电流增量为40A。

电流测量原理

指示器利用了CT（电流互感器）的原理来测量线路电流。当数字故障指示器挂在导线上时，一次电流会流经数字故障指示器的电流传感器，电流传感器产生CT二次信号，这个信号经过信号检测电路滤波、放大和采保，然后由低功耗单片机做A/D采样，*后计算出负荷电流、短路电流、首半波尖峰电流和接地动作电流值、稳态零序电流、暂态零序电流。电流传感器主要包括：电流线圈、导磁棒、立柱、动板。电流线圈、导磁棒和立柱下半部分都安装在指示器壳体内部，已灌胶封死，立柱上半部分和动板裸露在外面，便于安装和拆卸。整个电流传感器就相当于开口CT（开启式电流互感器）。

自取电原理

电流互感器除了用于电流测量，还可用于在线取电。在电流线圈基础上再加取电线圈，就可以获得一定的取电电流。取电电流经过特殊的取电电路和MCU控制电路就可以为数字故障指示器提供整机工作电源和无线通讯电源。数字故障指示器的自取电功能可以减少电池损耗，提高产品使用寿命。一般来说，负荷电流越大，取电电流越大，产品使用寿命越长。

要装置介绍

a) 主站

主站硬件主要由1台NT工作站或1台NT服务器+1台NT工作站组成。主站软件主要包括SCADA/FA、WEB发布、GIS系统接口等。

1） SCADA/FA功能

数据采集u

数据处理（包括计算量的处理）u

控制和调节u

事件顺序记录（SOE）u

报警处理u

系统时钟和时钟同步u

通道监视与统计u

网络拓扑和动态着色u

历史数据和报表系统u

权限管理u

故障信息实时检测和故障定位u

故障指示器的动作信号纠错和补漏u

无人值班短信通知u

2） WEB发布

运行状况浏览u

故障通知和故障信息浏览u

运行数据和故障信息的历史查询u

3） GIS系统接口

向GIS转发“二遥”实时数据u

接收并执行GIS下发的遥控、遥调命令u

数据采集器DCU

1） 功能特点

电缆故障在线监测系统体积小，重量轻u

 带电装卸u

开口CT取电（电缆），后备大容量锂电池u

在线设置参数u

遥控翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭、两路开关合/分闸遥控、开关位置/储能状态信息采集u

 防死机和少维护设计u

 对主站u采用GPRS通讯方式和标准101通讯协议

对指示器采用本地无线调频组网通讯方式u

2） 技术参数

电源：18V/20～60W太阳能电池板组件，或18V/20～80VA开口CT取电u

电池：10～40Ah/3.6V可充电锂电池，或6～18Ah/12～24V铅酸蓄电池u

 整机平均功耗： ＜50mA/3.6Vu

短距离调频发送功率：＜20Ma/3.6V（持续向指示器发送巡检命令时）u

 GPRS发送功耗： ＜150mA/3.6V（持续向主站发送实时数据时）u

遥测：电流精度为±1%（200A额定电流时）或者±1A（电流小于20A时）；电压线性度优于±5%；测温精度为±2℃（-55～150℃）。u

遥控：4路16A/30Vdc继电器空接点输出，AC2kV光电隔离，带DC24V可控遥控电源和开关操作电源（100000Uf/35V开关驱动电容）u

 遥信：6路1～15mA/30Vdc开关位置辅助接点输入，AC2kV光电隔离，带DC24V可控遥信电源u

 遥调：可在线设置1～30只数字化故障和数据采集器本身的参数u

 u 通讯频率（短距离无线）：420～440MHz（64个独立调频信道，自动跳频），40kbps（双向），30～300米可调（灌胶以后、双向通讯），具体参见BD-RF产品说明。

建议带数字故障指示器数量：3～30只（架空）、4～64只（电缆）u

 设计寿命：10年以上（可充电铅酸蓄电池和锂电池的寿命分别为3年、5年）u

 环境温度：-25℃～70℃u

 环境湿度：5～95%u

 防护等级：IP55u

 EMC等级：±8kV静电放电、四级雷击浪涌冲击u

b) 数字故障指示器指示器

1） 功能特点

微功耗和免维护设计u

从高压导线小负荷电流开始取电u

检测相间短路u

检测小电阻、中电阻接地故障u

检测小电流接地系统单相接地故障u

检测断相、停电、三相不平衡u

监测线路负荷电流、短路动作电流u

监测线路接地电流、接地动作电流u

监测线路对地电压u

监测导线温度（可选）u

带电装卸u

本地闪灯显示u

定时/遥控复归u

本地无线组网通讯，动作信号和故障电流主动上报u

本地和远程在线调整参数u

防死机和免维护设计u

2） 技术参数

电源：4.8Ah/3.6V一次性锂电池u

取电功率：50uA-100mA/3.6V(一次负荷电流3A-600A)u

静态平均功耗：25uA（指示器，例如BD2-A），12uA（BD-RF模块）u

通讯平均功耗：50uA（每分钟发送一次数据时）u

电流精度：±1%（200A额定电流或零序电流大于5A时）或者±1A（负荷电流小于20A或零序电流小于5A时）u

温度精度：±2℃u

电压线性度：优于±5%u

通讯频率（RF）：420～440MHz（64个独立信道自动跳频） ，具体参见BD-RF产品说明u

通信距离（RF）：30～300m（灌胶以后、双向通讯），具体参见BD-RF产品说明u

电压等级：任意（出厂前确定），出厂默认为10～35kVu

负荷电流：0～600Au

零序电流：0～100Au

温度范围：-55～150℃u

导线直径：8～40mmu

三相电缆直径：80～120mmu

短时耐受电流：40kA/4Su

故障复位时间：24h(1～48h可在线设置)u

可动作次数：不小于3000次u

环境温度：-35℃～85℃u

环境湿度：5～95%u

防护等级：IP65u

EMC等级：±8kV静电放电；±4kV浪涌冲击u