高壓輸電線路故障定位方法研究

王飛

摘要：高壓輸電線路，是我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，承載著輸送電能的重要任務，由于高壓輸電線路的分布范圍非常廣，非常容易發(fā)生故障。如何準確、快速的定位故障線路位置，是電網(wǎng)維護領(lǐng)域的基本任務，也是故障工作排除的重要組成部分。對現(xiàn)有的高壓輸電線路故障定位技術(shù)進行了研究，分析介紹了目前應用最為廣泛的高壓輸電線路故障定位方法，并分析了目前方法存在的問題以及對未來高壓輸電線路故障定位技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路;故障定位;線路故障

1 高壓輸電線路的故障類型

其一，永久性故障此類故障是指一個或者多個導體對地以及導體之間的短路故障。這種故障多產(chǎn)生于外力，如風暴、施工、地震等，對輸電線路造成嚴重的機械性損害。發(fā)生此類故障時，不可能成功地進行重合閘。其二，瞬時性故障這類故障多屬于因雷電等過電壓而引起的閃絡，也可能因樹枝或鳥類造成短時間導體對地或?qū)w之間的接觸。發(fā)生此類故障時，不會造成致命性的絕緣傷害，可以成功地進行重合閘。其三，絕緣擊穿此類故障多因輸電線老化、冰雪，使之瞬時性過電壓閃絡破壞、污穢等原因而造成線路的某一點絕緣性能下降。在低電壓情況下不會產(chǎn)生故障狀態(tài)，在正常運行的電壓情況下，會導致絕緣擊穿，造成短路，并且重合閘不成功，故障切除后沒有明顯被破壞的跡象。其四，隱性故障該類故障是在發(fā)展到瞬時性閃絡或是輸電線擊穿導致永久性故障之前，一般不可測。它不妨礙電力系統(tǒng)的正常運行，但會縮小輸電線路絕緣因承受電壓沖擊所設計的余量。此類故障即指一般的絕緣性老化，在正常的電壓情況下不擊穿。

2 常見的故障定位方法

2.1 阻抗法

該方法基于假設的條件為：三相完全對稱;工頻基波量;不考慮過渡電阻、傳感器特性、故障暫態(tài)諧波、系統(tǒng)參數(shù)及線路參數(shù)等因素的影響。因此，該方法存在兩個主要問題：一是測量精度較低。它受線路結(jié)構(gòu)不對稱、電流互感器誤差、故障點過渡電阻、故障類型和對端負荷阻抗等因素的影響較大，適應能力較弱;二是它不適用于帶串補電容線路、直流輸電線路、某些同桿雙回線路以及 T 接線路的故障定位，在處理閃絡故障和高阻接地故障時精度不高，只適合結(jié)構(gòu)較簡單的線路。

2.2 行波法

電力系統(tǒng)中的高壓輸電線路一般看作為均勻分布參數(shù)的電路，由于存在分布電容和分布電感，當線路中發(fā)生故障時，故障點產(chǎn)生的行波會向線路的兩端傳播。如果在傳輸?shù)倪^程中輸電線路的波阻抗和參數(shù)發(fā)生變化，那么行波將會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。雖然行波法故障定位的精度和可靠性在理論上不受故障電阻、兩側(cè)系統(tǒng)及線路類型的影響，但在工程實際中卻受到很多因素的制約，需要進一步解決。行波法存在的主要問題如下：1）要準確提取暫態(tài)行波分量。2）識別與標定故障點的反射波。3）標定故障初始行波的到達時刻。4）確定波的速度。

2.3 信號注入法

主要是利用主動式的向線路注入一個信號來實現(xiàn)故障定位，不受消弧線圈影響，無需安裝零序電流互感器。但在實際電網(wǎng)應用中存在如下缺點：1）注入信號強度受電壓互感器容量的限制。2）電力系統(tǒng)的負荷種類較多和非線性特性對電網(wǎng)造成的污染，使得電網(wǎng)中存在著接近注入信號頻率的信號，對信號的測量造成干擾。3）接地點存在間歇性的電弧現(xiàn)象會使線路中注入的信號不連續(xù)并且破壞其特征，給故障定位帶來困難。當接地電阻很大時，線路上的分布電容將對注入的信號進行分流，干擾線路的故障定位。4）尋找故障點的時間較長，在此期間有可能引發(fā)系統(tǒng)的第二點接地，造成線路的自動跳閘。

3 基于電壓行波的高壓輸電線路故障定位系統(tǒng)研究

3.1 電壓行波故障定位法的基本原理

電壓行波法有A、B、二類，這里以A類為例簡要分析行波法故障定位的基本原理。A型定位原理是根據(jù)線路故障時產(chǎn)生的行波在測量端和故障點來回反射的時間差和波速的乘積來定位的。A型只需在線路一端安裝設備，定位精度不受過渡阻抗的影響，可以檢測瞬時故障和永久性故障，但存在反射波波頭不易提取的問題。A型定位方法一般采用高速采集裝置采集故障行波數(shù)據(jù)，然后通過復雜的算法識別行波波頭，計算出故障點的位置。因此，行波法的主要的問題在于波頭提取算法的研究。檢測端母線上的行波信號可由初始行波、母線上非故障線路的反射波、故障點反射波、對端母線上的反射波組成。需要檢測的初始行波和故障點的反射波，同時還有來自斷路器和隔離開關(guān)的操作、導線的換位點等等干擾，這就使故障點反射波的檢測變得非常困難，來自斷路器和隔離開關(guān)操作、導線換位點的干擾一般可通過故障檢測單元和設置適當?shù)拈T檻來避開。

3.2 故障定位方法設計

由于單端行波法在實用上的缺陷，本文采用雙端電壓行波法，即B型行波定位來實現(xiàn)輸電線路故障定位。B型定位原理是根據(jù)線路故障時在故障點產(chǎn)生的初始行波傳播到線路兩端的時間差和波速來實現(xiàn)故障定位的。B型行波定位需要在線路兩端安裝設備，不需要對故障點反射波進行識別，定位精度較高，是目前行波法故障定位中使用得最多的一種方法。實現(xiàn)雙端行波法故障定位的步驟如下：①行波信號的獲取。現(xiàn)場的電壓行波都是高電壓信號，需要用傳感器轉(zhuǎn)變成低壓信號。②行波信號的采集。行波信號頻率高，根據(jù)采樣定理，要求采集系統(tǒng)的采樣大于行波信號頻率的兩倍。這就需要高速采集系統(tǒng)才能準確記錄行波信號。雙端行波法需要記錄來自線路兩端的行波信號，還需考慮異地采樣不同步帶來的誤差，因此還需設計同步時鐘。③相模變換。實際獲取的信號為三相電壓，根據(jù)前面分析需要對三相電壓進行相模變換來消除各相電壓之間耦合的影響。④求取初始行波到達線路兩端的時間差。根據(jù)前面測出的相關(guān)參數(shù)進行時間差的計算，時間差是決定定位精度的關(guān)鍵因素。

3.3 故障定位系統(tǒng)設計

輸電線路故障定位系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要完成行波信號的獲取。現(xiàn)將故障定位系統(tǒng)硬件設計平臺設計如以下幾點。線路故障產(chǎn)生的電壓行波信號，經(jīng)電壓傳感器一路到采樣啟動單元，一路到高速采集模塊。當滿足行波啟動條件后啟動A/D轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)采集，同時由GPS同步時鐘記錄啟動時刻。將行波波形與啟動時刻保存在工控機，將兩端的數(shù)據(jù)傳送到主控室工控機，并進行定位分析。當電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時，電壓傳感器采集到過電壓信號后，信號經(jīng)過信號調(diào)理電路傳送至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為計算機所能識別的數(shù)字信號，并以文件形式保存在計算機硬盤上。電壓傳感器是準確獲取電壓行波信號的關(guān)鍵，這也正是電壓行波法長期以來一直受限制的原因。本系統(tǒng)在35kV及以下的配電網(wǎng)采用低阻尼阻容分壓器，直接從母線處獲取電壓信號，110kV輸電線路采用特制的電壓傳感器從電容式套管末屏抽頭處獲取電壓信號。方波實驗表明這兩種傳感器均有較好的響應特性。

4 結(jié)語

本文在國內(nèi)外現(xiàn)有輸電線路故障定位方法的基礎(chǔ)上，對基于電壓行波的輸電線路故障定位方法進行了探索和研究，給出了基于電壓行波的高壓輸電線路故障的定位方法，并在此基礎(chǔ)上完成了定位系統(tǒng)硬件平臺的設計，給出了詳細的設計方案和系統(tǒng)工作原理，對于進一步提高高壓輸電線路故障定位的方法及其系統(tǒng)的研究、應用，無論是從理論研究還是從實踐開發(fā)商，都具有很好的指導和推廣的意義。

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