架空輸電線路的故障測距方法研究

王海波　郭衛(wèi)東　劉利則

摘 要：架空輸電線路的精確故障測距對于電力安全運(yùn)行穩(wěn)定有著重要意義。文章將故障測距方法分為阻抗法和行波法，指出了它們的適應(yīng)范圍和目前存在的問題。最后對線路模型和測距算法進(jìn)行了比較，對故障測距發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；故障測距；雙回線

1 概述

我國建立特高壓輸電工程，其輸電線路是電力安全及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基石，但由于我國特高壓和超高壓輸電線路分布范圍較廣，穿越的地形較復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境又相當(dāng)惡劣，是系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方。瞬時性故障發(fā)生更多，該類故障造成局部絕緣損傷一般沒有明顯痕跡，給故障點(diǎn)的定位帶來極大困難。若能在線路故障后迅速地把故障點(diǎn)定位，及時修復(fù)線路意義重大。近些年，輸電線路的故障測距是研究熱點(diǎn)，但由于電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，影響因素很多，仍未能提出對輸電線路精確故障測距方法，因此有必要對其進(jìn)一步研究。

2 故障測距方法簡介

按照采用的測距原理，線路模型，被測量和測量設(shè)備的不同，故障測距方法有多種分類方法。按原理不同，故障測距大致可以分為行波法和阻抗法。近幾年，發(fā)展出了智能化的故障測距法。

2.1 阻抗法

故障阻抗可以采用線路單端的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，也可以采用線路雙端的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。以下按照單端和雙端的測距分類方法對阻抗法進(jìn)行闡述。

2.1.1 利用單端數(shù)據(jù)的測距法

單端阻抗法利用線路一端的電壓電流信號以及相關(guān)參數(shù)來計(jì)算故障距離。為不失一般性，假設(shè)輸電線路為均勻線，線路參數(shù)恒定?？梢赃M(jìn)一步細(xì)分為：解一次方程法，解二次方程法，零序電流相位修正法，零序電流幅值修正法，故障分析法，微分方程法以及基于微分方程的電流相位修正法，基于分布參數(shù)模型的測距算法。此外還有高阻接地故障測距算法等其他的故障測距方法。

通過對單端測距算法的分析，單端測距算法還存在一些問題：（1）不可避免過渡電阻和受端的系統(tǒng)阻抗變化對測距精度的影響；（2）算法作出了一定的假設(shè)（測量端電流與故障點(diǎn)電流同相位，過渡電阻為純阻性），假設(shè)與實(shí)際的差距會影響測距的精確度；（3）算法存在偽根問題和迭代法的收斂性問題。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高和通信技術(shù)的發(fā)展，雙端測距方法得到了重視。

2.1.2 利用雙端數(shù)據(jù)的測距方法

（1）基于集中參數(shù)的故障測距方法。a.相量法；b.微分方程法。（2）基于分布參數(shù)的故障測距方法。（3）雙端數(shù)據(jù)不同步的處理方法。（4）雙端法存在的問題。利用線路兩側(cè)數(shù)據(jù)的雙端法不存在原理性誤差，完全可以克服短路過渡電阻的影響，在保證線路參數(shù)和采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下能夠精確測距。但雙端法需要通訊手段，實(shí)現(xiàn)同步需要GPS提供同步時鐘，兩端數(shù)據(jù)的不同步也會對測距精度產(chǎn)生影響。

2.2 行波法

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時，會產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波，行波傳播速度接近于光速。行波故障測距方法為根據(jù)行波傳播理論，通過測量由于故障擾動的行波在故障線路上的傳播時間，實(shí)現(xiàn)輸電線路故障測距的方法。行波法測距的精確度在理論上不受線路類型、故障電阻及兩側(cè)系統(tǒng)的影響。

2.2.1 行波法的分類

用行波法的測距裝置可分為A、B、C型三種[1]。A型測距裝置原理是用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波傳播從測量點(diǎn)到故障點(diǎn)往返一次的時間和行波波速來確定故障點(diǎn)距離。B型測距裝置則是據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波分別到達(dá)線路兩端的時間差值來實(shí)現(xiàn)測距。C型測距裝置是在故障發(fā)生后由裝置施加高頻或直流脈沖，根據(jù)高頻脈沖由裝置到故障點(diǎn)往返時間進(jìn)行測距。其中A、C型為單端測距裝置，B型為雙端測距裝置。

2.2.2 行波信號的檢測方法

對于行波信號的檢測方法主要有求導(dǎo)法、相關(guān)法、濾波器匹配法、主頻率法和小波變換法。求導(dǎo)法是據(jù)檢測點(diǎn)處測量到的行波的一階或二階導(dǎo)數(shù)是否超過設(shè)定的閾值來判斷行波是否達(dá)到母線的一種方法。相關(guān)法則依據(jù)通過向故障點(diǎn)運(yùn)動的正向行波和由故障點(diǎn)來的反向行波極性相似，兩個信號的相關(guān)函數(shù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。濾波器匹配法建立在相關(guān)法的基礎(chǔ)上，使用高通濾波器，減少行波混疊的機(jī)會，以提高測距可靠性。主頻率法則通過行波頻譜最強(qiáng)的分量來決定故障距離。小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，適合檢測故障行波這樣的突變信號。對行波信號實(shí)施小波變換后，故障測距是基于行波信號在小波變換下的模極大值來實(shí)現(xiàn)的。

2.2.3 行波法存在的問題

行波測距的方法要想獲得高精確度，需要解決幾個問題有：

（1）故障產(chǎn)生的行波具有不確定性。故障是隨機(jī)發(fā)生的，如果在電壓過零時發(fā)生故障，產(chǎn)生的行波電壓是一個由零值起始按正弦規(guī)律變化的電壓，會使該行波測距失效。

（2）對于故障點(diǎn)發(fā)射波的識別。線路上存在著大量干擾，其特性與故障點(diǎn)的反射波極為相似，不容易區(qū)分反射波是來自故障點(diǎn)還是線路對端母線，在近區(qū)會存在“死區(qū)”問題。

（3）對行波產(chǎn)生信號的提取。行波測距對互感器要求是能較真實(shí)地反應(yīng)傳變高壓暫態(tài)行波信號。電壓互感器的截止頻率低，滿足不了傳變暫態(tài)行波信號的要求。

（4）參數(shù)頻變和波速之影響。分析參數(shù)頻變特性，變換相模矩陣、特性阻抗、常數(shù)衰減和波速等參數(shù)均為f的非線性函數(shù)。波速是行波測距中的最主要影響因素、而其計(jì)算取決于大地電阻率和架空線的配置，故精確性受到影響。

2.3 智能化測距方法

許多學(xué)者把將跨界研究成果引入到輸電線路故障測距當(dāng)中，提出了許多新穎的方法，如卡爾曼濾波技術(shù)、模式識別技術(shù)、概率和統(tǒng)計(jì)決策、模糊理論、電弧理論和光纖測距等方法。這些方法給故障測距研究注入了很多新的血液。

3 故障測距方法的比較

（1）輸電線路模型的比較。輸電線路模型可以分為集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。前者計(jì)算簡便，是一種簡化模型，適用于電壓等級低的中短輸電線路；后者是精確的模型，測距精度高，適用于長輸電線路。

（2）單端阻抗法與雙端阻抗法的比較。單端阻抗法在實(shí)際工程應(yīng)用中，其費(fèi)用較低，不受通訊條件的制約，但存在原理誤差，無法消除過渡電阻及受端系統(tǒng)阻抗之影響。而雙端阻抗法不存在原理性誤差，但需要相關(guān)通訊手段，且存在采樣不同步的問題。

（3）阻抗法和行波法的比較。阻抗法投入小，可靠性高，但其測距精確度卻低于行波法，行波法的投入大，精確度較高，但存在識別故障點(diǎn)反射波的問題，并在近區(qū)存在“死區(qū)”問題。

4 結(jié)束語

輸電線路的故障測距取得了許多很有價值的研究，但仍有大量的工作需要進(jìn)行。每種算法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合多種算法，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，以實(shí)現(xiàn)精確測距的目的。此外，智能化測距方法研究也給輸電線路故障測距帶了新的前景。多回線和多端線路的故障測距也是一個很重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1996.

作者簡介：王海波（1978-），男，北京懷柔人，本科，國網(wǎng)北京懷柔供電公司工程師，主要從事配電網(wǎng)相關(guān)工作。