基于地線分流實現直流輸電線路接地故障區段定位的方法

王 法 曾 東 許金明 張 勇

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314001 ）

高壓直流輸電的蓬勃快速發展，對直流輸電線路的運維管理提出了新的要求。研究如何利用先進科技手段來幫助運維單位全面掌控輸電線路的實時運行狀態，如何及時發現線路隱患、快速查找和消除各類故障，提高運維單位對沿線因為環境變化、通道異常、自然災害、外力破壞等因素發生故障時的反應能力和預控能力，是各運維單位共同關注的話題。

目前，跨區直流輸電線路由沿線不同的單位分段運維，各相鄰單位之間的責任明確，界線分明。線路故障定位裝置一般設置在兩側換流站內，由于不同運維單位還未完全實現信息共享，使各區段的線路運維單位在獲取故障信息方面存在時延，故障信息即時內容掌握程度有限，影響了運維單位應急能力。通常做法是保守地派出過剩人力進行故障查找和處理，尤其是當故障發生在不同運維單位的分界點附近時，由于擔心存在信息傳遞誤差，往往需要臨近運維單位同時派員查找或待命搶修，從而浪費了人財物資源。

針對直流線路分段運維的特點，研究出造價低、安裝靈活、定位準確、且不影響線路安全穩定運行的故障定位裝置，來指導運維單位快速應急能力，不失為一種行之有效的輔助措施。

1 常規故障定位方法比較

現實經常采用的故障定位方法，按照工作原理可以分為行波法、阻抗法、故障分析法、智能化測距法等。其中行波法是根據行波理論實現的測距方法，行波測距裝置現已廣泛應用于電力系統；阻抗法和故障分析法本質上沒有區別，都是分析短路后的故障特征量，利用短路計算的逆運算求解故障距離。故障分析法依據電壓電流的測量值，通過故障分析根據各種特征構造各種原理（如阻抗與距離成正比，用兩端數據計算到的故障點電壓相等，過渡電阻的純阻性等）的測距方程，進行故障測距[1]；智能化測距法是將各種智能技術之問的交叉結合，如模糊專家系統，模糊神經網絡，神經網絡專家系統等相繼提出，但大多數還處于研究階段，還有待于各種智能技術的發展和成熟[2-3]。

以上的故障定位方法若應用在直流輸電線路的中間某區段定位，實現難度較大。首先，為確保線路安全運行，故障信號采集設備不建議安裝在輸電線路的高電位（導線）上。其次，從性價比方面考慮，不主張采用體積龐大的電氣設備。并且，不同運維單位所轄的直流輸電線路長度一般只有30～200km，遠小于故障行波波長，故障行波的折反射時間太短，若在某區段安裝行波測量裝置，難以準確測量得到故障行波的波頭，雙端時鐘的誤差也會使故障定位準確性大打折扣。

2 基于地線分流實現故障定位的理論基礎

直流輸電線路的故障類型可分為雷擊、對地閃絡、高阻接地、與交流線路碰線和斷線5種類型[4]。其中高電阻接地、交流線路碰線和斷線故障類型在高壓直流輸電線路中發生的概率較小，此類故障信息可以通過兩側換流站的故障定位設備反饋而得。直流輸電線路一般以遭受雷擊、污穢、霧雨等環境因素所造成線路絕緣水平降低而產生的對地閃絡為主，本文主要針對此類故障進行定位方法研究。

一般來說，直流輸電線路的地線與桿塔采用非絕緣連接方式，閃絡接地的故障電流在桿塔地線上將會產生分流，若能找出分流規律，并在桿塔地線上安裝故障電流傳感器，檢測和采集故障電流方向，將信號通過無線傳輸至后臺分析軟件，通過判斷電流方向實現故障定位，并將定位結果結合輸電線路在線監測系統適時向關人員短消息預警，從而指導應急排查和搶修工作。

本文根據檢測故障點兩側地線上故障電流方向，當故障電流方向相反時判斷為故障區段。

3 研究模型及分析

建立跨區直流輸電線路中間某段線路模型，假定某單位負責線路中間段某8基桿塔的運維工作。在各桿塔的同一側同一根地線上安裝統一規格的電流傳感器（以符號“a”代表電流傳感器），用于采集故障電流的方向。通常，直流輸電線路接地故障可能有以下3種發生情況。

3.1 桿塔上發生接地故障

假設在#T5桿塔上發生導線接地故障，導線故障總電流方向I0假定流向故障點。根據基爾霍夫電流定律（KCL）和桿塔電氣模型，I0一部分經故障桿塔的接地裝置流入大地（ID0），另一部分IT5由地線向線路兩側進行分流。當然，各分流系數因為桿塔的接地阻抗、地線阻抗、故障點位置等不同，難以做定量研究，但是，分析單根地線的故障電流方向可以得出定性的結論，模型如圖1所示。

圖1 #T5塔上發生接地故障時單根地線分流示意圖

根據以上電流方向的假設，桿塔#T5故障電流TT5向兩側地線分流（根據KCL可知I4電流方向往左，I5電流方向往右）。分析桿塔#T6，因為地線直接與桿塔連接，故障電流 I5一部分經桿塔入地（IT6），另一部分由大號側兩根地線分流，即電流絕對值I5＞I6，且#T6大號側地線電流方向向右，以此類推。同樣方法可以分析小號側電流規律，從而得出定性結論：

1）#T5大號側故障電流方向一致向右，電流絕對值大小隨塔號的增加逐基遞減；

2）#T5小號側故障電流方向一致向左，電流絕對值大小隨塔號的減小逐基遞減；

a4與a5采集所得的電流方向相反，即塔T5兩側電流方向相反。

3.2 檔中央發生導線與地面物體放電故障

假定在#T4-#T5檔某處發生導線與地面物體放電故障，且假定故障總電流I0方向由導線流向大地。故障電流通過大地散流后，在相鄰兩側桿塔上產生分流IG4、IG5，其他桿塔因為距離故障點較遠，故障電流I0經大地散流至桿塔上的電流很小，幾乎可以忽略。IG4、IG5分流與故障點在檔內的位置、大地散流系數分布、地線與桿塔阻抗等有關，難以定量故障檔地線上電流I4大小和方向。就I4電流方向而言，總結起來，不外乎兩種情況：方向向左或者向左。

1）當故障電流I4方向向左

此時其分流模型如圖2所示。

圖2 #T4－#T5檔中央發生對地面放電時單根地線分流圖（I4方向向左）

分析單根地線上的故障電流，根據3.1的同樣的分析原理，#T4小號側故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號的減小逐基遞減。#T5大號側故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號的增加逐基遞減。

a4與a5采集所得的電流方向相反，即#T5兩側電流方向相反。

2）當故障電流I4方向向右

此時其分流模型如圖3所示。

圖3 #T4－#T5檔中央發生對地面放電時單根地線分流圖（I4方向向左）

分析單根地線上的故障電流，根據3.1的同樣的分析原理，#T4小號側故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號的減小逐基遞減。#T5大號側故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號的增加逐基遞減。

a3與a4采集所得的電流方向相反，即#T4兩側電流方向相反。

3.3 檔中央發生導線與地線碰觸故障

假設在#T4和#T5檔中央某處發生導線與地線碰觸接地故障，故障總電流I0方向由導線流向地線。接地電流I0在故障點完全由地線向兩側分流，建立分流模型如圖4所示。

圖4 #T4－#T5檔中央發生與地線碰觸單根地線分流圖

此類故障分析原理與3.1相同，結論如下：

（1）#T5大號側故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號的增加逐基遞減。

（2）#T4小號側故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號的減小逐基遞減。

a4與a5采集所得的電流方向相反，即#T5兩側電流方向相反。

4 故障定位方法

根據以上接地故障電流模型的分析，直流輸電線路接地故障可以根據相鄰電流傳感器的電流方向作為判斷依據，實現故障區段定位（見模型圖中的橢圓形虛線框）。若相鄰電流傳感器采集所得電流方向一致，則說明該定位單元內未發生接地故障。反之，電流方向相反時，可判斷其接地故障位于該相鄰電流傳感器之間桿塔上或該相鄰檔內，即故障電流方向相反時的相鄰電流傳感器之間發生了接地故障準確判斷故障電流的方向是本方法實現故障區段定位的關鍵。電流傳感器的設計應能采集精確并且安裝便捷，選用統一規格的電流傳感器，其安裝位置位于同一側同一根地線上，且緊靠地線線夾出口處，其最小定位單元為兩相鄰電流傳感器安裝點之間的各段線路。

5 應用情況

該方法在嘉興電力局所轄的±800kV復奉線#3585－#3674段線路上試應用。研究人員在復奉線42km線路范圍內每隔15基桿塔的同一根地線上安裝了同一規格的電流傳感器，共6套，目的是將42km線路縮小至 10km定位區段（今后逐步推廣在每基桿塔上安裝電流傳感器，實現最小定位單元為某一檔）。現場電流傳感器故障數據通過GPRS實時傳輸至后臺分析軟件，并在嘉興電力局輸電線路在線監測系統中集成展示故障分析結果，通過短消息及時向有關人員預警，系統總結構圖如圖 5，故障定位在線監測平臺如圖6。

圖5 系統總結構圖

圖6 故障定位在線監測平臺

因為嘉興段±800kV復奉線運行至今未曾發生過接地短路等故障，以上系統未能檢測到實際故障數據。但是，在研究過程中依據以上理論方法進行大量的仿真試驗，仿真模型為±800kV復奉線，模型中導線采用貝杰龍等效電路，兩端線路采用一般輸電線路的等效π模型，接地故障發生點在嘉興電力局所轄的某檔某極導線上。并通過 ATP(Alternative Transient Program，一種EMTP仿真軟件)電力系統電磁暫態仿真分析軟件進行每組試驗數據的分析，得出一致的結論：故障點前、后定位區段地線上的故障電流方向相反，且同一續流時間下地線上故障電流絕對值大小隨著遠離故障點方向逐基遞減。表1是#3594－#3595檔負極性導線上發生接地故障時，每隔4檔地線上電流傳感器采集的一組仿真試驗數據。

表1 #3594－#3595檔負極性導線發生接地故障時不同續流時間電流傳感器最大值

6 結論

直流輸電線路的地線一般直接與桿塔連接，通過設計電流傳感器，精確采集到地線故障電流的方向，判斷相鄰傳感器上電流方向是否一致，可以實現中間某段線路接地故障區段定位。本定位方法同樣適用于發生在桿塔或地線上的雷擊故障定位，原理同以上分析方法一樣。

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