高壓輸電線(xiàn)路故障定位方法研究

王飛

摘要：高壓輸電線(xiàn)路，是我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分，承載著輸送電能的重要任務(wù)，由于高壓輸電線(xiàn)路的分布范圍非常廣，非常容易發(fā)生故障。如何準(zhǔn)確、快速的定位故障線(xiàn)路位置，是電網(wǎng)維護(hù)領(lǐng)域的基本任務(wù)，也是故障工作排除的重要組成部分。對(duì)現(xiàn)有的高壓輸電線(xiàn)路故障定位技術(shù)進(jìn)行了研究，分析介紹了目前應(yīng)用最為廣泛的高壓輸電線(xiàn)路故障定位方法，并分析了目前方法存在的問(wèn)題以及對(duì)未來(lái)高壓輸電線(xiàn)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(xiàn)路;故障定位;線(xiàn)路故障

1 高壓輸電線(xiàn)路的故障類(lèi)型

其一，永久性故障此類(lèi)故障是指一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)體對(duì)地以及導(dǎo)體之間的短路故障。這種故障多產(chǎn)生于外力，如風(fēng)暴、施工、地震等，對(duì)輸電線(xiàn)路造成嚴(yán)重的機(jī)械性損害。發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，不可能成功地進(jìn)行重合閘。其二，瞬時(shí)性故障這類(lèi)故障多屬于因雷電等過(guò)電壓而引起的閃絡(luò)，也可能因樹(shù)枝或鳥(niǎo)類(lèi)造成短時(shí)間導(dǎo)體對(duì)地或?qū)w之間的接觸。發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，不會(huì)造成致命性的絕緣傷害，可以成功地進(jìn)行重合閘。其三，絕緣擊穿此類(lèi)故障多因輸電線(xiàn)老化、冰雪，使之瞬時(shí)性過(guò)電壓閃絡(luò)破壞、污穢等原因而造成線(xiàn)路的某一點(diǎn)絕緣性能下降。在低電壓情況下不會(huì)產(chǎn)生故障狀態(tài)，在正常運(yùn)行的電壓情況下，會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿，造成短路，并且重合閘不成功，故障切除后沒(méi)有明顯被破壞的跡象。其四，隱性故障該類(lèi)故障是在發(fā)展到瞬時(shí)性閃絡(luò)或是輸電線(xiàn)擊穿導(dǎo)致永久性故障之前，一般不可測(cè)。它不妨礙電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但會(huì)縮小輸電線(xiàn)路絕緣因承受電壓沖擊所設(shè)計(jì)的余量。此類(lèi)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(jiàn)的故障定位方法

2.1 阻抗法

該方法基于假設(shè)的條件為：三相完全對(duì)稱(chēng);工頻基波量;不考慮過(guò)渡電阻、傳感器特性、故障暫態(tài)諧波、系統(tǒng)參數(shù)及線(xiàn)路參數(shù)等因素的影響。因此，該方法存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是測(cè)量精度較低。它受線(xiàn)路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、電流互感器誤差、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻、故障類(lèi)型和對(duì)端負(fù)荷阻抗等因素的影響較大，適應(yīng)能力較弱;二是它不適用于帶串補(bǔ)電容線(xiàn)路、直流輸電線(xiàn)路、某些同桿雙回線(xiàn)路以及 T 接線(xiàn)路的故障定位，在處理閃絡(luò)故障和高阻接地故障時(shí)精度不高，只適合結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的線(xiàn)路。

2.2 行波法

電力系統(tǒng)中的高壓輸電線(xiàn)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(dāng)線(xiàn)路中發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波會(huì)向線(xiàn)路的兩端傳播。如果在傳輸?shù)倪^(guò)程中輸電線(xiàn)路的波阻抗和參數(shù)發(fā)生變化，那么行波將會(huì)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(xiàn)路類(lèi)型的影響，但在工程實(shí)際中卻受到很多因素的制約，需要進(jìn)一步解決。行波法存在的主要問(wèn)題如下：1）要準(zhǔn)確提取暫態(tài)行波分量。2）識(shí)別與標(biāo)定故障點(diǎn)的反射波。3）標(biāo)定故障初始行波的到達(dá)時(shí)刻。4）確定波的速度。

2.3 信號(hào)注入法

主要是利用主動(dòng)式的向線(xiàn)路注入一個(gè)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位，不受消弧線(xiàn)圈影響，無(wú)需安裝零序電流互感器。但在實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用中存在如下缺點(diǎn)：1）注入信號(hào)強(qiáng)度受電壓互感器容量的限制。2）電力系統(tǒng)的負(fù)荷種類(lèi)較多和非線(xiàn)性特性對(duì)電網(wǎng)造成的污染，使得電網(wǎng)中存在著接近注入信號(hào)頻率的信號(hào)，對(duì)信號(hào)的測(cè)量造成干擾。3）接地點(diǎn)存在間歇性的電弧現(xiàn)象會(huì)使線(xiàn)路中注入的信號(hào)不連續(xù)并且破壞其特征，給故障定位帶來(lái)困難。當(dāng)接地電阻很大時(shí)，線(xiàn)路上的分布電容將對(duì)注入的信號(hào)進(jìn)行分流，干擾線(xiàn)路的故障定位。4）尋找故障點(diǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)，在此期間有可能引發(fā)系統(tǒng)的第二點(diǎn)接地，造成線(xiàn)路的自動(dòng)跳閘。

3 基于電壓行波的高壓輸電線(xiàn)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(lèi)，這里以A類(lèi)為例簡(jiǎn)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(xiàn)路故障時(shí)產(chǎn)生的行波在測(cè)量端和故障點(diǎn)來(lái)回反射的時(shí)間差和波速的乘積來(lái)定位的。A型只需在線(xiàn)路一端安裝設(shè)備，定位精度不受過(guò)渡阻抗的影響，可以檢測(cè)瞬時(shí)故障和永久性故障，但存在反射波波頭不易提取的問(wèn)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(guò)復(fù)雜的算法識(shí)別行波波頭，計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。因此，行波法的主要的問(wèn)題在于波頭提取算法的研究。檢測(cè)端母線(xiàn)上的行波信號(hào)可由初始行波、母線(xiàn)上非故障線(xiàn)路的反射波、故障點(diǎn)反射波、對(duì)端母線(xiàn)上的反射波組成。需要檢測(cè)的初始行波和故障點(diǎn)的反射波，同時(shí)還有來(lái)自斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的操作、導(dǎo)線(xiàn)的換位點(diǎn)等等干擾，這就使故障點(diǎn)反射波的檢測(cè)變得非常困難，來(lái)自斷路器和隔離開(kāi)關(guān)操作、導(dǎo)線(xiàn)換位點(diǎn)的干擾一般可通過(guò)故障檢測(cè)單元和設(shè)置適當(dāng)?shù)拈T(mén)檻來(lái)避開(kāi)。

3.2 故障定位方法設(shè)計(jì)

由于單端行波法在實(shí)用上的缺陷，本文采用雙端電壓行波法，即B型行波定位來(lái)實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路故障定位。B型定位原理是根據(jù)線(xiàn)路故障時(shí)在故障點(diǎn)產(chǎn)生的初始行波傳播到線(xiàn)路兩端的時(shí)間差和波速來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位的。B型行波定位需要在線(xiàn)路兩端安裝設(shè)備，不需要對(duì)故障點(diǎn)反射波進(jìn)行識(shí)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(shí)現(xiàn)雙端行波法故障定位的步驟如下：①行波信號(hào)的獲取。現(xiàn)場(chǎng)的電壓行波都是高電壓信號(hào)，需要用傳感器轉(zhuǎn)變成低壓信號(hào)。②行波信號(hào)的采集。行波信號(hào)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(hào)頻率的兩倍。這就需要高速采集系統(tǒng)才能準(zhǔn)確記錄行波信號(hào)。雙端行波法需要記錄來(lái)自線(xiàn)路兩端的行波信號(hào)，還需考慮異地采樣不同步帶來(lái)的誤差，因此還需設(shè)計(jì)同步時(shí)鐘。③相模變換。實(shí)際獲取的信號(hào)為三相電壓，根據(jù)前面分析需要對(duì)三相電壓進(jìn)行相模變換來(lái)消除各相電壓之間耦合的影響。④求取初始行波到達(dá)線(xiàn)路兩端的時(shí)間差。根據(jù)前面測(cè)出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行時(shí)間差的計(jì)算，時(shí)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(shè)計(jì)

輸電線(xiàn)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(hào)的獲取。現(xiàn)將故障定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)如以下幾點(diǎn)。線(xiàn)路故障產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)，經(jīng)電壓傳感器一路到采樣啟動(dòng)單元，一路到高速采集模塊。當(dāng)滿(mǎn)足行波啟動(dòng)條件后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)由GPS同步時(shí)鐘記錄啟動(dòng)時(shí)刻。將行波波形與啟動(dòng)時(shí)刻保存在工控機(jī)，將兩端的數(shù)據(jù)傳送到主控室工控機(jī)，并進(jìn)行定位分析。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，電壓傳感器采集到過(guò)電壓信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并以文件形式保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上。電壓傳感器是準(zhǔn)確獲取電壓行波信號(hào)的關(guān)鍵，這也正是電壓行波法長(zhǎng)期以來(lái)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(xiàn)處獲取電壓信號(hào)，110kV輸電線(xiàn)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(hào)。方波實(shí)驗(yàn)表明這兩種傳感器均有較好的響應(yīng)特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有輸電線(xiàn)路故障定位方法的基礎(chǔ)上，對(duì)基于電壓行波的輸電線(xiàn)路故障定位方法進(jìn)行了探索和研究，給出了基于電壓行波的高壓輸電線(xiàn)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(tái)的設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)工作原理，對(duì)于進(jìn)一步提高高壓輸電線(xiàn)路故障定位的方法及其系統(tǒng)的研究、應(yīng)用，無(wú)論是從理論研究還是從實(shí)踐開(kāi)發(fā)商，都具有很好的指導(dǎo)和推廣的意義。

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