輸變電線路非接觸傳感器故障點(diǎn)標(biāo)定系統(tǒng)應(yīng)用研究

【摘要】架空輸配電線路中安裝故障標(biāo)定系統(tǒng)能夠快速確定故障位置，為排除線路故障具有非常重大的意義。但目前故障定位系統(tǒng)是利用原有變電站內(nèi)錄波系統(tǒng)信號，對安裝位置具有一定要求和使用局限。非接觸式傳感器具有信號失真度低，安裝靈活，安全系數(shù)高，在實(shí)際輸配電線路中完成故障精確定位具有很高的使用價值，本文對于采用非接觸傳感器的故障標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于此研究結(jié)果并在220kV系統(tǒng)中試驗掛網(wǎng)運(yùn)行取得了成功。

【關(guān)鍵詞】故障點(diǎn)標(biāo)定;非接觸式傳感器;GPS時間同步

1.前言

架空輸配電線路是我國電網(wǎng)的主要組成部分，承擔(dān)著各地區(qū)電能輸送和供電的重要任務(wù)，直接影響到整個電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和安全性。隨著各地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和電網(wǎng)的強(qiáng)化，許多電網(wǎng)安置在地形復(fù)雜區(qū)域，而且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈發(fā)變得復(fù)雜，一旦線路發(fā)生短路故障，故障查找將是一個工難度很大的現(xiàn)場作業(yè)，如果采用人工沿線尋查，將會花費(fèi)較長的搶修時間，工作效率比較低[1-3]。因此有必要采用一種先進(jìn)的技術(shù)手段，故障發(fā)生后能夠在遠(yuǎn)程快速地對故障位置進(jìn)行早期標(biāo)定，為第一線維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的故障位置信息，及時排除故障盡早恢復(fù)供電。傳統(tǒng)故障標(biāo)定是借助安裝在變電所內(nèi)的故障錄波器來完成，由于錄波設(shè)備采用變電所室內(nèi)的電壓電流傳感器采集故障信號，信號受制于既有傳感器的性能特點(diǎn)，同時對于安裝位置有一定要求，對于復(fù)雜線路或無變電站的地區(qū)就無法進(jìn)行雙端GPS同步標(biāo)定方式[4-6]。

本次在220kV輸電線路中采用的故障標(biāo)定系統(tǒng)采用最先進(jìn)的信號采集單元—非接觸型電壓電流傳感器，同時采用先進(jìn)的信號過濾及補(bǔ)償方式，具有還原信號好，抗信號干擾，標(biāo)定精度高的特點(diǎn)，可以滿足國內(nèi)各類電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安裝使用，而且故障點(diǎn)標(biāo)定精度高。

2.背景

目前國內(nèi)電力系統(tǒng)變電站都裝有微機(jī)保護(hù)或微機(jī)故障記錄裝置，常規(guī)定位算法所需要的分析數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)備得到，費(fèi)用低，易于實(shí)現(xiàn)。但這些常規(guī)定位算法都是建立在一種或幾種假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些假設(shè)都會與系統(tǒng)的實(shí)際情況有所差別，自然會帶來一些誤差;通過誤差補(bǔ)償或者采用多端線路數(shù)據(jù)，可以在一定程度上提高算法的精度，但對高阻接地、多電源線路、斷線故障、分支線路等許多情況定位效果較差，即使在常規(guī)定位算法可以使用的場合，它的實(shí)際測量精度也往往超出1km以上[2，4-5]。

近年來，故障行波定位技術(shù)得到了較快的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多雙端、單端行波故障定位算法和原理，目前，實(shí)用化的行波定位裝置主要是利用變電站內(nèi)故障錄波器裝置，對電流行波信號進(jìn)行故障定位計算采用電流行波信號進(jìn)行故障點(diǎn)標(biāo)定時，電流行波的采集信號受電暈干擾較大，尤其對小波數(shù)據(jù)分析時，有時會出現(xiàn)波頭定位不準(zhǔn)，直接影響標(biāo)定穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。而在非雷擊絕緣自然破壞尤其是在非接地系統(tǒng)時，電流行波比較小，對于系統(tǒng)的檢測靈敏度要求比較高，造成誤差也比較大。而且，現(xiàn)有行波測距裝置由于采樣率較低，大多不超過1MHz，因此標(biāo)定精度也較低[1-2，7-8]。

此外，這些設(shè)備都必須安裝在變電站內(nèi)，對于安裝空間有一定要求，尤其對于精度較高的GPS時間同步的雙端標(biāo)定系統(tǒng)要求，必須要有兩個以上的變電站才能構(gòu)成一個完整的故障標(biāo)定系統(tǒng)。對于一些復(fù)雜的線路，如分支線路多，對方側(cè)沒有同一管轄的變電站或變電站內(nèi)無法安置系統(tǒng)設(shè)備，就無法實(shí)現(xiàn)GPS時間同步標(biāo)定，受實(shí)際線路限制較多[2，4-8]。

由于采用變電站內(nèi)的電壓傳感器和電流傳感器，通常這類傳感器是用于計量用途，有效值測量精度較高，但高頻響應(yīng)較差，造成波形失真較大，其標(biāo)定精度也因此受到一定的限制。

本文基于非接觸傳感技術(shù)的輸電線路高精度故障定位技術(shù)進(jìn)行研究，采用安裝在鐵塔上非接觸傳感器采集行波信號，改變目前僅限于使用變電站內(nèi)電壓電流傳感器（PT和CT）采集方式進(jìn)行故障標(biāo)定。而且非接觸傳感器是專為故障定位設(shè)計的電壓電流型傳感器，其具有獨(dú)特的平板結(jié)構(gòu)通過電磁感應(yīng)檢出線路的電壓及電流信號，具有100KHz以上的頻率響應(yīng)能力，對于暫態(tài)信號及對干擾信號具有較高處理能力，由于非接觸大大提高了線路安全性。而且非接觸傳感器不依賴變電站，能安裝在線路的任何位置，很好解決了復(fù)雜線路及變電站內(nèi)安裝困難的問題，具有適應(yīng)性強(qiáng)易于工程應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)[9-10]。

其次，采用國際上最高水準(zhǔn)的GPS同步芯片，可將各采集點(diǎn)之間的時間誤差控制在10-7之內(nèi)，大大減少了硬件對計算結(jié)果產(chǎn)生的誤差;系統(tǒng)采樣頻率采用5MHz以上高速采樣技術(shù)，能完好真實(shí)地記錄故障波形，對于故障點(diǎn)位置標(biāo)定和今后的故障產(chǎn)生原因分析都將提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。采集后的電壓電流行波信號，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中調(diào)計算機(jī)內(nèi)，采用故障波與干擾波分離處理技術(shù)，減少電暈等各類外界干擾信號對解析標(biāo)定故障點(diǎn)的影響，全面實(shí)現(xiàn)高精度故障測距，根據(jù)各地使用的業(yè)績實(shí)際誤差基本控制在400M以內(nèi)，對于電力運(yùn)行和檢修單位降低成本，提高效率，具有重大意義。

本項目適用于35kV～500kV以上輸電線路故障標(biāo)定，不僅消除了傳統(tǒng)測距固有的缺陷，而且擁有多個先進(jìn)的行波測距處理技術(shù)，代表著行波測距未來技術(shù)的發(fā)展方向。因此，本項目不僅具有現(xiàn)實(shí)的工程價值，也具有重要的應(yīng)用前景，對整個電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有特殊的工程意義。

圖1 故障位置的標(biāo)定

3.產(chǎn)品原理及研究

3.1 雙端行波標(biāo)定原理

利用故障行波到達(dá)故障線路兩端的時間差計算出故障距離，關(guān)鍵是準(zhǔn)確記錄下行波到達(dá)線路兩端的相對時間，利用接收GPS的衛(wèi)星信號并配合高精度恒溫晶振的使用，可以獲取精度在0.1us以內(nèi)的時間脈沖，因此GPS可作為同步時間單元。由于母線兩端都只檢測第一個到達(dá)的行波，線路過渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、線路的分布電容以及負(fù)荷電流等因素對測距復(fù)雜性不會造成大的影響，因此雙端行波法比單端行波法測距結(jié)果更準(zhǔn)確和可靠[7-8]。當(dāng)兩臺采集裝置之間內(nèi)發(fā)生故障時，通過正確地同步檢出故障產(chǎn)生的行波，來標(biāo)定故障位置，如圖1所示。

標(biāo)定距離可以表示為[6-8]：

（1）

式中：L，線路AB之間的長度，m;V，浪涌信號的傳播速度，m/s;Ta，標(biāo)定裝置A浪涌檢出時刻;Tb，標(biāo)定裝置B浪涌檢出時刻。

3.2 本系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)屬于雙端行波標(biāo)定系統(tǒng)，如圖2所示 。

圖2 雙端行波標(biāo)定系統(tǒng)

本故障標(biāo)定系統(tǒng)根據(jù)需要可以同時采用鐵塔采集裝置方式和變電站采集裝置方式作為信號采集方式。

鐵塔采集裝置采集信號是以非接觸傳感器為主，變電站裝置也可以采用站內(nèi)的PT和CT器件采集信號。各采集點(diǎn)的信號通過無線或有線方式傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的電腦上，通過系統(tǒng)專用解析軟件來標(biāo)定故障發(fā)生地點(diǎn)和顯示故障波形等信息。

任何在安裝采集點(diǎn)之間內(nèi)的故障位置均能被標(biāo)定。鐵塔采集裝置由非接觸傳感器，帶有GPS同步的檢出裝置，通信裝置及太陽能蓄電池電源裝置構(gòu)成（如圖3所示）。

圖3 鐵塔采集裝置

3.3 技術(shù)要點(diǎn)

（1）以往的電流傳感器都采用中心穿過導(dǎo)線，也就是傳感器必須圍繞在導(dǎo)線外側(cè)，一旦傳感器發(fā)生故障還會影響到高壓導(dǎo)線絕緣，易造成線路故障。非接觸傳感器也是以電磁場感原理，只是采用特殊結(jié)構(gòu)采集電壓電流信號。由于故障定位精度主要取決于故障電流信號的波形采集，而對于信號的數(shù)值精度并沒有很高要求。所以非接觸式傳感器能充分發(fā)揮其安全的優(yōu)勢，還能如實(shí)感應(yīng)記錄故障波形，對于相間短路，單相接地短路，雷擊等各類事故均有效。

（2）先進(jìn)計算方法，可以使得故障波形準(zhǔn)確還原，并且能夠通過推算，在大量干擾信號中出找出波頭（故障波起始點(diǎn)），準(zhǔn)確找到波頭才能準(zhǔn)確計算出故障位置。定位誤差大小主要與采樣速度，找出波頭和還原波形的計算方法，GPS精度等因素有關(guān)。

（3）主站軟件主要是實(shí)現(xiàn)上述的波頭尋找，完成故障點(diǎn)定位計算，直觀地顯示故障具體位置。根據(jù)線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（潮流，變電所特點(diǎn)等）進(jìn)行設(shè)置和更改，還可以對桿上裝置測試狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)（感應(yīng)度，增益等），以及對裝置工作狀態(tài)進(jìn)行自我檢測，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障即使報警。

3.4 技術(shù)方案

3.4.1 高頻干擾波的分離處理技術(shù)

為了正確地測出行波到達(dá)時刻，不能簡單地采用檢出電平的時間tA（tB）位置作為波頭時間，還需要對波形起始位置進(jìn)行推算。由于故障行波含有大量的固有的高頻干擾波，在通過不同時間傳輸和傳感器后，會使得波形發(fā)生畸變，如波形B上升速度變慢造成計算誤差擴(kuò)大。采用分散演算方式對干擾雜波和行波分別進(jìn)行計算，去處干擾波的影響，推算出準(zhǔn)確的波頭到達(dá)時間，才能保障故障定位準(zhǔn)確無誤。此方法與傳統(tǒng)的單純的微分演算相比，能大大降低固有干擾雜波對演算結(jié)果的影響，如圖4所示。

圖4 高頻干擾波的分離處理

3.4.2 高精度時間同步

為了準(zhǔn)確地計算出波頭到達(dá)各檢測地點(diǎn)的時間差異，需要高精度的時間同步。為此，采用目前國際上最先進(jìn)的高性能的GPS芯片，可以實(shí)現(xiàn)同步精度約10-7秒。

3.4.3 誤動作對策

由于雷電等外部干擾會影響故障判斷，如附近地區(qū)遭受雷擊時，也會在線路上發(fā)生類似行波。為了排除干擾防止誤判，需要將外部干擾波的高頻部分過濾，采用工頻頻率帶域的電壓波形判據(jù)，可以準(zhǔn)確捕捉到線路受損的故障行波。同樣對于采用中心點(diǎn)不接地或高阻的線路。

此技術(shù)手段還能夠檢出一些沒有達(dá)到跳閘的單相接地故障現(xiàn)象，并進(jìn)行定位，圖5所示。

圖5 誤動作對策

3.4.4 高效率的數(shù)據(jù)通信

高速采樣所得到的波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大。故障標(biāo)定的主要判定依據(jù)在于波頭前后區(qū)間的數(shù)據(jù)，因此必須對此重要區(qū)間數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行傳送，如圖6所示。

4.具體實(shí)施

4.1 項目構(gòu)成

本項目選擇220kV輸電線路為東村Ⅰ線：線路長度34.7公里。

線路特點(diǎn)：直接接地系統(tǒng)，負(fù)荷電流約120A;保護(hù)設(shè)定：接地故障動作電流為288A，0秒;短路故障動作電流：368A，0秒;

故障標(biāo)定系統(tǒng)的組成：2個鐵塔裝置采集點(diǎn)（001桿和109號桿）和一套后臺電腦解析軟件系統(tǒng);

每個鐵塔裝置包括：3個非接觸式電壓電流傳感器（配套電纜）;1臺檢出裝置（內(nèi)有GPS時間同步單元）;1臺通信裝置（采用中國移動GPRS方式）;1套太陽能電池板和蓄電池電源系統(tǒng);配套安裝金具。

圖6 高效率的數(shù)據(jù)通信

圖7 故障位置（總圖）

圖8 故障詳細(xì)位置圖

圖9 各相電壓電流零序電流

圖10 故障行波

4.2 故障解析

線路故障發(fā)生后，故障行波將沿著輸電線路向兩方向進(jìn)行傳遞。安裝在線路兩側(cè)（001號桿塔和109號桿塔）的采集裝置檢測出故障行波信號，同時按照GPS高精度時間記錄行波的電壓電流信號，并通過GPRS方式向監(jiān)測中心發(fā)出故障發(fā)生信息。監(jiān)測中心根據(jù)需要上傳故障波型信號并進(jìn)行解析，最終標(biāo)定出故障發(fā)生的具體位置，如距某桿塔xxx米有接地或短路故障，直觀顯示故障的位置，以及顯示故障波各相關(guān)信息（圖7～圖10），對于今后分析線路運(yùn)行情況提供第一手材料。

5.結(jié)論

目前國內(nèi)使用的故障定位裝置由于在安裝設(shè)置受到許多地理和場合限制，安全性和準(zhǔn)確性都存在不少問題。采用非接觸式傳感器作為采集信號的手段，大大擴(kuò)大了故障位置標(biāo)定系統(tǒng)的使用范圍，對于不同的線路能夠靈活地應(yīng)用，而且標(biāo)定精度也有所提高，具有很高的實(shí)際應(yīng)用意義，對于提高供電可靠性，減少故障尋查時間和作業(yè)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

經(jīng)過一年多對產(chǎn)品的研究改進(jìn)工作，使得本產(chǎn)品已經(jīng)基本上滿足了國內(nèi)220kV輸變電線路的技術(shù)規(guī)范和操作上可行性，為今后提高我國輸變電線路安全運(yùn)行提供了一個嶄新的解決方案。

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致謝：感謝國網(wǎng)山東電力公司專項科技項目對本工作的支持。

作者簡介：張宗峰（1979—），男，運(yùn)維檢修部線路專工，現(xiàn)供職于國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司。