架空輸電線路的故障測距方法研究

王海波　郭衛東　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行穩定有著重要意義。文章將故障測距方法分為阻抗法和行波法，指出了它們的適應范圍和目前存在的問題。最后對線路模型和測距算法進行了比較，對故障測距發展前景進行了展望。

關鍵詞：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穩定運行的基石，但由于我國特高壓和超高壓輸電線路分布范圍較廣，穿越的地形較復雜，運行環境又相當惡劣，是系統中發生故障最多的地方。瞬時性故障發生更多，該類故障造成局部絕緣損傷一般沒有明顯痕跡，給故障點的定位帶來極大困難。若能在線路故障后迅速地把故障點定位，及時修復線路意義重大。近些年，輸電線路的故障測距是研究熱點，但由于電力系統的結構復雜性，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據進行計算，也可以采用線路雙端的數據進行計算。以下按照單端和雙端的測距分類方法對阻抗法進行闡述。

2.1.1 利用單端數據的測距法

單端阻抗法利用線路一端的電壓電流信號以及相關參數來計算故障距離。為不失一般性，假設輸電線路為均勻線，線路參數恒定。可以進一步細分為：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阻抗變化對測距精度的影響；（2）算法作出了一定的假設（測量端電流與故障點電流同相位，過渡電阻為純阻性），假設與實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。隨著電力系統自動化水平的提高和通信技術的發展，雙端測距方法得到了重視。

2.1.2 利用雙端數據的測距方法

（1）基于集中參數的故障測距方法。a.相量法；b.微分方程法。（2）基于分布參數的故障測距方法。（3）雙端數據不同步的處理方法。（4）雙端法存在的問題。利用線路兩側數據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，在保證線路參數和采樣數據準確的前提下能夠精確測距。但雙端法需要通訊手段，實現同步需要GPS提供同步時鐘，兩端數據的不同步也會對測距精度產生影響。

2.2 行波法

當輸電線路發生故障時，會產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，實現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、故障電阻及兩側系統的影響。

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產生的行波傳播從測量點到故障點往返一次的時間和行波波速來確定故障點距離。B型測距裝置則是據故障點產生的行波分別到達線路兩端的時間差值來實現測距。C型測距裝置是在故障發生后由裝置施加高頻或直流脈沖，根據高頻脈沖由裝置到故障點往返時間進行測距。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法、相關法、濾波器匹配法、主頻率法和小波變換法。求導法是據檢測點處測量到的行波的一階或二階導數是否超過設定的閾值來判斷行波是否達到母線的一種方法。相關法則依據通過向故障點運動的正向行波和由故障點來的反向行波極性相似，兩個信號的相關函數具有很強的相關性。濾波器匹配法建立在相關法的基礎上，使用高通濾波器，減少行波混疊的機會，以提高測距可靠性。主頻率法則通過行波頻譜最強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，適合檢測故障行波這樣的突變信號。對行波信號實施小波變換后，故障測距是基于行波信號在小波變換下的模極大值來實現的。

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

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

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

（4）參數頻變和波速之影響。分析參數頻變特性，變換相模矩陣、特性阻抗、常數衰減和波速等參數均為f的非線性函數。波速是行波測距中的最主要影響因素、而其計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

許多學者把將跨界研究成果引入到輸電線路故障測距當中，提出了許多新穎的方法，如卡爾曼濾波技術、模式識別技術、概率和統計決策、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模型和分布參數模型。前者計算簡便，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。單端阻抗法在實際工程應用中，其費用較低，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阻抗之影響。而雙端阻抗法不存在原理性誤差，但需要相關通訊手段，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，但存在識別故障點反射波的問題，并在近區存在“死區”問題。

4 結束語

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行。每種算法都有其自身的優缺點，結合多種算法，達到優勢互補，以實現精確測距的目的。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

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

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