淺談基于故障波形判斷輸電線路單相接地故障性質的方法

王姝+黃凱

【摘 要】本文通過對輸電線路阻抗組成情況，以及三種典型單相接地故障波形的特點加以分析，以六次輸電線故障波形為例對其印證分析，得出判斷輸電線路單相接地故障性質的方法，從而提高故障時應急處置速度，保障電能的暢通輸送，保障電網的安全可靠運行。

【關鍵詞】輸電線路；阻抗角；故障；波形性質

0 前言

輸電線路做為電能輸送的通道，在電力生產過程中的至關重要。隨著我國對清潔能源的需求不斷增長，大量的電力能源需要通過輸電線路從資源地區輸送到負荷中心。越來越多的高壓等級、超長距離的輸電線路加以建設，以滿足大負荷的輸送。這些輸電線路穿越了復雜的地理環境，不僅有高山、森林、草原、峽谷、河流，還有人口密集的城鎮，隨之而來的輸電線路故障也逐步增多。一旦發生輸電線路故障，電力能源不能從資源地區輸送到負荷中心，輕則引起局部地區停電，影響人們的日常生產、生活，重則造成區域電網解列，大面積的停電，造成人們的恐慌，甚至影響社會的穩定。輸電線路的故障難以避免，如何快速處置輸電線路故障，保障電能可靠輸送至關重要。處置電力線路故障首要的就是判斷出故障的性質，以便快速的組織應急搶修的機具、人員，比如輸電線路掉串故障需要準備備件及牽引設備，輸電線路樹竹放電故障需要對通道進行清理砍伐等。

1 常見輸電線路故障類型

做為大負荷輸送的輸電線路一般電壓等級均在220千伏及以上，這類型的架空輸電線路對地距離，以及相間距離都較大，發生多相故障的情況較少，出現單相故障的情況較多。在220千伏及以上的電力系統中，采用的中性點接地的運行方式，發生接地故障時會有很大的故障電流，安裝在變電站的保護裝置檢測到故障電流后跳開斷路器，切除故障，同時也對故障時的電氣量加以記錄，以便后期進行分析。

引起輸電線路發生單相接地故障的原因經統計，多為雷擊、外破或樹竹放電、絕緣子串掉落和倒塔。通過近年來在工作中遇到的輸電線路故障加以總結歸納，可以通過輸電線路發生故障時保護裝置記錄的故障波形來快速判斷。下面將對三種輸電線路故障保護波形分析加以分析甄別、判斷，希望對處置快速處置輸電線路有所幫助。

2 輸電線路故障判斷原理

通過電路原理分析可以知道，電路呈純電阻的時候，電流電壓阻抗角（即相角）為0度；純電容時，電流相角超前電壓90度；純感抗時，電壓相角超前電流90度。而現實輸電線路（特別是超高壓輸電線路）中，我們測得的輸電線路阻抗值，不僅有電阻值，還有容抗值及感抗值均存在，且有個特點，感抗值大于電阻值和容抗值。特別是距離越長，電壓等級越高的輸電線路，這個現象更顯著，即感抗值遠遠大于電阻值和容抗值。不管怎樣，正常情況下，輸電線路均呈感性。同時容抗值沿輸電線路均勻分布，其值遠遠小于感抗值，將被感抗值所抵消，其阻抗計算公式可簡化為

Z= R+j X

Z為輸電線路阻抗值，R為輸電線路電阻值，X為輸電線路感抗值

電阻R與感抗X的夾角即為阻抗角。在輸電線路正常運行的時候，保護裝置安裝處的電壓與電流角度比反應的是該輸電線路阻抗及負荷阻抗之和的阻抗角，此時由于負荷電阻比重較大，所以阻抗角較小。輸電線路發生單相接地后，保護裝置安裝處的電壓與電流角度比反應的是保護安裝處與接地點之間的輸電線路阻抗與接地阻抗之和的阻抗角（負荷阻抗已被接地阻抗旁路短接）。在忽略輸電線路分布電容的影響下（輸電線路分布電容較小），輸電線路阻抗角度將會根據接地阻抗的特性進行相應的變化。如輸電線路發生純金屬性接地時，由于其接地電阻很小，感抗值占比重較大，短路阻抗角得角度將接近90度，即電壓波形較電流波形超前近90度（如圖1）；而輸電線路經高阻接地時，電阻占比重增大，短路阻抗角將減少，即電壓波形較電流波形超前的角度減小（如圖2）。

3 三種典型的輸電線路故障的判斷

經過對輸電線路故障判斷原理分析，認識到利用線路保護裝置在故障時記錄下的電氣量波形能快速的判斷出故障的性質。下面就如何利用輸電線路故障波形圖判斷故障進行分析。

輸電線路故障過程中，故障相電流突然急劇增大，電壓下降，故障波形為不標準的正弦波，并出現零序電流及零序電壓。在故障波形圖中，越上面的波形其產生的時間越早。選擇故障波形中部（故障開始及結束時波形受諧波影響大，會對判斷造成一定影響）電壓（電流）波形過零點與同一時刻的電流（電壓）波形進行比較，能推測出電壓電流波形相位角度。但是有時受保護裝置打印出來的輸電線路故障波形圖質量及精確度影響，可能出現判斷不準確的情況，特別是線路長度較短時，因其電阻值與感抗值相差不到，因此最好多取幾個點來綜合分析判斷。下面列出了三種典型的輸電線路故障類型的波形圖并加以分析：

3.1 金屬性接地故障

輸電線路發生金屬性接地故障時，由于短路電流經過金屬流入大地，其電阻值相對感抗值依然很小，故障輸電線路阻抗成近純感抗性，此時電壓波形較電流波形超前90度左右。

（1）圖3為2013年某輸電線路C相故障波形圖。選取故障電流波形中三個過零點，取出同一時刻的電壓點，三處電壓點均在波形波峰位置，即在同弦電壓波形過零點后90度處。因此電壓波形較電流波形超前90度左右，即阻抗角為90度。綜合判斷極有為金屬性接地故障，經輸電運檢人員現場檢查，因施工原因吊車臂直接靠在了輸電線路C相，確為金屬性接地故障。將施工吊車轉移后線路恢復送電正常。

（2）圖4為2016年某輸電線路B相故障。從圖中選取三處電流過零點，得到的相位角（即阻抗角）為90度、85度、90度左右，綜合判斷應為金屬接地故障，經輸電運檢人員現場檢查確為掉串導致的金屬性接地故障。經牽引安裝絕緣子串后恢復送電正常。

3.2 高阻接地故障

輸電線路發生高阻接地故障時，由于短路電流經過大電阻流入大地，其電阻值占阻抗值比重較大。此時由于過渡高阻阻值大小的不同，電壓波形較電流波形超前范圍可能為20至60度左右。endprint

（1）圖5為2015年某輸電線路A相故障。從圖中選取三處電流過零點，得到的相位角（即阻抗角）為45度、35度、55度左右，綜合判斷應為高阻接地故障，經輸電運檢人員現場檢查為樹竹放電導致的高阻接地故障。經對輸電線路通道內樹竹清理砍伐后恢復送電正常。

（2）圖6為2015年某輸電線路A相故障。從圖中選取三處電流過零點，得到的相位角（即阻抗角）為45度、50度、60度左右，綜合判斷應為高阻接地故障，經輸電運檢人員現場檢查確為樹竹放電導致的高阻接地故障。經對輸電線路通道內樹竹清理砍伐后恢復送電正常。

3.3 雷擊故障

輸電線路發生雷擊故障，是雷電直接擊中輸電線路的地線、桿塔或導線、絕緣子等后，造成絕緣子的間隙擊穿而出現閃絡故障。一般情況下故障輸電線路電阻值增加量處于金屬性接地故障和高阻接地故障之間，其電壓波形較電流波形超前范圍在60至80度左右，即阻抗角為60至80度左右。但由于雷擊電壓及雷擊位置的不一樣，可能使得雷擊波形與金屬性接地或過渡電阻接地波形十分相似，可能造成誤判。

（1）圖7為2016年某輸電線路A相故障。從圖中選取三處電流過零點，得到的相位角（即阻抗角）為85度、75度、70度左右，綜合判斷可能為雷擊導致的接地故障，經輸電運檢人員現場檢查確為雷擊接地故障。

（2）圖8為2016年某輸電線路A相故障。從圖中選取三處電流過零點，得到的相位角（即阻抗角）為80度、90度、80度左右，本次故障的波形的多個角度均為80度甚至達到90度，十分接近金屬性接地故障，但由于出現80度角度較多，可判斷為雷擊導致的接地故障，經輸電運檢人員現場檢查確為雷擊接地故障。

另外，還可以通過線路保護裝置測距距離來輔助區別金屬性接地故障與高阻接地故障。線路保護裝置一般采用單端故障阻抗法測距，其原理類似于距離保護，是通過測量發生故障時保護裝置測量出的阻抗值并與單位長度的輸電線路阻抗相比較得到故障點到裝置安裝處的距離。但該方法受系統阻抗變化及故障點過渡阻抗影響較大，在金屬性接地故障時較為準確，但在經高阻接地引起的故障時，計算出的距離將有嚴重偏差，甚至可能超出輸電線路全長。因此，可將保護裝置測距與雙端行波測距或線路全長進行比較，來輔助判斷出故障性質。

通過三種典型的輸電線路故障波形分析，結合對輸電線路故障的現場檢查情況，可以得出基于故障波形判斷輸電線路單相接地故障性質的方法是可行的。同時，以上6幅輸電線路故障時的波形可做為日常輸電線路故障時判斷其故障性質的參照。在工作中將此方法加以應用、推廣，輸電線路故障時能快速的組織響應應急搶修的機具、人員，將極大的提高故障應急處置速度，保障電能的暢通輸送、電網的安全可靠運行。

【參考文獻】

[1]張全元，著.《變電運行現場技術問答》.

[2]李堅，郭建文，著.《變電運行及設備管理技術問答》.endprint