輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)及應(yīng)用

周勇軍

摘 要：輸電線路是輸送電力的“動脈”，應(yīng)用輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)，當(dāng)線路發(fā)生跳閘時能立即實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位及故障類型判定，能很好地保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。該文以一起220 kV輸電線路跳閘事件為例，首先介紹了診斷系統(tǒng)的組成及工作原理，再利用雙端行波測距法定位故障點(diǎn)，并通過分析行波波形特征辨識出故障類型，結(jié)果表明系統(tǒng)的診斷結(jié)果與人工巡線結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了智能故障診斷系統(tǒng)的高效性和準(zhǔn)確性，對電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：輸電線路；智能故障診斷；故障定位；故障原因

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來電網(wǎng)發(fā)展迅速，隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，高壓輸電線路越來越密集，輸電線路是輸送電力的動脈，其分布范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)，部分線路途徑山林、湖泊、重工業(yè)區(qū)等環(huán)境，隨著運(yùn)行年限的增加，受環(huán)境因素影響，線路運(yùn)行中會因雷擊、樹障、覆冰、漂浮物、浮放電、污穢和鳥害等因素導(dǎo)致跳閘或?qū)Ь€斷線等事故，給電力系統(tǒng)造成很大的安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)的事故排查主要是依靠人工巡視來實(shí)現(xiàn)，不僅耗費(fèi)大量人力和物力，而且效率低、耗時長，無法保證供電的可靠性以及設(shè)備、人身的安全，而且由于對故障原因判斷不準(zhǔn)確，所采取的治理措施針對性不強(qiáng)，所以線路故障跳閘率較高。現(xiàn)有的在線監(jiān)測裝置檢測對象單一且大部分需要逐個基桿塔安裝，時效性不高。而智能故障診斷系統(tǒng)可以幫助專業(yè)工作人員快速查找故障點(diǎn)，判斷故障原因，提高工作效率，大大提高輸電線路的防護(hù)水平，降低人力勞動強(qiáng)度和人工成本，對保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

故障測距的方法根據(jù)原理可分為故障錄波分析法、阻抗法及行波分析法。而根據(jù)測距信息來源又可分為單端測距法和雙端測距法。輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)是將監(jiān)測裝置分布式安裝在導(dǎo)線上，實(shí)時獲取故障點(diǎn)附近的工頻分量和行波分量，高精度地定位故障跳閘的區(qū)域和位置并智能辨識故障波形特征，判斷事故發(fā)生的原因。輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)已經(jīng)在國家電網(wǎng)的輸電線路中投入應(yīng)用，并在電網(wǎng)故障診斷和安全運(yùn)行中發(fā)揮著重大作用。

該文針對一起220 kV輸電線路跳閘故障情況，應(yīng)用輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析，快速、準(zhǔn)確地找到故障位置和原因，使工作人員能夠及時修復(fù)故障，提升線路運(yùn)行維護(hù)水平。

1 故障概況

某220 kV輸電線路于2018年8月6日14時24分34秒，發(fā)生跳閘故障，重合閘未成功，系統(tǒng)監(jiān)測到故障相別為B相。通過智能故障診斷系統(tǒng)定位和分析后，得到故障點(diǎn)位于距離#1號桿塔大號側(cè)16 800 m處，故障桿塔大約在#37桿塔，故障性質(zhì)為雷電繞擊故障。

故障發(fā)生后立即指派工作人員在給定的范圍內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)#37桿塔發(fā)生故障。確定了故障點(diǎn)被雷擊的痕跡，并對故障點(diǎn)進(jìn)行拍照。圖1為#37桿塔B相絕緣子遭受雷擊后的痕跡，絕緣子傘裙邊緣有明顯灼傷。

根據(jù)氣象部門發(fā)布的天氣情況顯示，故障發(fā)生在雷雨天氣，雷電活動頻繁，因此可初步判斷是雷擊破壞了#37桿塔B相的絕緣子，形成導(dǎo)電通路，使B相輸電線直接接地，繼而導(dǎo)致線路跳閘。

2 故障診斷分析

2.1 輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)簡介

輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)是進(jìn)行輸電線路跳閘故障定位及故障原因辨識的系統(tǒng)，由監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)中心、用戶系統(tǒng)組成，如圖2所示。具體工作原理是將監(jiān)測終端分布式安裝在輸電線路導(dǎo)線上，監(jiān)測終端實(shí)時采集線路的工頻信號和各類異常放電行波信號，由GPRS上傳至數(shù)據(jù)中心，并保存在內(nèi)存和庫文件中，再經(jīng)過后臺軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到診斷結(jié)果，將結(jié)果發(fā)送至工作站的工作人員，以便工作人員能夠及時地掌握故障情況，了解故障信息并進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.2 輸電線路故障定位

行波法始于20世紀(jì)40年代初，它是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)故障測距的，也是公認(rèn)的故障定位最有效的方法之一，可分為單端法和雙端法，單端法通過測量故障產(chǎn)生的行波，以故障點(diǎn)及母線往返一趟的時間來進(jìn)行測距，而雙端法則利用故障行波到達(dá)線路兩端的時間差來進(jìn)行測距。根據(jù)線路實(shí)際情況，該文采用雙端行波法對故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，從而驗(yàn)證智能故障診斷裝置診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

跳閘案例中的線路全長為150.75 km，在2個變電站中的#1桿塔、#68桿塔、#150桿塔、#204桿塔、#205桿塔、#263桿塔和#321桿塔上分別安裝了輸電線路智能故障監(jiān)測終端，整體分布如圖3所示。

輸電線路智能故障診斷終端于2018年8月6日 14時24分34 秒305毫秒740微秒在該線路上監(jiān)測到工頻分閘電流波形，如圖4所示，波形中故障電流增大約3個周期后歸零，符合線路發(fā)生故障時工頻電流的特征，因此系統(tǒng)判定輸電線路發(fā)生跳閘故障。

雷擊故障時，雷云通過主放電通道對輸電線路注入能量，經(jīng)絕緣子閃絡(luò)后形成傳輸?shù)墓收闲胁?，系統(tǒng)在2018年8月6日 14時24分34秒在線路故障跳閘時監(jiān)測到的#1桿塔和#68桿塔的行波電流波形分別如圖5、圖6所示。

為了定位故障點(diǎn)，對故障行波過程進(jìn)行分析，如圖7所示，在故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波向兩端的變電站進(jìn)行傳播，我們將輸電線路出現(xiàn)故障時，行波主波頭第一次到達(dá)#1號桿塔的時刻標(biāo)記為1'，第一次到達(dá)#68號桿塔的時刻標(biāo)記為1。

根據(jù)雙端行波法測距的原理，基于系統(tǒng)測得的故障波形參數(shù)，可用式（1）計(jì)算故障點(diǎn)到#1桿塔的距離：

其中，L1為故障點(diǎn)到#1桿塔的距離；L為#1桿塔到#68桿塔的距離，為32 590 m；t1為故障點(diǎn)向乙變電站傳播的行波到達(dá)#68桿塔上監(jiān)測終端的時刻；t1?為故障點(diǎn)向甲變電站傳播的行波到達(dá)#1桿塔上監(jiān)測終端的時刻；v表示行波在輸電導(dǎo)線上傳播的速度，以290 m/μs計(jì)算。

經(jīng)過監(jiān)測終端的GPS精確對時，可在后臺軟件中讀取圖5、圖6中標(biāo)示的點(diǎn)1'和點(diǎn)1兩處波峰對應(yīng)的時刻t1'和t1的值，分別為2018年8月6日 14時24分34秒 300 毫秒、841 微秒和2018年8月6日 14時24分34秒 300毫秒845微秒，時間差Δt=4 μs，代入公式（1）后，可求得故障點(diǎn)位于距離#1桿塔L1=16 800 m處，最終定位在#37桿塔附近。這一定位結(jié)果與現(xiàn)場最終確認(rèn)的故障桿塔#37號桿塔一致。

2.3 輸電線路故障類型辨識

架空輸電線路長期暴露在自然環(huán)境下，很容易遭受到外界的影響和損害，一般輸電線路故障原因分為內(nèi)在因素和外在因素，內(nèi)在因素是由自身質(zhì)量問題或線路老化引起的，外在因素是由外在環(huán)境、天氣、外力因素引起的。一般將外在故障原因分為雷擊和非雷擊2個因素，而雷擊故障又可分為感應(yīng)雷與直擊雷，雷電反擊與繞擊。其相應(yīng)的辨識方法見表1。

通過分析圖5、圖6中的故障行波電流波形，并對照表1可知，#37桿塔B相上故障時刻電流行波波尾持續(xù)時間小于20 μs，波形脈寬窄并伴有震蕩，主波之前沒有反極性脈沖，因此判斷此次故障性質(zhì)為直擊雷的繞擊故障。

3 結(jié)論

（1）該文應(yīng)用輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)對某220 kV輸電線路的一起跳閘故障進(jìn)行診斷分析，系統(tǒng)判定故障相為B相，為雷電繞擊故障。

（2）由雙端行波精確故障定位計(jì)算得出，故障點(diǎn)距離#1桿塔大號方向16 800 m，在#37號桿塔附近，與人工巡線結(jié)果一致，定位準(zhǔn)確。

（3）輸電線路智能故障診斷系統(tǒng)在定位故障點(diǎn)和辨識故障原因方面高效精確，應(yīng)加強(qiáng)推廣應(yīng)用，減少輸電線路的運(yùn)維成本和恢復(fù)時間，提高電力系統(tǒng)供電可靠性。

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