高壓架空輸電線路的故障測距方法

賈亦敏

（國網江蘇省電力有限公司 儀征市供電分公司，江蘇 儀征 211400）

0 引 言

架空線路是當前供電的重要手段，但隨著架空線路的不斷增加，輸電線路的失效問題也越來越多，對電網的正常運行產生了一定的影響。輸電線路分布廣泛，穿越地形復雜，易發生故障。在架空線路發生故障時，如果逐一進行檢查，則不僅效率低下，而且無法及時解決，很可能會引起一系列的連鎖效應。采取有效的故障快速診斷方法能促進故障的排除，對保證電網的正常運轉起到關鍵的作用。采用高壓架空輸電線路的故障定位技術可以迅速地發現故障，便于故障的排除。

1 架空輸電線路故障概況及分析

高壓架空線路有單相、雙相等故障，從發生的次數來看，全部故障中的單相短路占65%，三相概率最低，約為5%[1]。在電力系統中，線路故障是由絕緣子受力及其他原因引起的。此外，由于天氣、地理等因素，如雷電、大風等造成線路及電氣元件損傷，設備發生故障，同時腐蝕也是造成線路故障的主要原因，實際的線路保護中應注意以下幾個問題。

2 高壓架空輸電線路對故障測距的要求

2.1 故障測距必須能夠適應各種結構和配置的電力系統

在高壓架空輸電線路的故障定位中，通常有單端法和雙端法兩種方式。其中，單端法主要是用來測量導線一端的電壓和電流，不過這種方法會受到很大的阻力，所以在進行測距時必須要有一個假設，才能得出準確的結果。此外，當對端系統的阻力發生改變時，單端方法的計算結果可能會有很大的誤差，從而影響精度。然而在實際應用中，單端法也有其優越性，它對下路兩端的系統要求不高，能夠在系統的弱點處進行有效的定位。而在實際使用中，雙端法的電阻、性質以及雙端系統均不會對雙端方法的測量結果造成任何影響，從而保證了測距精度。隨著技術的發展，兩個終端的數據也在不斷優化，即使是在數據不同步的情況下，也不會因為偽根的存在而產生誤差，從而保證了系統的精度。

2.2 故障測距必須考慮采用合適的線路模型

在電力系統的穩態分析中，必須在參數集上合理地運用線路模型。根據這一模型可以發現，當輸電線路很短時，采用參數集中的線路模式，測量結果的偏差不會太大，但隨著輸電距離的增大，測量誤差也會隨之增大，這就導致了某些遠距離傳輸線的測量精度難以保證。在進行故障定位時，必須充分考慮不同線路模式的線路長度[2]。

2.3 故障測距必須能夠適應多種類型的故障

由于各種原因，高壓架空輸電線路容易產生不同的故障，其中包含了多種類型的故障，如短路故障，其故障類型有單相接地和兩相短路等。如果雙回線發生了故障，則也會引起一系列復雜的故障，如耦合的雙回線跨越。在此基礎上，提出了一種基于故障定位的新方法，以保證檢測結果的準確性。

3 基于工頻量的故障測距方法

基于工作頻率的測距技術是一種通過測量到的工頻故障電壓、電流流量以及線路故障距離與電壓、電流變化之間的數學關系來確定其故障位置的一種新測距方法[3]。根據工作頻率的不同，采用單端和多端兩種方式進行故障定位。

3.1 單端法故障測距

單端檢測是指當設備出現故障時，根據電壓、電流等參數的變化，判斷出線路的阻抗，以實現對故障點進行檢測和識別。基于單端故障定位原理，本文介紹了實時對稱分量法、傅里葉變換法、零序電流相位修正法、零序電流修正法以及解二次方程法等多種測距技術。

單端故障定位技術由于不受通信技術限制，具有較好的理論分析和較好的物理含義，因此被廣泛用于國內外高壓線路的故障定位，但在實踐中存在著一定的缺陷，即無法保證測量的準確率，導致單端測量的精度不能得到保證。當導線與其他介質發生接觸時，所產生的過渡電阻將達到數百歐姆，嚴重影響了測量的準確性。在進行單端故障定位時，必須先了解對端系統的阻抗參數，由于對端的阻抗參數經常發生變化，如果使用預先估計的參數來進行計算，則必然會產生誤差[4]。當線路出現故障時，分布電容中的電流會有較大的改變，且這種改變無法控制，如果不能合理地計算出分布電容的電流，就會產生一定的誤差。

3.2 多端法故障測距

多端法故障測距就是為了解決單端法測距誤差的問題，它的數學公式是確定的、冗余的，可以實現精確定位。但是由于多端法在不同側面上的信號采集不能同時精確地進行，因此目前還處在理論上。隨著全球定位系統（Global Positioning System，GPS）技術在民用領域的廣泛應用，為多端法測距提供了技術依據，可以確保數據的同步。目前，在GPS技術和計算機技術的基礎上，多終端測距技術已在實際應用中取得了很好的效果。多端測距技術有兩種，一是基于多端同步，二是基于多端非同步。采用同步采樣數據的方法雖然簡單，但是需要GPS技術和計算機技術的支持，可以精確地測量出故障點[5]。在不同步的情況下，采用非同步的方法進行故障定位，對數據的同步性要求不高，但是對硬件系統的要求很高。盡管多端法測距技術可以達到精確測距，但其硬件建設成本高，難以推廣和使用。

4 高壓架空輸電線路的時域測距法

高壓架空輸電線路的時域測距法是利用時域微分方程建立線路模型，實現對線路的故障定位。由于時域法可以同時對任何一段數據進行測量，因而有較強的實用價值，成為今后高壓輸電系統發展的一個趨勢。當前，常見的測距技術包括單回線時域測距、雙回線耦合時域測距以及直流輸電線路時域測距等，采用電感、電容、電阻等作為識別參數，利用導線上的電感、電容、電阻以及電荷量等獲得電壓分布，并對其進行分析。直流輸電線路的時域測距技術是根據兩端電壓和電流的大小計算出各個端子的電壓分布，并根據故障點的電壓分布對其進行定位。

5 高壓架空輸電線路的行波測距法

行波測距是高壓架空輸電線路的常規測量手段，利用行波傳輸的基本原理，通過電子、計算機、通信等技術準確確定由故障產生的行波、電流行波信號。雖然20世紀40年代就出現了行波測距法，但在實踐中仍然存在著許多問題。首先，在距離檢測端較近的情況下，行波測距方法無法很好地識別故障。其次，行波設備具有一定的時延分布，從而極大地影響了系統的定位精度[6]。另外，由于地面電阻、架空線路布置、天氣等因素的影響，在傳輸線路中的行波率會有不同程度的變化，這會對測量的準確性造成不利的影響。為保證測量的精確度，需要在較大的范圍內實現微秒同步，這就需要在特定的區域進行精確的測量。

5.1 行波波頭的識別

傳統的行波波頭探測技術包括導數法、相關法、匹配濾波法等，但由于其局限性，尤其是單端行波法的故障點反射波難以探測和識別，使得行波波頭的測距精度受到了很大影響。此外，由于行波信號中存在著大量的噪聲，因此不能很好地捕獲。

5.2 行波法存在的問題

5.2.1 線路兩端非線性元件的動態時延

電流互感器是一種用來抽取電流行波信號的耦合裝置，其二次側的時間常數一般在100 μs左右，但是由于鐵芯飽和和殘余磁場的存在，會使變壓器的動態延時增大，無論有無接觸，啟動裝置均有一定的分配時滯。新的B型測距方法中，1 μs的誤差最大可達到300 m，而由于耦合、起動等非線性因素，導致了離散動態延遲對測量精度的影響，至今還沒有定量分析。

5.2.2 參數的頻變和波速的影響因素

在對參數的頻譜特征進行分析時，低質量的混滲層是非均一的，而相模變換陣、特性阻抗、衰減常數以及波速等參數都是非線性的。波速是測量線路行波間距的重要參數，但它的計算與地面電阻、架空線路布置等有很大關系。由于高壓線路的地質情況比較復雜，在不同的地層中，電阻率ρ的取值存在一定的差別，而且與氣候關系密切。在輸電線中，70%～90%的故障都是由地模成分引起的，頻率變化會極大地影響到地面模波的速度。目前，在地模波測距中，還沒有選擇波速的問題，另外在架空接地中，高頻成分的衰減與失真很少被考慮。然而由于頻譜的變化以及波速的不確定性，使得其測量精度受到了很大的限制。利用GPS對終端或多個終端進行同步，可使B級定位裝置的精度達到1 μs。

6 高壓架空輸電線路的智能化測距法

隨著電力系統的發展，為了實現電力系統的智能化故障定位，測距法在電力系統中的應用越來越廣泛。在借鑒其他領域先進技術的基礎上，國內外有關學者經過多年的研究開發出了許多新的技術，如神經網絡、紅外、卡爾曼濾波、模式識別以及光纖測距等。人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）技術是利用電網電壓、電流的基頻成分作為輸入信號，實現對線路故障類型的判定和定位。但是在電網發生故障后，由于對端系統的等值阻抗、對端系統等值電位的變化、近端系統等值阻抗、等值電位變化、故障距離、故障過渡電阻變化等因素的影響，會造成大量的采樣量，從而導致訓練不能收斂。

7 故障測距方法比較及應用趨勢分析

目前，高壓架空電線的故障定位方法主要是采用微分方程進行時域分析。（1）通過利用電感、電容、電阻等參數以及線路兩側的電量求出線路上的電壓分布，從而達到對故障距離的檢測，精確定位高壓架空輸電線路的故障部位，提高故障診斷的效率，使線路盡早恢復正常工作。（2）計算機編程技術、智能自動化技術以及通信技術的發展為高壓線路的故障診斷提供了技術保障和支撐。例如，使用ANN技術可以將下路電壓和電流分量作為神經網絡輸入，從而確定故障的位置和類型。另外，該專家系統還可以通過已有的數據庫和各種監控設備采集到的電力數據進行故障類型的判斷，為今后的輸電線路故障分析和診斷提供了參考。而且智能技術是應用在未來輸電線路中的一項重要技術，可以針對不同的線路進行自動報警，從而達到提前排除線路故障的目的。

8 結 論

總之，隨著工業的迅猛發展，電能得到了廣泛的應用，高壓架空線則是一種重要的電力供應方式。由于輸電線路的故障，往往會造成電力系統無法正常工作，從而造成嚴重的電力損耗。因此，文章從實際出發，分析了架空輸電線路的故障定位技術，并指出造成故障的主要原因，同時還分析了高壓輸電線路故障定位技術在今后的發展方向，以期為今后在輸電線路故障定位和故障診斷中的應用提供借鑒。