架空輸電線路故障定位技術(shù)研究

楚雄供電局 張必朝

1 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，架空輸電線的分布日益廣泛，但其工作條件受到多種因素的制約，發(fā)生故障的原因比較復(fù)雜。在電網(wǎng)出現(xiàn)短路時(shí)，如何迅速、精確地確定電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)是電網(wǎng)運(yùn)行管理中需要深入研究的一個(gè)重要課題[1]。在實(shí)際工作中，迅速發(fā)現(xiàn)、解決問題是保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的先決條件。由于存在著某些隱性的問題，維護(hù)人員很難在短期之內(nèi)找到問題所在，使維護(hù)人員面臨著繁重的工作負(fù)擔(dān)[2]。

現(xiàn)有的架空輸電線路的故障定位多以行波技術(shù)為主。行波技術(shù)是一種相對(duì)成熟的技術(shù)，利用這種技術(shù)開發(fā)的電力電纜故障診斷技術(shù)已廣泛地用于架空輸電線，從而有效優(yōu)化了線路的故障定位的技術(shù)支撐。

當(dāng)發(fā)生故障行波后，線路的瞬態(tài)行波波形會(huì)逐漸減小，而且監(jiān)控設(shè)備的安裝間距與實(shí)際線路的長度有較大的差異。這是因?yàn)榫€路架在安裝時(shí)，會(huì)有一些弧垂，不同的拉力、不同的地形，都可能會(huì)造成不同的弧垂，而且在不同的季節(jié)、不同的氣溫、不同的天氣，不同的溫度，弧垂也都會(huì)發(fā)生不同的變化[3]。而架空輸電的參數(shù)與地質(zhì)、氣候等因素有關(guān)，在氣候嚴(yán)酷的地方，導(dǎo)線參數(shù)小于規(guī)定的數(shù)值。所以在實(shí)際應(yīng)用中，由于導(dǎo)線的長度和參數(shù)發(fā)生了改變，使定位故障的位置更加困難。

在架空輸電線出現(xiàn)故障的時(shí)候，由于線路的故障部位產(chǎn)生的行波，會(huì)沿著導(dǎo)線向兩側(cè)擴(kuò)展延伸，但由于導(dǎo)線本身的損耗和接觸處，會(huì)使行波波頭產(chǎn)生畸變和衰減，從而造成行波波頭的錯(cuò)誤，使故障的定位更加困難。此外，由于暫態(tài)行波的波速比真空速慢一些，采用真空速進(jìn)行分析，在計(jì)算中如若存在很大的誤差，就可能會(huì)造成位置誤差。

2 故障定位裝置原理分析

本文介紹了基于雙端點(diǎn)定位技術(shù)的分布式故障檢測方法。在架空傳輸線發(fā)生雷擊、外破、鳥害等事故時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)行波，即電壓、電流波，沿著輸電線路的兩端傳輸。

行波檢測方式最初是應(yīng)用于輸電系統(tǒng)的失效位置，而行波定位技術(shù)是在20世紀(jì)四十年代提出的。在相關(guān)的科研工作中，行波信號(hào)的傳播比較穩(wěn)定，但是一旦發(fā)生故障，就會(huì)通過瞬態(tài)行波的傳輸和故障發(fā)生的距離來判斷。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用行波法進(jìn)行故障點(diǎn)的定位，是根據(jù)行波傳輸?shù)脑恚瑢?duì)高壓輸電線進(jìn)行故障定位。在高壓輸電線上，故障行波是由電能來傳輸?shù)模鋫鬏數(shù)念l率與遙測技術(shù)相近。

由此可知，在其傳輸?shù)侥妇€上的過程中，可以根據(jù)信號(hào)的變化來進(jìn)行判斷。在特定的故障點(diǎn)位置技術(shù)中，最基本的是判斷波頭的開始和位置，這能夠?yàn)橄嚓P(guān)的技術(shù)人員帶來了更多的技術(shù)上的支持，尤其是在測量波頭的時(shí)候，相關(guān)的工作人員必須具備較強(qiáng)的技術(shù)素養(yǎng)[4-5]。除此之外，在進(jìn)行特定的故障點(diǎn)分析時(shí)候，由于對(duì)線路的變阻器和振幅進(jìn)行了精確的控制，從而限制了行波頭的位置精度，限制了對(duì)其實(shí)際定位精度的進(jìn)一步提升。

在被測試的兩條線路上各設(shè)置一組監(jiān)控設(shè)備，一旦某一部位出現(xiàn)短路，故障行波會(huì)將該故障信息傳遞給另一端，由監(jiān)控設(shè)備接收到該故障信息后，根據(jù)該設(shè)備所獲取的故障信息進(jìn)行對(duì)比，從而得出該設(shè)備的故障部位。

雙端行波定位如圖1所示。

圖1 雙端行波定位

由圖1 可知，如果一條線路出現(xiàn)了問題，那么該故障的位置將一個(gè)故障的信號(hào)傳送到該線路上，該運(yùn)行信號(hào)需要t1的一個(gè)時(shí)間，該運(yùn)行周期需要t2的一個(gè)周期，一個(gè)故障的位置到一個(gè)監(jiān)控設(shè)備1 的位置是L1，一個(gè)檢測設(shè)備2的位置到一個(gè)監(jiān)控設(shè)備2的位置是L2，兩個(gè)監(jiān)控設(shè)備的間隔是L，得到方程式（1）。

本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)中心和客戶端3 個(gè)模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括取電CT，羅氏線圈電流傳感器，GPS 授時(shí)模塊，采集模塊，4G 通信模塊等部分。在0.5～2000A 之間進(jìn)行行波的測試，頻段在0.5kHz 到1MHz 之間，50MHz 采樣率。

分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成

3 故障定位技術(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)線路長度、故障行波波速、故障行波波頭等因素對(duì)架空線路故障進(jìn)行了故障診斷。假定架空傳輸線的理論長度是L，而實(shí)際上是αL，而α是與弧垂、波速、波頭有關(guān)的校正參數(shù)，如果在傳輸線某個(gè)地方出現(xiàn)了問題，那么，如果斷開位置與監(jiān)控設(shè)備1之間的間隔是x，那么這個(gè)問題與監(jiān)控設(shè)備2之間的間距是αL-x。

帶誤差模型雙端定位原理如3所示。

若故障瞬變行波的真實(shí)波速為v0，則從產(chǎn)生的地點(diǎn)至監(jiān)控設(shè)備1 的故障行波所需要的時(shí)間間隔t1=x/v0。

當(dāng)故障的行波在發(fā)射期間會(huì)產(chǎn)生某種衰減，使t'1-t'2=t1-t2+Δt，Δt所表示的是兩個(gè)監(jiān)測裝置采樣故障行波之間的具體差值。

假定故障行波的理論速度是v，則故障地點(diǎn)與監(jiān)控設(shè)備1的真實(shí)距x'如式（2）所示。

由公式（3）可知：△x 為故障和監(jiān)控設(shè)備1 之間的真實(shí)距離與故障和監(jiān)控設(shè)備1 之間的理論間距差異。

因此，線路的故障位置與線路長度、波速、波頭的衰減密切相關(guān)。

3.1 線路長度的影響

假設(shè)架空輸電線路的弧垂等高，則塔間間距為l，導(dǎo)線的長度則等于塔柱間距的α，α>1，監(jiān)控設(shè)備間的間距L，則傳輸線的長度為：

（Ll）×αl=αL。

在故障線波波頭不受阻尼的情況下，真實(shí)的故障位置與監(jiān)控設(shè)備1之間的距離x'，為式（4）：

所以由式（4）可知，由于線路長度引起的定位誤差為式（5）：

因此，若獲得了修正系數(shù)α，則導(dǎo)線的故障位置與導(dǎo)線的路徑長度相關(guān)，且隨著導(dǎo)線間距的增加，其定位精度也會(huì)降低。

3.2 波頭衰減效應(yīng)研究

由于監(jiān)控設(shè)備對(duì)故障行波進(jìn)行采集的核心是波頭，而當(dāng)瞬時(shí)故障行波通過終端傳遞時(shí)，行波波頭振幅減小，波頭速度減慢，若監(jiān)控設(shè)備所獲取的行波信號(hào)延時(shí)為1μs，則造成的位置偏差為300m左右。

所以，必須改進(jìn)監(jiān)控設(shè)備的取樣準(zhǔn)確率，以減少長距離傳輸時(shí)的行波干擾。檢測裝置之間的距離也需要縮短，在特定的情況下，可以在架空輸電線路內(nèi)多加設(shè)一些監(jiān)測裝置。

3.3 波速的影響

輸電線路中的故障行波速度與光速C 相比較要低，是0.936～0.987C。如果導(dǎo)線的長度正確，而行波波頭不會(huì)衰減，則由圖3 可知，在導(dǎo)線故障時(shí)，故障點(diǎn)與監(jiān)控設(shè)備1 的理論間距為式（6）：

圖3 帶誤差模型雙端定位原理

在式（6）中，理論波速度為v，真實(shí)波速度為v0。因此，對(duì)理論波速度與實(shí)際速度的位置偏差為式（7）。

因而，若已知行波波速度，則對(duì)故障點(diǎn)的定位精度產(chǎn)生一定的誤差。在測量設(shè)備間距的同時(shí)，隨著測量儀器的理論速度和實(shí)測速度的變化關(guān)系，對(duì)設(shè)備的故障位置進(jìn)行了精確的分析。當(dāng)線路速度相同時(shí)，設(shè)備間距增大，則故障位置精度降低。若在線中部出現(xiàn)故障，則無錯(cuò)誤的定位，且距中心線距離愈近，則定位精度愈差。在線波速度測試中，一般都會(huì)使用在線波速度的檢測方法，這樣可以減小波速度、線長等因素的干擾，從而改善故障的位置。

4 結(jié)語

本文分析了線路長度、波頭、波速等因素對(duì)線路故障定位的作用，提出了一種基于線路長度、波頭和波速的檢測方法，監(jiān)測裝置之間距離與線路相比較要小，能夠?qū)崿F(xiàn)在線波速測量，提高定位的精準(zhǔn)度，避免出現(xiàn)誤差。在架空傳輸線故障的情況下，隨著故障位置與監(jiān)控設(shè)備的接近，其故障位置的精度也相應(yīng)提高。通過在線檢測波速度，可以更好地改善故障的位置精度。如果不能利用波速法對(duì)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，將會(huì)導(dǎo)致線路的故障位置出現(xiàn)偏差。隨著理論波速度與實(shí)測波速度的關(guān)系，故障位置精度較高。