110kV輸電線路接地故障定位技術(shù)研究

特變電工昭和（山東）電纜附件有限公司 劉 彬 王 振

110kV 輸電線路是電網(wǎng)中的重要組成部分，其穩(wěn)定運(yùn)行對于保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。然而，在運(yùn)行過程中，由于各種原因，可能會發(fā)生接地故障，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的危害。因此，對110kV 輸電線路接地故障進(jìn)行定位技術(shù)研究具有重要的意義。

1 110kV 輸電線路接地故障的概念及其危害

110kV 輸電線路接地故障是指線路中出現(xiàn)了意外接地現(xiàn)象，導(dǎo)致電流通過接地點(diǎn)流回地面，從而導(dǎo)致線路出現(xiàn)故障。這種故障可能會引起線路過載、設(shè)備損壞、電力系統(tǒng)頻率偏差、電壓不穩(wěn)定等一系列問題，對電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。此外，接地故障還可能引起觸電事故，威脅人身安全。因此，及時發(fā)現(xiàn)和定位接地故障，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。

2 110kV 輸電線路接地故障原因分析

接地故障的原因多種多樣，常見的原因有以下幾種。一是絕緣老化或破損。線路絕緣老化或破損是導(dǎo)致接地故障的主要原因之一。在使用過程中，線路絕緣材料會逐漸老化，變得脆弱。如果長期處于高溫、高濕等環(huán)境中，絕緣材料會更加容易老化。此外，線路上的動物、植物等也可能導(dǎo)致絕緣材料破損，造成接地故障[2]。

二是電氣設(shè)備故障。線路上的電氣設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等，如果發(fā)生故障，會導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。例如，變壓器繞組出現(xiàn)短路，會導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。

三是外界因素。外界因素也是導(dǎo)致接地故障的重要原因之一。例如，雷擊、污閃、桿塔倒塌等自然災(zāi)害，以及施工人員誤操作等人為因素都有可能導(dǎo)致接地故障。

四是設(shè)計(jì)缺陷。線路設(shè)計(jì)的缺陷也可能導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。例如，線路接地電阻過大，接地方式不合理等設(shè)計(jì)問題都可能導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。

在110kV 輸電線路中，接地故障是比較常見的一種故障類型，因此需要采用有效的技術(shù)手段進(jìn)行定位和處理。同時，在實(shí)際運(yùn)行過程中，要盡可能地避免以上原因的影響，做好線路的維護(hù)和管理，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患。此外，可以采取一些措施來預(yù)防接地故障的發(fā)生，例如加強(qiáng)絕緣檢測、加裝接地保護(hù)器、設(shè)置接地巡視制度等。

3 輸電線路接地故障定位技術(shù)分析

3.1 常用接地故障定位技術(shù)

常用接地故障定位技術(shù)包括行波測距法、阻抗法等，這些方法廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的接地故障定位[3]。

3.1.1 行波測距法

行波理論。輸電線路發(fā)生故障后，故障點(diǎn)會產(chǎn)生電壓和電流的瞬間突變，形成電壓和電流暫態(tài)分量，這些暫態(tài)分量會以接近光速的速度向輸電線路的兩側(cè)傳播，形成暫態(tài)行波。為了建立該行波的數(shù)學(xué)模型，可以將單根導(dǎo)線看作等效電路，以導(dǎo)線微元的角度分析電路。當(dāng)電壓源接通到輸電線路上時，靠近電壓源的線路分步電容會立即充電，并通過線路分布電感向相鄰的分布電容充電，而線路上遠(yuǎn)處的電容則需要經(jīng)過一段時間才能充上一定量的電荷，并向更遠(yuǎn)的電容放電。逐漸地，電容依次充電，線路沿線逐漸建立電場并形成電壓，即存在電壓行波以一定的速度沿線路方向傳播[4]。

同時，隨著電流在導(dǎo)線周圍空間建立磁場，因此也會形成電流行波以同樣的速度沿導(dǎo)線方向傳播。在線路電容的充放電過程中，電感中儲存的能量隨著電流的變化而發(fā)生變化，從而形成了電流的暫態(tài)分量，即電流行波。行波理論認(rèn)為，由于行波在傳輸過程中不會發(fā)生能量損耗和波形失真，因此在行波信號分析中可以采用非常簡單的傳輸線模型來描述輸電線路。

單雙端行波測距。單端行波法的基本原理是通過向線路發(fā)送一個短時脈沖信號，并測量故障點(diǎn)和信號發(fā)射點(diǎn)之間信號傳輸?shù)臅r間來確定故障點(diǎn)位置。具體步驟包括發(fā)射脈沖信號、測量脈沖在線路中的傳播時間以及計(jì)算故障點(diǎn)位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在線路上實(shí)現(xiàn)故障定位，而且只需要在信號發(fā)射端附近安裝傳感器。

雙端行波法則需要在線路兩端安裝傳感器。該方法通過同時向線路兩端發(fā)送脈沖信號并測量信號在線路中的傳播時間來計(jì)算故障點(diǎn)位置，具有使用現(xiàn)有線路設(shè)備進(jìn)行定位和減少定位誤差的優(yōu)點(diǎn)。然而，為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要保證兩端脈沖信號發(fā)射時間的完全同步，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以消除噪聲和干擾。因此，在實(shí)際工作中，需要使用同步通信技術(shù)來保證信號同步性，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確保定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 雙端行波原理圖

相較于單端行波法，雙端行波法具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，可以利用現(xiàn)有的線路設(shè)備進(jìn)行定位，無須額外安裝傳感器；其次，由于雙端測量可以減少誤差，因此定位的準(zhǔn)確度更高。同時，雙端行波法還可以消除傳感器的安裝誤差，避免測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

3.1.2 阻抗法

阻抗法利用線路在發(fā)生接地故障后的電氣參數(shù)變化來確定故障位置。該方法基于故障時線路上的電壓、電流、阻抗等物理量的測量，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，通過阻抗比值的變化確定故障點(diǎn)的位置。具體步驟包括：測量線路上的電壓和電流信號、計(jì)算線路的阻抗值、通過測量的阻抗值比較判斷故障點(diǎn)位置。阻抗法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度較高，不需要對線路進(jìn)行任何改動和干擾，但需要對線路進(jìn)行在線測量。

綜上所述，單雙端行波測距法和阻抗法雖然在電力系統(tǒng)接地故障定位中具有一定的應(yīng)用價值，但是也存在一些缺點(diǎn)。單雙端行波測距法需要在故障發(fā)生時才能進(jìn)行測距，因此其實(shí)時性受到一定限制。此外，該方法需要在不同位置安裝行波傳感器，并且需要對傳感器的位置進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，這會增加測量的復(fù)雜度和成本。阻抗法雖然具有較高的定位精度和穩(wěn)定性，但是需要對線路進(jìn)行精確的參數(shù)測量，并且需要對線路的等效電路模型進(jìn)行準(zhǔn)確建立，這對實(shí)際應(yīng)用帶來了一定的難度和限制。此外，阻抗法對故障點(diǎn)的距離也存在一定的限制，不能精確定位遠(yuǎn)離測量點(diǎn)的故障點(diǎn)。

3.2 基于小波變換的行波測距法

小波理論的迅速發(fā)展使得小波變換成為行波波頭分析中最為有效的方法之一。小波變換具有嚴(yán)密、堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并且擁有獨(dú)特的多分辨率分析思想和優(yōu)秀的時頻局部變換奇異分析功能。在行波波頭檢測方面，小波變換表現(xiàn)出良好的效果。

3.2.1 小波變換理論

小波變換是一種時頻分析方法，可將信號分解成不同的頻率和時間分辨率的小波基函數(shù)。通過對信號進(jìn)行小波分解和重構(gòu)，可以在不同時間和頻率上分析信號的特征和局部細(xì)節(jié)。在故障檢測和定位中，小波變換可以應(yīng)用于分解和重構(gòu)故障行波信號，以精確識別檢測出信號奇異點(diǎn)的位置，并結(jié)合行波測距算法進(jìn)行故障定位。小波變換可以通過時域分析法和頻域分析法來實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 基于小波變換的行波測距

基于小波變換的行波測距是利用小波分析技術(shù)對電力系統(tǒng)中行波信號進(jìn)行處理和提取的方法，可以實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)的快速定位。該方法的核心思想是將小波變換應(yīng)用于行波信號的處理，通過小波變換將原始行波信號分解為多個子帶，提取出不同頻率范圍內(nèi)的信號特征，并且可以通過小波重構(gòu)技術(shù)恢復(fù)原始信號?；谛〔ㄗ儞Q的行波測距法通常包括以下步驟。

采集行波信號。在故障發(fā)生時，通過安裝在輸電線路兩端的傳感器采集行波信號，并將信號傳輸?shù)奖O(jiān)測中心進(jìn)行處理。

小波分解。通過小波分解，原始信號被分解成多個子帶，每個子帶包含不同頻率的信號成分。在行波測距中，主要關(guān)注高頻子帶，因?yàn)楣收闲胁ㄊ且环N高頻信號。因此，可以選擇一個高通小波濾波器，將原始信號分解成多個子帶，然后保留高頻子帶，對其進(jìn)行重構(gòu)，得到一組濾波后的信號。

行波重構(gòu)。行波重構(gòu)是通過小波反變換將分解后的行波信號子帶進(jìn)行合成，以得到原始行波信號的過程。具體來說，行波信號首先進(jìn)行小波分解，得到多個尺度和不同頻率范圍內(nèi)的小波系數(shù)，然后通過小波反變換，將這些小波系數(shù)合成為原始行波信號。在行波重構(gòu)的過程中，可以選擇不同的小波基函數(shù)來重構(gòu)信號。

小波分解和重構(gòu)可以使用離散小波變換（DWT）或連續(xù)小波變換（CWT）實(shí)現(xiàn)。DWT 使用不同尺度和位置的小波基函數(shù)，將信號分解為多個頻帶，其中高頻細(xì)節(jié)部分和低頻近似部分可以被進(jìn)一步分解。CWT 使用可變尺度的小波基函數(shù)，分解出的頻帶寬度隨尺度變化而變化。

時域分析法的小波變換公式如下：

其中，x（t）為原始信號，a 和b 分別表示尺度伸縮參數(shù)和平移參數(shù)，φ＊（t）為小波基函數(shù)的共軛。

頻域分析法的小波變換公式可以通過傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)，具體可以采用以下公式：

其中，φ＊（t）表示小波函數(shù)的共軛，ω 是傅里葉變換的頻率變量，a 是尺度參數(shù)，b 是位移參數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)和分解層數(shù)來實(shí)現(xiàn)信號的有效分解和重構(gòu)。常用的小波基函數(shù)包括Daubechies 小波、Haar 小波、Symlet 小波等。

圖2 常用的幾種小波

奇異點(diǎn)檢測。在行波信號重構(gòu)完成后，需要進(jìn)一步對信號進(jìn)行分析和處理，以便準(zhǔn)確檢測出信號中的奇異點(diǎn)。常用的方法包括一階差分法、二階差分法和三階差分法等。這些方法通過對重構(gòu)信號的微分來檢測信號中的奇異點(diǎn)，即信號波形發(fā)生了突變的位置。在確定奇異點(diǎn)的位置后，可以通過結(jié)合行波測距算法來快速定位故障點(diǎn)。

總之，基于小波變換的行波測距法相對于傳統(tǒng)的行波測距法和阻抗法具有多個優(yōu)勢。首先，小波變換的多分辨率分析思想和良好的時頻局部變換奇異分析功能能夠提取信號的高頻部分，從而更容易檢測行波波頭。其次，小波變換具有壓縮性，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)量，從而能夠更快速地開展信號處理。最后，小波變換具有較好的抗噪性能，能夠有效地去除信號中的噪聲，提高定位精度。

4 結(jié)語

110kV 輸電線路接地故障定位技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，其中行波測距法、阻抗法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，基于小波變換的行波測距法也成為研究的熱點(diǎn)[5]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，110kV 輸電線路接地故障定位技術(shù)的精度和效率將得到進(jìn)一步提高，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的保障。