110kV變電保護器的故障錄波分析與事件定位技術研究

國網鹽城供電公司 唐華青 國網南京供電公司 耿明昊

110kV 變電站作為電力系統中的重要節(jié)點，其運行的可靠性直接關系到整個電網的穩(wěn)定性。變電保護器的故障錄波功能是確保電力系統安全運行的關鍵技術之一，能夠在故障發(fā)生時記錄關鍵的運行數據，為故障分析和處理提供依據。然而在實際運行中故障錄波裝置往往因各種因素，如設備性能、外部環(huán)境影響等，記錄到的數據可能存在不準確或不完整的問題，都會給故障的準確分析與快速定位帶來挑戰(zhàn)，進而影響到故障恢復的效率和電網的安全穩(wěn)定運行。因此，如何通過技術手段提升變電保護器故障錄波的質量，成為電力系統運維管理的一個重要課題。本文以本單位為例，對110kV 變電保護器的故障錄波分析與事件定位技術進行研究。

1 110kV 變電保護器故障錄波分析的挑戰(zhàn)與問題識別

1.1 故障錄波現狀分析

本單位110kV 變電站在運行過程中，依賴故障錄波裝置記錄重要的運行數據以監(jiān)測系統狀態(tài)和響應電力系統故障。該裝置能夠捕獲故障瞬間的電壓、電流等參數，為故障分析提供關鍵信息。盡管如此，在近期的運維檢查中，發(fā)現錄波數據在某些情況下出現精度不足或信息丟失的現象。以其中出現的一次線路短路故障為例，本單位記錄的電流波形出現了明顯的異常峰值，理論上該峰值應當與短路電流計算值相符。短路電流的一般計算公式如下：

式中：U額定表示系統的額定電壓，Z系統表示系統阻抗，Z故障表示故障發(fā)生位置到變電站之間電路段的等效阻抗。

在該次故障事件中，本單位記錄到的電流峰值為15kA。在故障發(fā)生前，該段電路處于正常運行狀態(tài)時，實際測量到的Z系統（具體為10Ω）以及Z故障（具體為5Ω）值，代入數據后計算，可以得到I短路的理論電流值為≈6.2kA。

對比實際測量到的I短路電流值（15kA）以及理論層面計算所得的I短路值（約6.2kA）后發(fā)現，二者之間存在較大的差異。而這一顯著差異引起了本單位的高度關注。經過深度分析后，推測導致該差異的可能原因是故障錄波裝置的采樣頻率不足、模擬數字轉換器（ADC）性能不穩(wěn)定或者參數設置不當。為了這個驗證假設，本單位進行了一系列的測試，包括檢查裝置的采樣頻率和ADC 精度。結果發(fā)現錄波裝置的采樣率設置為1kHz，低于行業(yè)標準的2kHz。

綜上所述，本單位面臨的主要挑戰(zhàn)在于提高故障錄波數據的準確性和完整性。通過精確記錄和分析故障時刻的電氣量，才能確保電力系統的可靠性與安全性[1]。因此，迫切需要對現有的故障錄波裝置進行技術升級并優(yōu)化運維流程，以提升故障響應的效率和準確性。

1.2 問題深度剖析

針對上述案例中故障錄波數據準確性的問題，本單位開展了進一步的深度剖析。首先，分析了采樣率不足的影響。理論上，根據奈奎斯特采樣定理，為了無失真地重構一個信號，采樣頻率應至少為信號最高頻率的兩倍。若考慮到電力系統中可能出現的高頻故障瞬態(tài)現象，所需的采樣率應遠高于2kHz。以電力系統中的振蕩頻率為例，若頻率為1kHz，則至少需要2kHz 的采樣率才能準確捕捉。然而本單位的錄波裝置僅有1kHz 的采樣率，即使在理論最低要求的情況下也無法滿足要求。具體計算該系統的奈奎斯特頻率為：

式中：fmax表示信號中的最高頻率成分，如果信號的最高頻率成分為1kHz，則所需的最低采樣率fNyquist 為fNyquist=2×1kHz=2kHz。由該結果可知，采樣率至少應為2kHz。此外ADC 的性能也是影響故障錄波質量的關鍵因素，以本單位使用的12位ADC 為例，其分辨率可通過以下公式計算：

式中：VFSR表示模擬數字轉換器ADC 的滿量程電壓，n是ADC 的位數。對于一個12位的ADC且其滿量程電壓 VFSR 為10V，其分辨率計算結果為：Resolution=10V/212≈0.00244V。在電壓高達110kV 的系統中，這樣的分辨率遠遠不足以準確轉換故障信號，故極其容易導致數據損失和精度問題。

除了硬件性能問題，還需考慮系統阻抗的計算和故障點阻抗的估算對故障錄波數據準確性的影響。系統阻抗Z系統的計算涉及電網的多個組成部分，包括發(fā)電機、變壓器、輸電線路等。每一環(huán)節(jié)的阻抗都需要通過復雜的計算獲得，任何一處的計算偏差都會影響最終結果。例如變壓器阻抗的計算公式為：

式中：Vrated、Irated、Pcu、Prated分別是變壓器的額定電壓、額定電流、銅損和額定功率。任何對這些參數的不精確估計都會影響Z系統的計算準確性，從而影響故障電流的計算。

綜合以上分析可以明確，提升故障錄波數據準確性的挑戰(zhàn)在于硬件性能提升、系統及故障點參數的準確計算和估算。這些因素均需綜合考量和優(yōu)化，以確保故障錄波數據能夠真實反映電力系統的實際運行狀態(tài)[2]。

2 110kV 變電保護器故障錄波數據的解決方案與事件定位技術應用

2.1 解決方案設計

本單位在針對110kV 變電保護器故障錄波數據不準確的問題設計解決方案時，核心目標是提升數據的精確度與可靠性，同時增強故障定位的精度。以下方案圍繞這一目標展開。

2.1.1 提高采樣率

首先，提升故障錄波裝置的采樣率達到2kHz 以上，以滿足奈奎斯特標準。對于電力系統中的高頻瞬態(tài)現象，推薦的采樣率應為信號最高頻率的4至10倍，這樣可以更好地捕獲故障信號并減少混疊的影響。設立信號最高頻率為5kHz，則采樣率應至少為4×5kHz=20kHz。

2.1.2 優(yōu)化ADC 性能

升級現有的12位ADC 至16位或更高位數的ADC，以獲得更高的分辨率。若提升至16位且滿量程電壓不變（假定仍為10V），分辨率將顯著提高。根據上述公式（3），代入計算后，得到具體結果是10V/216≈0.00015V。基于該計算結果完成相應調整后，在高電壓環(huán)境下故障信號能夠被細致地記錄。

2.1.3 提升系統和故障參數計算精度

使用更精確的測量和計算方法來確定系統阻抗和故障點阻抗。例如采用數字雙工濾波器和FFT（快速傅立葉變換）算法來處理信號，以獲取更準確的頻率成分。同時可以利用現場測量和實時監(jiān)測數據來修正系統模型參數，以減小計算過程中的誤差[3]。

2.1.4 事件定位技術的應用

事件定位技術是解決方案的關鍵環(huán)節(jié)。這項技術通過分析故障錄波數據中的行波信息來定位故障點。行波定位法的基本原理是利用故障點產生的行波在電力線路中傳播的時間信息來確定故障位置。故障點到錄波點的距離D 可由下述公式計算：

式中：v表示行波在線路中的傳播速度，Δt表示行波從故障點傳到兩個錄波點的時間差。行波速度v 通常接近光速，即3×108m/s。然而，實際傳播速度還需根據電纜或架空線的具體參數進行修正。時間差Δt可以通過同步的采樣裝置精確測量。為了進一步提高定位精度，本單位采用多端行波定位方法，通過多個測量點的數據交叉驗證來確定故障位置，減少單點測量誤差的影響。此外，融合行波定位和阻抗法的優(yōu)勢，可以進一步提升故障定位的準確性。

在上述案例中，假設兩個測量點間的時間差為2ms，則故障點到錄波點的距離為：D=3×108m/s×2×10-3s=600km。顯然這一結果不符合實際情況，說明需要對測量系統的同步精度和時間分辨率進行優(yōu)化。例如，引入GPS 時鐘同步技術，可以將時間同步精度提升至納秒級別。

綜上所述，解決方案的設計不僅需要提升硬件性能，還要結合先進的數據處理算法和事件定位技術，通過多維度的優(yōu)化和整合，確保故障錄波數據的準確性和可靠性，從而提升整個電力系統的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 原理內容說明

本單位在提出的解決方案中采用了行波故障定位技術，其核心原理是基于故障產生的行波在輸電線路中以一定速度傳播這一物理現象。行波故障定位技術相較于傳統的阻抗法定位具有更高的精度和更快的響應速度，對于寬頻帶的故障信號尤為敏感。當電力系統發(fā)生短路故障時故障點將產生行波，這些行波沿輸電線路以接近光速的速度傳播。本單位利用同步采樣技術，準確記錄了這些行波到達不同故障錄波器的時間。行波速度一般取決于線路的電氣參數，特別是電抗和電容。

總之，本單位設計的故障錄波數據解決方案，通過結合高精度的采樣技術、同步技術以及行波速度的精確測定，實現了對輸電線路故障點的準確定位。本方案不只是技術上的進步，更是對電力系統穩(wěn)定運行和可靠性提供的有力保障[4]。

2.3 實際應用案例與效果評估

本單位在一宗實際的輸電線路故障案例中應用了行波故障定位技術，并進行了詳細的效果評估。在該案例中，一條220kV 輸電線路在運行過程中出現單相接地故障。傳統定位方法得出的故障距離為50km，而經過實地檢查，故障實際位置距離起點為47.5km，誤差達到2.5km。本單位構建行波定位系統后，測得行波傳播時間差Δt為3.2ms。已知行波在輸電線路中的傳播速度v為200,000km/s，因此行波的傳播距離d可以通過以下公式計算得到：D=v×Δt=200,000km/s×0.0032s=640m。由于行波是從兩端同時向中間傳播的，實際故障點距離起點的距離L為（總線路長度-d）/2。在上述案例中，輸電線路總長度為100km，故故障點距離起點的計算距離為：L=2100km-0.64km ≈49.68km。

故障定位誤差為：實際故障距離-計算故障距離，代入計算后得到47.5km-49.68km=2.18km。相較于傳統方法，本單位應用的行波故障定位技術將誤差縮小至2.18km，減少了約32%的定位誤差。此外，定位時間從數小時縮短至數分鐘，極大提高了故障響應效率。總體來看，由于能夠迅速精確地定位故障，減少了對輸電線路的停運時間，最終為電網運營商節(jié)約了大量的運維成本，減少了對用戶的供電中斷影響[5-6]。

綜上所述，本文通過對110kV 變電保護器故障錄波的深入分析，明確了當前在錄波質量提升方面面臨的主要問題，并提出了相應的解決方案。通過實際案例的應用驗證，證實了所提方案能有效提升故障錄波數據的準確性和完整性。這對于提高變電站故障響應速度和處理能力具有重要意義。盡管取得了一定進展，但隨著電力系統的不斷發(fā)展和電網結構的日益復雜，故障錄波分析與事件定位技術仍需不斷創(chuàng)新和完善。未來研究可進一步探索基于人工智能和大數據技術的故障分析方法，以實現更為高效、智能的故障處理和電網管理。