特高壓直流輸電線路改進(jìn)雙端行波故障定位法的研究

摘要：中國電力行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，在特高壓輸電技術(shù)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)全球領(lǐng)先?？焖?、準(zhǔn)確地定位特高壓直流輸電系統(tǒng)線路故障，能夠保障直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時縮短故障處理時間。為了提升特高壓直流輸電線路故障定位的準(zhǔn)確性，首先介紹了行波原理，其次提出了改進(jìn)雙端行波故障定位法，最后對該方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)的雙端行波法在實(shí)際應(yīng)用中能夠得到非常準(zhǔn)確的故障測距結(jié)果。

關(guān)鍵詞：線路故障定位；雙端行波故障定位法；特高壓直流輸電系統(tǒng)

中圖分類號：TM723 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

特高壓輸電系統(tǒng)憑借自身卓越的性能獲得了廣泛應(yīng)用，其既能顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，又能提升社會效益。但是，在實(shí)際輸電工作時，輸電線路將面臨復(fù)雜多變的氣候和環(huán)境條件，這些因素會增加其出現(xiàn)故障的概率。當(dāng)故障出現(xiàn)后，若使用人工排查故障的方式需要投入較多的人力、時間，且會增加電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險。因此，需要一種更加高效、科學(xué)的方式進(jìn)行故障排查?；诖?，本文研究了特高壓直流輸電線路改進(jìn)雙端行波故障定位的方法，采用文獻(xiàn)研究法和數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行分析，旨在提供更具系統(tǒng)性的研究成果。

1 行波原理

特高壓直流輸電線路出現(xiàn)故障時，故障點(diǎn)會瞬間產(chǎn)生包含故障信息的暫態(tài)行波信號，該信號會沿著線路向兩端迅速傳播，其傳播速度接近光速，通?？蛇_(dá)到每微秒數(shù)百米至數(shù)千米，能迅速將故障信息傳遞至線路兩端。在傳播過程中，行波信號會受到多種因素的影響[1]。線路的電氣參數(shù)，如電感、電容、電阻等，均會改變行波的傳播特性（包括波速、波形等）。不同的故障類型的行波信號在幅值、頻率等方面存在差異。此外，過渡電阻的存在也會對行波信號產(chǎn)生影響，它會改變行波信號的幅值和波頭陡度等特性。通過對行波信號進(jìn)行采集和分析，可以提取出故障點(diǎn)的位置信息。雙端行波法利用安裝在特高壓直流輸電線路兩端的高精度傳感器來采集行波信號，并準(zhǔn)確地記錄行波到達(dá)故障點(diǎn)的時間和波形特征[2]。然后，通過比較兩端行波信號到達(dá)的時間差，結(jié)合行波的傳播速度，可以計算出故障點(diǎn)距離兩端的距離。

利用該方法能夠在短時間內(nèi)完成對故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，從而為特高壓直流輸電線路的故障處理工作提供有力支持[3]。此外，還可以利用行波的反射特性和折射特性進(jìn)一步提高故障定位的精度。例如，通過分析行波信號在故障點(diǎn)、母線及其他波阻抗不連續(xù)點(diǎn)之間產(chǎn)生的多次反射特征和可能的折射現(xiàn)象，可以顯著提高對故障點(diǎn)位置的定位精度。行波的折反射原理如圖1所示。其中，u1f為反射波，u2q為折射波，u1q為入射波，A為輸電線路波阻抗的突變點(diǎn)，Z1與Z2分別為兩種介質(zhì)的波阻抗，影響波的傳播特性，B與C分別為兩個不同介質(zhì)的邊界或界面。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A處的波阻抗完成從Z1到Z2的轉(zhuǎn)變時，電壓行波的折射、反射系數(shù)的計算公式如下：

式中，αA為折射系數(shù)，βA為反射系數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，還需要借助高精度的時間同步技術(shù)以確保兩端傳感器記錄的時間準(zhǔn)確無誤，從而提高故障定位的精度。通過多種技術(shù)手段的綜合運(yùn)用，可以快速、準(zhǔn)確地定位特高壓直流輸電線路的故障點(diǎn)，保障電力系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

2 改進(jìn)雙端行波法的方案

圖2為行波折反射網(wǎng)絡(luò)，M和N是安裝在線路兩端總線上的高頻傳感器，F(xiàn)為故障點(diǎn)位置，位于線路區(qū)間內(nèi)，M與N之間的線路總長度為L。設(shè)t0為故障初始時刻，tm1與tn1分別表示故障產(chǎn)生的暫態(tài)行波首次到達(dá)M和N的時刻[5]。tm3與tn3對應(yīng)暫態(tài)波在母線端與故障點(diǎn)間經(jīng)歷兩次全反射后返回各自母線的二次反射時間。時間參數(shù)tm2與tn2表征暫態(tài)波在對端母線反射后，經(jīng)故障點(diǎn)透射折返至本端母線的波抵達(dá)時刻。傳輸過程中的行波速度為V，XM和XN分別為故障點(diǎn)到檢測點(diǎn)的兩段距離。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時，位于線路兩端的高頻傳感器M、N能夠捕獲3種不同的行波信號：一是故障點(diǎn)直接向監(jiān)測位置傳播的初始行波；二是經(jīng)由母線反射并在故障點(diǎn)發(fā)生二次反射的后續(xù)行波；三是通過對側(cè)母線反射后，再經(jīng)故障點(diǎn)折射最終抵達(dá)同側(cè)母線的復(fù)合行波信號[6]。在實(shí)際操作中，故障初始行波傳輸?shù)絻啥怂钑r間的計算公式如下：

根據(jù)式（2）可知，波速與線路長度是影響初始行波到達(dá)兩端時間的重要參數(shù)。在固定的波速和線路長度條件下，時間總和為一定值，并不會影響故障的具體位置，故障距離的計算公式如下：

優(yōu)先采用鄰近故障位置的檢測端所捕獲的二次反射波信號，即故障點(diǎn)回波作為修正基準(zhǔn)，對初步測距數(shù)據(jù)進(jìn)行精度校準(zhǔn)。根據(jù)線路兩端監(jiān)測裝置獲取的故障初始行波抵達(dá)時刻，將故障線路劃分為兩個區(qū)段[7]。若所得結(jié)果為tm1＜tn1，則判定故障位于線路前段；反之，當(dāng)tm1＞tn1時，故障則處于線路后段。假設(shè)故障發(fā)生于線路前段區(qū)域，設(shè)修正波波峰抵達(dá)M監(jiān)測點(diǎn)的時刻為，則故障時間的計算公式如下：

修正后的行波實(shí)時波速計算公式如下：

代入實(shí)時波速和故障發(fā)生時間后，校正后的故障距離計算公式如下：

當(dāng)故障發(fā)生在輸電線的后段時，改進(jìn)雙端行消故障定位法可以推導(dǎo)故障距離，其計算公式如下：

3 仿真驗(yàn)證

為了證明本文所提出的改進(jìn)雙端行波故障定位法的科學(xué)性和有效性，開展了仿真分析工作。在仿真分析過程中，選用了某地±1 000 kV特高壓直流輸電線路作為研究對象，該特高壓直流輸電模型采用雙極運(yùn)行方式，整個系統(tǒng)中配置的逆變裝置和整流裝置均為兩套；使用架空線路的方式連接逆變站與整流站，架空線長度為300 km，計算后發(fā)現(xiàn)其行波波速為2.82×108 m/s。

3.1 常規(guī)雙端行波法和改進(jìn)雙端行波故障定位法有效性的對比

選擇常規(guī)雙端行波法和本文的改進(jìn)雙端行波故障定位法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，在對比過程中，確定線路長度為300 km以及故障點(diǎn)過渡電阻為50 Ω。最終得出以下結(jié)論：針對雙極短路問題和單極接地問題，本文提出的改進(jìn)雙端行波故障定位法均能更為精準(zhǔn)地確認(rèn)故障位置。例如，當(dāng)遭遇雙極短路情況時，假設(shè)XN、XM的實(shí)際距離分別為50 km、

250 km，通過常規(guī)雙端行波法計算得出的XM為251.53 km，相對誤差為0.61%。而改進(jìn)雙端行波故障定位法計算得出XM為250.43 km，此時相對誤差僅為0.17%。當(dāng)遇到單極接地情況時，假設(shè)XN、XM的真實(shí)距離分別為50 km、250 km，通過常規(guī)雙端行波故障定位法計算得出XM為251.78 km，相對誤差為0.71%；而改進(jìn)雙端行波故障定位法計算得出XM為250.10 km，此時的相對誤差僅為0.04%。由此可知，針對上述兩種情況，改進(jìn)雙端行波故障定位法的相對誤差均較小。

3.2 利用反射波定位的有效性驗(yàn)證

針對單極接地故障這一工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置故障點(diǎn)的過渡電阻為50 Ω，改變故障發(fā)生位置，當(dāng)tn1大于tm1時，使用式（6）和式（7）計算故障距離。表1為單極接地情況下，常規(guī)雙端行波法和改進(jìn)雙端行消故障定位法得到的測距結(jié)果。

根據(jù)表1的結(jié)果可知，當(dāng)使用式（6）計算故障距離時，其最大相對誤差和最小相對誤差分別為0.89%、0.55%；而使用式（7）計算故障距離時，其最大相對誤差和最小相對誤差分別為0.23%、0.04%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，按照輸電線前后兩段情況計算故障距離，能夠提高計算結(jié)果的精度[8]。

3.3 近區(qū)故障和過渡電阻的影響

針對單極接地故障進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置故障點(diǎn)過渡電阻為50 Ω，使用本文提出的改進(jìn)雙端行波故障定位法，進(jìn)行輸電線路近區(qū)故障距離的測量工作，最終結(jié)果如表2所示。

由表2可知，采用改進(jìn)雙端行波故障定位法測量近區(qū)故障距離時，其最大相對誤差為1.05 km，因此無須進(jìn)行改動，此時XM的實(shí)際距離為8 km；最小相對誤差為0.03 km，此時XM的實(shí)際距離為

16 km。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)雙端行波故障定位法在測量近區(qū)故障距離方面具有較高的精度。

為了分析過渡電阻對測量精度的影響，在故障點(diǎn)分別設(shè)置了200 Ω、100 Ω、50 Ω 3種過渡電阻，并采用改進(jìn)雙端行波故障定位法對單極接地故障距離進(jìn)行測量，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，如表3所示。

由表3可知，在故障點(diǎn)設(shè)置電阻值為200 Ω的過渡電阻，且XM為75 km時，采用改進(jìn)雙端行波故障定位法進(jìn)行測量，測距最大相對誤差為0.59%；在故障點(diǎn)設(shè)置電阻值為100 Ω的過渡電阻，且XM為50 km時，測距最大相對誤差為0.58%；在故障點(diǎn)設(shè)置電阻值為50 Ω的過渡電阻，且XM為250 km時，測距最大相對誤差為0.23%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)雙端行波故障定位法在不同規(guī)格過渡電阻條件下，均具有較高的測量精度。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了適用于特高壓直流輸電線路故障定位的改進(jìn)雙端行波故障定位法，并開展了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，提出的改進(jìn)雙端行波故障定位法在實(shí)際應(yīng)用中能夠獲取精準(zhǔn)的故障測距結(jié)果，其在多種過渡電阻和不同類型的故障情況下，均展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果，并且也能較好地應(yīng)用于近區(qū)故障的定位。

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