短路故障在線監測裝置在輸電線路中的應用＊

岳靈平,俞 強

（湖州電力局,浙江 湖州 313000）

短路故障在線監測裝置在輸電線路中的應用＊

岳靈平,俞 強

（湖州電力局,浙江 湖州 313000）

輸電線路由于線路長、地形復雜,在運行維護過程中往往由多個運行單位共同維護管理.在線路發生短路故障后,雖然線路裝有故障錄波器及故障判斷裝置,但還是經常因線路故障所屬區段劃分不清使事故區段不能及時準確地確定,給排除線路故障帶來很大的困難.

輸電線路;短路故障;短路電流

輸電線路在運行中受天氣、環境、外力及絕緣老化等因素影響出現的短路故障常有發生,因此準確測出故障點位置,對消除高壓線路隱患,盡快恢復供電至關重要.目前,國內外采用的線路故障錄波器和線路微機保護都能報出故障點的距離.這種裝置是安裝在線路兩端的發電廠或變電所內,通過線路短路時的間接測量及計算得出的結論.一般情況下與實際短路點比較接近,當線路有分支線或弧道電阻較大時,據運行單位大量的統計數據表明,高壓線路在發生各種短路次數中約有20%的次數測距誤差較大,這極大的影響故障查巡工作的進展,而少量的不準確性還嚴重影響正確測距后現場查尋真實故障點的信心.本裝置直接安裝在高壓電路線路導線上與導線同電位,直接采用感應線圈測量高壓導線上的短路電流,并根據測得的短路電流方向以及短路持續時間,能夠準確地判斷線路跳閘的故障區段.由于它是直接從導線上測短路電流并做出的判斷,所以不會受到任何干擾和影響,從而準確判斷以及定位短路故障點.在管理分界點安裝監測裝置有利于線路事故的確定和分析.

1 監測系統基本原理

當輸電線路發生短路故障時,在線路導線上分別安裝GSM無線故障就地檢測單元,便可解決困擾電力系統的輸電線路距離長、故障點不易定位和巡視困難等問題,就地檢測單元與GSM公用網結合,充分利用GSM網的覆蓋面廣、抗干擾能力強等優點,就可實現遠程實時監測、遠程自動狀態報告、遠程故障定位以及各類報表的自動統計與生成,同時還可附加其他多種管理功能,更好地指導輸電線路的檢修和運行維護工作.監測系統的組成見圖1.

就地監測單元的關鍵技術是就地電源的解決、工頻電流和寬頻脈沖電流的檢測與識別,以及低成本可靠的通訊方案.線路故障檢測終端工作原理為：當輸電線路正常運行時,沒有電流流經設備,傳感器輸出信號為零,一旦發生故障,如桿塔上絕緣子發生閃洛雷擊擊中導線,故障電流會沿導線向兩端方向流去,本裝置直接安裝在高壓電路線路導線上與導線同電位,利用了空心線圈電流傳感器寬頻和線性好的特點,直接采用感應線圈測量高壓導線上的短路電流.

裝置在雙電源供電線路中每隔一段距離安裝一個,在線路發生短路時將同時產生短路記錄,利用GSM短消息或掌上電腦對各裝置的記錄進行采集,在上位微機用程序分析出短路電流方向相反點及短路持續時間梯度分布點,此點可判為短路故障點.見圖2,（圖中1、2、3、4裝置短路電流方向為I1,5、6、7、8裝置短路電流方向為I2,時間分別為T1、T2,故可判斷故障點在4、5號裝置之間.因為短路電流方向的判斷是定性判斷、短路持續時間的判斷是定量判斷,故將電流方向的判斷作為首要判據.

2 系統硬件和軟件的實現

2.1 系統硬件的構成

整個線路短路故障檢測系統分兩部分：①數據采集終端和無線傳輸部分,由故障電流測量、數據采集、無線傳輸、從站供電系統等組成;②主站部分由移動信息中心與主站通訊接口、監測系統平臺、故障報警查詢等部分組成.其核心部分是數據采集處理單元,擔負數據采集、處理及控制其它模塊的任務.

圖3為主站和終端工作示意圖.主站是一臺與互連網相連接的計算機,計算機上運行了數據庫管理系統,即可與短信息中心互相通訊的軟件.

2.2 系統軟件的構成

整個系統的軟件分為終端部分軟件和主站系統軟件兩部分.終端部分的軟件運行在單片機上,主要負責終端內各組件之間的工作協調,實現故障測量、數據采集、無線傳輸和終端本身的電源管理、故障報告等.終端軟件采用C語言編寫,軟件包括一個主程序和各種中斷、數據處理、故障信息發送等子程序.終端系統工作時,主程序在初始化設備后就進入空閑狀態,當收到外部指令或采樣周期結束后,會觸發相應的中斷進行相應處理.

主站系統軟件通過短信中心的帳號,收集終端上傳的報文并下發指令給終端.主站系統軟件還與數據庫軟件SQL server連接,將收到的報文分類后,按各個字段進行拆分,然后填入數據庫表格中.通過數據庫查詢功能,可方便地實現單臺或全部設備工作狀態的查詢.同時,主站中存儲了桿塔位置的信息,在出現故障時能夠給出桿塔編號和故障類型,方便用戶對輸電線路的維護.為方便用戶維護、查詢系統,主站系統軟件采用了客戶/服務器模式,遠程用戶可隨時通過互聯網連接服務器進行各種查詢操作.但是如果需要對終端進行控制,如設置終端參數,就必須取得超級用戶權限.在同一時刻,系統中能夠取得超級權限的只有一個,這樣可保證數據庫的一致性,防止系統出錯.

3 系統的特點和應用

大電流高速采樣傳感器帶有快速信號鎖存功能,流過導線的雷擊閃洛電流主要分布在20Hz以下頻段.工頻故障電流主要分布在50Hz及諧波頻率.本系統通過不同的頻譜來區分雷擊故障和工頻故障.

就地電源采自運行線路導線負荷電流感應所產生的能量,采樣、無線收發單元用微功耗方案.目前,被廣泛采用的是由西安興匯電力科技有限公司生產的L GP型輸電線路短路故障區段判別系統,該產品的工作電流約10mA（第二代產品樣機可控制在＜1mA）,裝置按扎在輸電線路導線上,受到線路電磁場和各種天氣狀況,甚至鳥害的影響,因此必須具有很高的可靠性.整套裝置采用防水設計,提高了就地監測單元的可靠性,并且從硬件和軟件兩個方面提高了抗電磁干擾能力.加裝了用于屏蔽的金屬外殼,軟件采用了抗電磁干擾數據濾波處理.與移動中心連接,短信交換快速、可靠.由于采用GSM無線通信網絡,因此覆蓋面廣,盲區較小.但在輸電線路長、基站多的情況下,大量的信息在傳遞時由于緩沖區小,會造成信息丟失,故采用主站與移動中心直接連接的方法能快速、準確地收發數據.

4 安裝要求

在輸電線路的長期運行中,由于該裝置的投資較大,因此安裝點的確定是非常重要的,安裝相別的選擇也很關鍵,必須進行技術和經濟的比較和分析才能達到滿意的效果.線路故障短路判斷裝置安裝地點的確定應根據線路的具體運行情況,如歷年跳閘記錄、易擊段、易擊桿塔和線路污穢等級,充分利用有關雷電和線路落雷參數進行分析,結合線路桿塔的各種參數,包括地形、線路運行最高電壓以及絕緣配合等因素來綜合考慮.歸納實際運行經驗,有以下幾個選擇方案的要點：

4.1 安裝前的選點原則

根據線路的參數算出具體桿塔的耐雷水平,并根據線路鹽密檢測劃分線路的污穢等級,結合平斷面圖和雷害記錄來分析.

（1）已有雷害記錄的桿塔優先考慮加裝線路故障短路判斷裝置;

（2）處于雷電活動比較強烈的地區（一般土壤電阻率較大的高山、平原、山坡以及與稻田接壤的地區等是受雷擊較明顯的地段）,根據桿塔的平斷面圖,結合地形地貌和耐雷水平綜合分析.耐雷水平低的桿塔須加裝線路故障短路判斷裝置;

（3）與已加裝線路故障短路判斷裝置的桿塔檔距小于300m的桿塔可以考慮暫不加裝,加裝后經過一個或兩個雨季的考驗后,根據具體的雷害情況再定;

（4）由于該裝置投資成本大,優先考慮安裝500kV和220kV電壓等級的重要線路.

4.2 安裝方式的選擇

該系統由安裝在導線上的若干個圖像采集裝置和監視終端內的信息處理系統構成.

（1）前端采集裝置直接安裝在導線上,測量線路短路電流,判斷短路電流方向以及短路電流持續時間,并主動上傳線路短路故障信息;

（2）利用移動無線網絡完成監測數據的傳輸;

（3）前端采集裝置運用法拉第籠原理與運行線路等電位,不影響電網安全運行,適用于110kV～500kV;

（4）工作電源取自于運行線路導線負荷電流感應所產生的能量,使用簡單、可靠,終身免維護.

4.3 安裝數量及相別的確定

由于線路故障短路判斷裝置的安裝地點一般在偏遠山區,該裝置結構簡單、體積小、重量輕,便于安裝是有利于推廣應用的條件.由于該裝置價格較高,所以安裝數量的選擇顯得尤為突出.從技術和經濟的角度考慮,并由理論計算分析和運行實踐表明,在平原、川地等地勢較低區段,單回路線路可只在兩邊相各加裝1相共2相可以達到較好的防雷效果,而雙回路線路則在下側導線各裝2相共2相,其防雷效果較好;在高山、丘陵等地勢較高的區段,單回路線路以3相全裝為宜,而雙回路線路以在下側導線及中間或下側導線及上側的對稱相各加裝1相共4相,也可以在山頂桿塔裝3相,山腰或平地可以只裝2邊相為宜.

4.4 安裝問題及運行維護

（1）為了確保當輸電線路發生短路故障后能夠正確的判斷故障電流的方向,對于故障短路判斷裝置自身而言,安裝時必須使其自身標注的箭頭指示方向統一朝向線路大號側.

（2）加裝線路故障短路判斷裝置對輸電線路的安全運行沒有任何影響,無論線路故障短路判斷裝置在正常工作還是損壞后都不會影響線路的正常供電.

（3）對線路故障短路判斷裝置運行后的檢測,建議運行3～5年進行一次抽檢,拆下其中動作較多、有代表性的部分避雷器,對其性能進行一次全面預試檢測.

基于GSM網絡的輸電線路故障監測系統是可行的,具備及時準確地報告線路故障、提供故障時的最大電流值等功能,可為運行人員、檢修人員分析故障、搶修線路和運行維護等提供有效數據,為輸電線路提高運行可靠性和快速恢復運行創造有利條件.系統的實施可望基本不用巡線,大大節省查找故障所浪費的人力和物力資源,減輕巡線強度.這種原理的監測系統實質上是一套微型的SCADA系統,不僅可以應用于輸電線路故障監測,在線路其它信息的采集、控制以及數據通訊方面也具有潛在的應用前景.

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[3]宋振紅,張舉,唐杰.一種基于雙端電壓相量測量的故障測距新算法[J].電力自動化設備,2006,26（6）：27～29.

TM72

A

1009-1734（2010）S0-0195-04

2010-05-10

岳靈平,助理工程師,從事輸電線路運行檢修研究.