移頻測試高壓輸電線路離線故障檢測

鄭偉，拜潤卿，智勇，楊勇，石立光，萬健如

（1.甘肅電力科學研究院，蘭州 730000；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

移頻測試高壓輸電線路離線故障檢測

鄭偉1，拜潤卿1，智勇1，楊勇1，石立光2，萬健如2

（1.甘肅電力科學研究院，蘭州 730000；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

在新建輸電線路或改造工程中的輸電線路中，其二次系統(tǒng)的繼電保護裝置無法滿足輸電線的離線檢測。為此，提出了一種基于移頻測試原理的高壓輸電線路離線故障檢測方法，擬采用40 Hz和60 Hz兩種頻率的異頻電源對傳輸線進行參數(shù)測試，能有效避免工頻干擾；以新建線路的單相接地短路故障為例，采用正序和零序電阻解方程法。通過仿真分析表明，該方法能夠快速、精確地查找大線路的故障點。

高壓輸電線；移頻測試；離線檢測；故障測距；故障點

高壓輸電線路故障檢測在輸電系統(tǒng)中起著越來越重要的作用，輸電線的在線故障檢測與定位是研究的熱點，二次系統(tǒng)的繼電保護裝置檢測故障后發(fā)出報警信號，直接將故障部分隔離、切除。目前，常用的故障定位方案包括暫態(tài)行波定位法和線路參數(shù)定位法。暫態(tài)行波法的原理簡單，但是其檢測與定位需投入較大的設(shè)備，且接收電壓和電流行波的儀器需要較高的精度；而線路參數(shù)定位法設(shè)備投入少，雖然其算法易受線路的分布參數(shù)、運行方式、運行阻抗及負載電流的影響，但在實際應用中較多。

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及核電等需要遠距離高壓輸電。然而在這些輸電線路中存在著接地短路或開路的故障隱患。為此快速檢測輸電線路是否故障，并準確查找到線路的故障點，能夠提高施工人員的工作效率，給電網(wǎng)公司帶來最大利潤。

本文根據(jù)輸電線路投入輸電時的安全要求，提出了一種基于移頻測試原理的高壓輸電線路離線故障檢測法，擬采用異頻電源進行40Hz和60Hz兩種頻率的數(shù)據(jù)采集和計算分析，能夠有效避免工頻感應電壓的干擾。重點針對輸電線路的易產(chǎn)生的單相接地故障采用正序阻抗及零序阻抗的兩種解方程算法進行了系統(tǒng)分析[1]。

1 移頻測試輸電線參數(shù)

工頻法測量輸電線路參數(shù)時易受臨近線路的干擾，故采用輸出40 Hz和60 Hz兩種頻率的異頻電源對傳輸線進行參數(shù)測試，能夠有效地避開現(xiàn)場的工頻干擾。

1.1 移頻法工作原理

移頻法測試接線如圖1所示。

圖1 移頻法測試接線Fig.1Wiring for frequency shift tests

采用異頻電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻電源作為測試電源，施加到被測試輸電線路上，通過數(shù)據(jù)采集卡，將異頻電壓與電流信號濾波處理，然后計算機處理算法進行合理的折算，由此得到線路的工頻參數(shù)，確定線路是否故障，以及故障點位置[1，2]。

1.2 測量注意事項

在試驗開始前需要首先了解線路長度、導線型號，試驗過程中必須先將被測試線路的測試端三相短路接地，再接入測試儀表、測試電源，完成測試接線，最后斷開測試端短路接地線進行測量。

2 測距算法

由文獻[3]的分析可知，雖然迭代法的可靠性很高，但其收斂至偽根甚至不收斂都是不可避免的。因此，針對這一問題，本文采用將測距問題轉(zhuǎn)化為一個求解二次方程解的問題，得到二次方程的兩個根中總有一個根近似為真實的故障距離。通過將正序阻抗解方程法與零序阻抗解方程法相結(jié)合，得到兩者的一個近似解，可以去除偽根，得到真正準確的故障距離。

2.1 單端測試數(shù)學模型

假設(shè)輸電線為均勻傳輸線，其線路參數(shù)恒定。采用圖2所示的兩端系統(tǒng)，其線路總長為L，故障點到測距點M的距離百分比為λ。在單相接地故障時，故障網(wǎng)絡可分為三序網(wǎng)絡，為了比較精確地測距，采用正序、零序等效網(wǎng)絡[4]，則其M端的電壓如下。

正序方程為

式中：If為流經(jīng)Rf上的故障電流；IFM為流經(jīng)測距裝置的電流；且有

式中，ZM1、ZN1、ZL1為兩側(cè)系統(tǒng)及線路的正序阻抗。在本文中只考慮了單相接地故障，而對于線路的不同故障，Uma、Ia、IFM有不同的表達式[4]。

零序方程為

式中：If0為流經(jīng)Rf上的零序故障電流；Im0為流經(jīng)測距裝置的零序電流；且有

式中，ZM0、ZN0、ZL0為兩側(cè)系統(tǒng)及線路的零序阻抗。

圖2 單端故障測試系統(tǒng)Fig.2Testing system for single ended fault tests

2.2 正序與零序阻抗解方程法

正序阻抗解方程法包括基于瑞典通用電氣公司的故障定位算法ASEA（Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget）算法[5]和正序解方程法；零序阻抗解方程法包括基于零序電流相位修正法和零序解方程法[3]。本文采用ASEA算法和零序解方程法進行仿真計算，在所得的結(jié)果中保留近似的根，去除不相等的根，通過求取平均數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)故障位置的準確定位。

2.2.1 ASEA算法

由基本方程式（1），將表達式分為實部、虛部，消去過渡電阻Rf后化簡，以λ為變量，得到二次方程為

2.2.2零序解方程法

用式（3）按照第2.2.1節(jié)的推導方法可解得故障距離的二次方程為

當用于單回線故障測距時，若輸電線路無故障，則輸出實際的輸電線路的工頻參數(shù)；一旦判斷輸電線路出現(xiàn)接地故障，則根據(jù)上述兩種算法分別算出兩個二次方程的解，必有一解近似相同，求取平均數(shù)即為實際輸電線路的故障點所在位置。

3 仿真分析

本文通過電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算軟件PSCAD（power systems computer aided design）對單相接地故障檢測定位的正序與零序電阻解方程法進行了仿真實驗。

仿真參數(shù)如下：線路全長300 km，過渡電阻Rf=100 Ω，在線路F點處發(fā)生短路故障。M端系統(tǒng)阻抗為ZM1=j6.1 Ω，ZM0=j7.1 Ω；輸電線路的等效正序阻抗為ZL1=（17.1+j359.1）Ω；輸電線路的等效零序阻抗為ZL0=（396+j845.4）Ω；線路單位長度的正序電容c1=0.012 μF/km；輸電線路單位長度的零序電容c0=0.001 μF/km。

PSCAD仿真模型如圖3所示。仿真計算結(jié)果如表1所示。

圖3 PSCAD仿真模型Fig.3PSCAD simulation model

表1 單相接地短路故障仿真結(jié)果Tab.1One-phase grounding fault simulation results

4 結(jié)語

通過采用異頻電源，對輸電線路進行40 Hz和60 Hz兩種頻率的數(shù)據(jù)采集，有效地避免了工頻電壓的干擾，為故障檢測與定位提高了準確性。

結(jié)合ASEA算法和零序解方程法求解二次方程的根，取兩方程根的平均數(shù)。通過PSCAD仿真驗證了該種方法的準確性。

本文方法可以有效實現(xiàn)高壓輸電線路的離線故障檢測，提高施工人員的工作效率。

[1]馬明，戴瑞海，王文敏（Ma Ming，Dai Ruihai，Wang Wenmin）.基于異頻法的架空輸電線路工頻參數(shù)測量與分析（Measuring and analyzing of power frequency parameters for overhead transmission lines based on non power frequency method）[J].電力學報（Journal of Electric Power），2008，23（4）：333-335.

[2]孫柯，岳志剛，劉蒼松（Sun Ke，Yue Zhigang，Liu Cangsong）.高壓輸電線路工頻參數(shù)的移頻測量方法（Shiftfrequency measure method of HV transmission line power frequency parameters）[J].高電壓技術(shù)（High Voltage Engineering），2007，33（9）：203-204，210.

[3]胡帆，劉沛，程時杰（Hu Fan，Liu Pei，Cheng Shijie）.高壓輸電線路故障測距算法仿真研究（Investigation of the high voltage transmission line fault location by digital simulation）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），1995，15（1）：67-72.

[4]吳萍，張堯（Wu Ping，Zhang Yao）.基于單端電氣量的故障測距算法（Location using one-terminal data for transmission line）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2003，15（4）：5-7，31.

[5]Eriksson L，Saha M M，Rockefeller G D.An accurate fault locator with compensation for apparent reactance in the fault resistance resulting from remote-end infeed[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1985，104（2）：424-436.

Off-line Fault Detection on High Voltage Transmission Line Based on Frequency Shift Test

ZHENG Wei1，BAI Run-qing1，ZHI Yong1，YANG Yong1，SHI Li-guang2，WAN Jian-ru2
（1.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730000，China；
2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

For traditional transmission fault detection，on-line recognition and location are applied in the second power system relay protection device initially.However，these applications are far from the off-line fault detection in case of transmission line building or rebuilding.In this paper，a kind of off-line fault detection on high voltage transmission line based on frequency shift test scheme was proposed.The parameters of transmission line are tested through the frequency power with 40 Hz and 60 Hz，which can effectively avoid the interference of power frequency.With one-phase grounded short circuit of new built lines as an example，the methods using positive and zero sequence to solve the equation are introduced in detection solution.The simulation results verify that the fault point of long line is searched fast and accurately.

high voltage transmission line；frequency shift test；off-line detection；fault location；fault point

TM726

A

1003-8930（2013）03-0040-03

鄭偉（1973—），男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析。Email：lzzw_12345@163.com

2012-05-03；

2012-05-11

國家自然科學基金資助項目（60874077）；國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項資助項目（200910097）

拜潤卿（1984—），男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析。Email：bairunqing@126.com

智勇（1973—），男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與繼電保護。Email：zhiyong_lz@163.com