基于多點電流測量的輸電線路故障定位方法的研究與分析

黃　擎　王志遠（國網新疆烏魯木齊供電公司，烏魯木齊　830011）

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基于多點電流測量的輸電線路故障定位方法的研究與分析

黃擎王志遠
（國網新疆烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830011）

摘要輸電線路是電力系統的重要組成部分，輸電線路的可靠運行關系著國民經濟的健康良好發展。輸電線路分布面積廣、范圍大，如何快速準確地分析判斷線路故障位置，排除故障，對于保障輸電線路的可靠運行是十分關鍵的。本文主要對根據多點電流測量的輸電線路行波故障定位法進行了分析和討論，該方法相對傳統行波分析，對于故障點位置的判斷精度有較大改善，對于輸電線路的故障定位有一定的參考價值。

關鍵詞：輸電線路；故障定位；多點測量

Research and Analysis of Fault Location Method for Transmission Line based on Multi Point Current Measurement

Huang QingWang Zhiyuan
（Urumqi Power Supply Company， Urumqi 830011）

Abstract Transmission line is an important part of the power system， the reliable operation of the transmission line is related to the healthy development of the national economy. The distribution area of the transmission line is wide， the range is large， and the analysis of the fault location and fault location is very important for ensuring the reliable operation of the transmission line. In this paper， the fault location method for transmission line traveling wave based on multi point current measurement is analyzed and discussed， relative to the traditional traveling wave analysis， the accuracy of the fault location is improved， and the fault location of the transmission line has a certain reference value.

Keywords：transmission line; fault location; multi point measurement

輸電線路是電能輸送的通道，肩負著電力輸送的重要任務。隨著我國電網建設的不斷推進，距離長、容量大的高電壓超高電壓等級的輸電線路的應用越來越多。由于輸電線路長期暴露在外部環境中，很容易受到日照、雨雪、樹木接觸、以及山體滑坡等外界因素的影響，電力系統輸電線路故障時有發生，占據電力系統故障的絕大多數，給電力公司和用戶造成大量損失。由于人工巡檢費時費力，效率比較低，很難滿足電力系統可靠運行的要求。因此，微機線路保護故障定位逐步得到廣泛應用，其中根據行波理論的故障定位分析法的應用最為理想，也最為廣泛。本文針對現有行波故障定位法準確度低的問題，應用多點測量的方法，使測量精確度得到大幅提高[1]。

1　三點電流測量的輸電線路行波故障定位法

1.1行波波速測定的基本原理

行波故障定位法中，行波的波速是決定定位精度的核心因素。波速取決于線路的參數，當忽略線路參數頻率的影響時，波速可通過下面公式計算：

式中，L是線路單位長度電感值，C是線路單位長度電容值。

當線路參數頻率的影響也考慮時，波速則可由如下公式計算：

式中，L為線路單位長度電感，C為線路單位長度電容，R為線路單位長度電阻，G為線路單位長度電導，ω 為角頻率。

從式（2）可以看出，要準確得出行波波速，一方面線路參數要精確，另一方面故障行波的中心頻率要計算出。然而由于故障行波中心頻率的差異，以及復雜環境的影響，使波速的精確計算變得十分困難，主觀地取值容易造成誤差。若能由故障線路直接測定波速則能使這些問題得到很好的解決。從而三測量點法被提出，即在兩端測量點外于線路中間額外加一個測量點，確保行波的波速在故障點和三個測量點間的路段中相同[2]。

圖1　輸電線路示意圖

如圖1所示，假設輸電線路的總長為l，測量點A、B、C分別在線路的兩端和中間部分，每個測量點都安裝了GPS和無線通信設備。其中，GPS完成測量點同步時鐘，從而記錄行波波頭到達測量點的時間，無線通信完成數據交換。

在實際應用中，假設故障點處于BC之間，那么故障行波在AC段上的傳播時間tAC可以根據行波從故障點分別到達A點的時間tA和到達C點的時間tC得出。

則故障行波波速為

同理可得故障點在AC段的行波波速。

1.2故障定位的流程

線路故障發生以后，測量點利用無線通信把帶有時間的各相電流相位和故障后的線模電流發送到控制中心。控制中心收到數據后，通過相應的技術手段進行分析，得到各測量點的瞬時能量趨勢圖，趨勢中第一個能量突變點對應的時間即為故障初始行波的到達時間。由電流相位差動原理判斷出故障點區間后，即可計算出故障行波的波速。由行波第一次到達A點和B點的時間tA和tB，應用雙端行波定位原理計算式（5）求出故障點距離A點的距離lAd。

式中，l是輸電線路的總長度，v是故障行波的波速。

故障定位流程如圖2所示。

圖2　故障定位流程圖

2　多點電流測量的輸電線路行波故障定位法

2.1多點行波故障定位的特點

為了進一步提高故障定位的精度，減小由于線路長度誤差、行波信號畸變和衰減以及波速的不確定性因素導致的誤差，本文討論了基于多點電流測量的行波故障定位法。該方法有以下特點：

1）多點測量使故障區間縮短，使線路長度誤差減小。尤其在實際應用中，電力部門提供的線路長度往往存在一定誤差，有時誤差甚至達到20km，嚴重影響了故障定位的精度。應用故障區段定位可以使線路長度誤差減小到線路誤差的一半甚至完全消除。

2）縮短故障區間，使行波信號的畸變和衰減減小。由于電力線路不可避免的存在線路阻抗，故障行波在線路發送過程中會產生畸變和衰減。如果波形變化過于嚴重，則必然影響到波頭檢測的精度，若傳輸區間縮短，線路阻抗對行波的影響也會隨之減小，從而有利于準確檢測波頭的位置。

3）故障定位遵循“中間故障區域選擇”原則。由于當故障點位于線路的中間位置時，根據系統給定線路計算故障點位置時產生的誤差為0，誤差的大小和故障點與線路中間位置的距離成正比。為減小誤差，應盡量保證故障點接近線路中間部位[3]。

2.2多測點行波故障定位的方法

故障區間確定以后，首先應檢驗各監測點數據的時刻時序有效性，然后按照“中間故障區域選擇”的原則選擇定位的檢測點，計算出波速，最終由雙端行波定位原理計算出故障距離。

1）波頭時刻時序有效性檢驗

由于在線路中存在多個檢測點，在故障波向線路兩端的傳播過程中，故障行波波頭的到達檢測點的時間應與到故障點的距離成正比。

圖3　多點故障定位輸電線路示意圖

如圖1所示，設定行波到達檢測點MK＋1、MK＋2、MK＋3和MK＋4的時間分別為tK＋1、tK＋2、tK＋3和tK＋4，則檢測點的時序應滿足如下條件：

若測得數據不滿足式（6），則數據無效不能用于故障定位的計算。

2）波速的測定

我們把距離故障點兩側最近的檢測點稱為1級檢測點，向兩側延伸依次稱為2級檢測點至n級檢測點。如圖3，當故障點確定在MK和MK＋1之間時，MK和MK＋1就是1級檢測點。此時可用1級和2級檢測點間的線路計算出行波速度。我們選用檢測點MK＋1和MK＋2進行計算，假設ΔtK是MK＋1和MK＋2故障行波到達的時間差，MK＋1和MK＋2間的輸電線路長度為lK，則故障行波的波速為

3）故障點距離計算

選取定位線路時，應盡量保證故障區在檢測點間輸電線路的中間部分，在臨近測點的線路長度相近時，可以選用2級檢測點完成定位。如圖3中則可使用MK－1和MK＋2分別作為兩端進行定位。而在實際應用中相鄰測點的線路長度大都差別比較大，此時可以向下級延伸選擇用于定位的線路段兩端的檢測點。若線路長度lK和（lK＋2＋lK＋3）大致相等時，則可將測量點MK－1和MK＋3作為兩端的檢測點完成定位。波速得出以后則可應用雙端行波定位原理計算故障距離。當檢測點之間距離很近，造成定位出的故障區很短時，定位結果可以直接得出[4]。

2.3多測點行波定位的應用

假設圖3輸電線路電壓等級為為220kV，線路總長度為180km，線路具體參數和系統阻抗見表1、表2。

表1　輸電線路參數

表2　系統阻抗

故障點在120km處，過渡電阻為100Ω，系統在0.2s時A相發生短路故障，檢測點之間的距離為5km故障點和1級檢測點的距離分別為2km和3km，系統采樣頻率為2MHz。檢測得出初始行波到達各檢測點的結果見表3。

表3　到初始行波到各檢測點的采樣點位置

表中的數據符合波頭時間的時序原則，數據有效可以用于波速計算。應用MK－1和MK＋2進行故障距離計算。首先波速的計算如下所示：

得出波速，帶入公式可得故障距離為

此計算結果為故障點距離檢測點MK－1的線路長度。

3　結論

輸電線路故障的快速準確定位對于電力系統維護人員尋找線路故障點，快速排除線路故障有著重要意義，是電力系統安全可靠運行的重要保障。本文提出的多測點行波故障定位法，相對于傳統行波故障定位法，使故障點位置檢測精度大大提高，具有一定的實踐意義。如今輸電線路的故障定位實現還存在很多的問題需要解決，如何更加準確快速的進行故障定位仍然是行波法故障定位研究的重點。更加先進的測量方法和理念還有待研究。

參考文獻

[1]葛耀中. 新型繼電保護和故障測距的原理與技術[M]. 2版. 西安: 西安交通大學出版社， 2007: 256-335.

[2]王東舉， 周浩. 高壓輸電線路故障定位綜述[J]. 電氣應用， 2007， 26（4）: 6-13.

[3]全玉生. 高壓架空輸電線路故障測距新算法的研究[D]. 西安: 西安交通大學， 1999: 2-13.

[4]李澤文， 曾祥君， 姚建剛， 等. 不受波速影響的輸電線路雙端行波故障測距算法[J]. 長沙理工大學學報（自然科學版）， 2006， 3（4）: 68-71.

黃擎，國網烏魯木齊供電公司，運維檢修部。

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