輸電線路智能故障診斷系統及應用

周勇軍

摘 要：輸電線路是輸送電力的“動脈”，應用輸電線路智能故障診斷系統，當線路發生跳閘時能立即實現故障點的定位及故障類型判定，能很好地保證電網安全穩定運行。該文以一起220 kV輸電線路跳閘事件為例，首先介紹了診斷系統的組成及工作原理，再利用雙端行波測距法定位故障點，并通過分析行波波形特征辨識出故障類型，結果表明系統的診斷結果與人工巡線結果一致，從而驗證了智能故障診斷系統的高效性和準確性，對電力系統的建設和發展具有重要意義。

關鍵詞：輸電線路；智能故障診斷；故障定位；故障原因

中圖分類號：TM862 文獻標志碼：A

0 引言

近年來電網發展迅速，隨著建設規模的擴大，高壓輸電線路越來越密集，輸電線路是輸送電力的動脈，其分布范圍廣、傳輸距離遠，部分線路途徑山林、湖泊、重工業區等環境，隨著運行年限的增加，受環境因素影響，線路運行中會因雷擊、樹障、覆冰、漂浮物、浮放電、污穢和鳥害等因素導致跳閘或導線斷線等事故，給電力系統造成很大的安全威脅和經濟損失。

傳統的事故排查主要是依靠人工巡視來實現，不僅耗費大量人力和物力，而且效率低、耗時長，無法保證供電的可靠性以及設備、人身的安全，而且由于對故障原因判斷不準確，所采取的治理措施針對性不強，所以線路故障跳閘率較高。現有的在線監測裝置檢測對象單一且大部分需要逐個基桿塔安裝，時效性不高。而智能故障診斷系統可以幫助專業工作人員快速查找故障點，判斷故障原因，提高工作效率，大大提高輸電線路的防護水平，降低人力勞動強度和人工成本，對保證電網的安全運行具有重要意義。

故障測距的方法根據原理可分為故障錄波分析法、阻抗法及行波分析法。而根據測距信息來源又可分為單端測距法和雙端測距法。輸電線路智能故障診斷系統是將監測裝置分布式安裝在導線上，實時獲取故障點附近的工頻分量和行波分量，高精度地定位故障跳閘的區域和位置并智能辨識故障波形特征，判斷事故發生的原因。輸電線路智能故障診斷系統已經在國家電網的輸電線路中投入應用，并在電網故障診斷和安全運行中發揮著重大作用。

該文針對一起220 kV輸電線路跳閘故障情況，應用輸電線路智能故障診斷系統進行診斷分析，快速、準確地找到故障位置和原因，使工作人員能夠及時修復故障，提升線路運行維護水平。

1 故障概況

某220 kV輸電線路于2018年8月6日14時24分34秒，發生跳閘故障，重合閘未成功，系統監測到故障相別為B相。通過智能故障診斷系統定位和分析后，得到故障點位于距離#1號桿塔大號側16 800 m處，故障桿塔大約在#37桿塔，故障性質為雷電繞擊故障。

故障發生后立即指派工作人員在給定的范圍內進行現場排查，發現#37桿塔發生故障。確定了故障點被雷擊的痕跡，并對故障點進行拍照。圖1為#37桿塔B相絕緣子遭受雷擊后的痕跡，絕緣子傘裙邊緣有明顯灼傷。

根據氣象部門發布的天氣情況顯示，故障發生在雷雨天氣，雷電活動頻繁，因此可初步判斷是雷擊破壞了#37桿塔B相的絕緣子，形成導電通路，使B相輸電線直接接地，繼而導致線路跳閘。

2 故障診斷分析

2.1 輸電線路智能故障診斷系統簡介

輸電線路智能故障診斷系統是進行輸電線路跳閘故障定位及故障原因辨識的系統，由監測終端、數據中心、用戶系統組成，如圖2所示。具體工作原理是將監測終端分布式安裝在輸電線路導線上，監測終端實時采集線路的工頻信號和各類異常放電行波信號，由GPRS上傳至數據中心，并保存在內存和庫文件中，再經過后臺軟件對數據進行處理分析，得到診斷結果，將結果發送至工作站的工作人員，以便工作人員能夠及時地掌握故障情況，了解故障信息并進行相應處理。

2.2 輸電線路故障定位

行波法始于20世紀40年代初，它是根據行波傳輸理論實現故障測距的，也是公認的故障定位最有效的方法之一，可分為單端法和雙端法，單端法通過測量故障產生的行波，以故障點及母線往返一趟的時間來進行測距，而雙端法則利用故障行波到達線路兩端的時間差來進行測距。根據線路實際情況，該文采用雙端行波法對故障點進行精確定位，從而驗證智能故障診斷裝置診斷結果的準確性。

跳閘案例中的線路全長為150.75 km，在2個變電站中的#1桿塔、#68桿塔、#150桿塔、#204桿塔、#205桿塔、#263桿塔和#321桿塔上分別安裝了輸電線路智能故障監測終端，整體分布如圖3所示。

輸電線路智能故障診斷終端于2018年8月6日 14時24分34 秒305毫秒740微秒在該線路上監測到工頻分閘電流波形，如圖4所示，波形中故障電流增大約3個周期后歸零，符合線路發生故障時工頻電流的特征，因此系統判定輸電線路發生跳閘故障。

雷擊故障時，雷云通過主放電通道對輸電線路注入能量，經絕緣子閃絡后形成傳輸的故障行波，系統在2018年8月6日 14時24分34秒在線路故障跳閘時監測到的#1桿塔和#68桿塔的行波電流波形分別如圖5、圖6所示。

為了定位故障點，對故障行波過程進行分析，如圖7所示，在故障點產生的行波向兩端的變電站進行傳播，我們將輸電線路出現故障時，行波主波頭第一次到達#1號桿塔的時刻標記為1'，第一次到達#68號桿塔的時刻標記為1。

根據雙端行波法測距的原理，基于系統測得的故障波形參數，可用式（1）計算故障點到#1桿塔的距離：

其中，L1為故障點到#1桿塔的距離；L為#1桿塔到#68桿塔的距離，為32 590 m；t1為故障點向乙變電站傳播的行波到達#68桿塔上監測終端的時刻；t1?為故障點向甲變電站傳播的行波到達#1桿塔上監測終端的時刻；v表示行波在輸電導線上傳播的速度，以290 m/μs計算。

經過監測終端的GPS精確對時，可在后臺軟件中讀取圖5、圖6中標示的點1'和點1兩處波峰對應的時刻t1'和t1的值，分別為2018年8月6日 14時24分34秒 300 毫秒、841 微秒和2018年8月6日 14時24分34秒 300毫秒845微秒，時間差Δt=4 μs，代入公式（1）后，可求得故障點位于距離#1桿塔L1=16 800 m處，最終定位在#37桿塔附近。這一定位結果與現場最終確認的故障桿塔#37號桿塔一致。

2.3 輸電線路故障類型辨識

架空輸電線路長期暴露在自然環境下，很容易遭受到外界的影響和損害，一般輸電線路故障原因分為內在因素和外在因素，內在因素是由自身質量問題或線路老化引起的，外在因素是由外在環境、天氣、外力因素引起的。一般將外在故障原因分為雷擊和非雷擊2個因素，而雷擊故障又可分為感應雷與直擊雷，雷電反擊與繞擊。其相應的辨識方法見表1。

通過分析圖5、圖6中的故障行波電流波形，并對照表1可知，#37桿塔B相上故障時刻電流行波波尾持續時間小于20 μs，波形脈寬窄并伴有震蕩，主波之前沒有反極性脈沖，因此判斷此次故障性質為直擊雷的繞擊故障。

3 結論

（1）該文應用輸電線路智能故障診斷系統對某220 kV輸電線路的一起跳閘故障進行診斷分析，系統判定故障相為B相，為雷電繞擊故障。

（2）由雙端行波精確故障定位計算得出，故障點距離#1桿塔大號方向16 800 m，在#37號桿塔附近，與人工巡線結果一致，定位準確。

（3）輸電線路智能故障診斷系統在定位故障點和辨識故障原因方面高效精確，應加強推廣應用，減少輸電線路的運維成本和恢復時間，提高電力系統供電可靠性。

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