架空輸電線路故障定位技術(shù)研究

陶 軍，付子峰，夏 雄，熊 磊，方思劍

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，架空輸電線路的分布范圍越來越廣，然而線路的運(yùn)行環(huán)境受多方面的影響，引起線路跳閘的因素包含很多方面。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障跳閘后，如何快速準(zhǔn)確定位成為電力系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注的方向之一［1-3］。通過快速查找故障位置，排除故障原因是確保電網(wǎng)安全的前提條件［4-6］。針對一些隱蔽故障，運(yùn)維單位難以在較短時(shí)間內(nèi)查找到故障位置，給運(yùn)維單位造成很大的壓力［7-9］。目前，架空輸電線路主要采用在線監(jiān)測的方式進(jìn)行故障定位，其中行波法使用范圍比較廣，該技術(shù)較為成熟，使用該技術(shù)設(shè)計(jì)的分布式故障診斷系統(tǒng)，大量應(yīng)用于架空輸電線路，提高了輸電線路的故障定位精度［10-12］。

故障行波隨著時(shí)間和距離的推移，這種輸電線路的暫態(tài)行波波形會不斷降低，并且監(jiān)測裝置之間設(shè)置的距離和實(shí)際線路長度存在一定的偏差［13-15］。這是由于線路架設(shè)過程中，存在一定的弧垂，桿塔之間張力和地形的差別，使得桿塔之間的弧垂大小不一樣，并且，隨著季節(jié)和溫度的變化，弧垂處于不斷的變化之中［16-18］。同時(shí)，架空輸電線路的參數(shù)和地質(zhì)、氣候有關(guān)，不同的地質(zhì)條件，大地電阻率不同，對于氣候惡劣的高寒地區(qū)，線路參數(shù)低于給定值。由于線路長度與參數(shù)的變化，客觀上增加了故障定位的難度［19-21］。

當(dāng)架空輸電線路發(fā)生故障跳閘時(shí)，故障位置形成的行波，沿著線路往兩端發(fā)展，然而，線路自身的線損和連接點(diǎn)引起行波波頭的畸變與衰減，導(dǎo)致行波波頭誤差，進(jìn)一步增加了故障定位的難度［22-24］。而且，暫態(tài)行波的波速低于真空速度，如果兩者的偏差較大，分析時(shí)采用真空速度，使得故障定位不準(zhǔn)確［25-27］。

1 故障定位裝置原理分析

當(dāng)架空輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)，例如雷擊、外破、鳥害等，電力系統(tǒng)中會出現(xiàn)暫態(tài)行波，這種行波是沿輸電線路向兩端發(fā)送的電壓、電流波［28-30］。分布式故障診斷系統(tǒng)主要采用行波定位技術(shù)，依照雙端定位法，如圖1 所示。在被測線路的兩端分別安裝一套監(jiān)測裝置，當(dāng)線路某個(gè)位置發(fā)生故障跳閘時(shí)，故障行波向兩端發(fā)送故障信號，監(jiān)測裝置得到故障信號后，通過比較兩套裝置采集故障信號的時(shí)間差，計(jì)算故障發(fā)生位置。

圖1 雙端行波定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-ended traveling wave positioning

在圖1中，當(dāng)線路發(fā)生故障，故障點(diǎn)向線路兩端發(fā)送故障信號，行波信號發(fā)送到監(jiān)測裝置1 所需時(shí)間為t1，行波信號發(fā)送到監(jiān)測裝置2 所需時(shí)間為t2，故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置1的距離為L1，故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置2的距離為L2，兩套監(jiān)測裝置之間的距離為L，則有：

分布式故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，包括監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)中心以及客戶端3 個(gè)部分。監(jiān)測終端包含取電CT、羅氏線圈電流傳感器、GPS授時(shí)模塊、采集模塊、4G通信模塊等，監(jiān)測終端主要技術(shù)參數(shù)如下：采樣率為50 MHz；行波測量范圍為0.5 A～2 000 A；帶寬為0.5 kHz～1 MHz。

圖2 分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of distributed traveling wave monitoring system

2 故障定位技術(shù)優(yōu)化分析

由于架空輸電線路故障定位受線路長度、故障行波波速和故障行波波頭的作用，通過設(shè)置一種誤差模型進(jìn)行分析，如圖3所示。在圖3中，假設(shè)架空輸電線路理論長度為L，實(shí)際長度為αL，α為修正參數(shù)，該參數(shù)和弧垂、波速、波頭有關(guān)，當(dāng)輸電線路某點(diǎn)發(fā)生故障，故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置1 的距離為x，則故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置2的距離為αL - x。

圖3 帶誤差模型雙端定位原理圖Fig.3 Schematic diagram of double-ended positioning with error model

式（4）中，Δx為故障位置和監(jiān)測裝置1的實(shí)際距離與故障位置和監(jiān)測裝置1 的理論距離差。因此，架空輸電線路故障定位和線路長度、波速和波頭衰減有關(guān)。

2.1 線路長度的影響

假設(shè)架空輸電線路的弧垂相等，桿塔之間的距離相等為l，線路長度為桿塔距離的α倍，α ＞1，監(jiān)測裝置之間的距離為L，那么輸電線路長度是(L l)×αl=αL。如果故障行波波頭沒有衰減，根據(jù)圖3，實(shí)際故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置1的距離x′為：

那么，由于線路長度引起的定位誤差為：

于是，如果得到修正系數(shù)α，那么架空輸電線路故障定位精度和線路走廊長度有關(guān)，監(jiān)測裝置距離越遠(yuǎn)，定位準(zhǔn)確度越低。

2.2 波頭衰減的影響

由于監(jiān)測裝置采集故障行波的關(guān)鍵是波頭，而隨著暫態(tài)故障行波向兩端傳輸?shù)倪^程中，行波波頭幅值降低，波頭變緩，如果監(jiān)測裝置采集行波延遲1 μs，那么，帶來的定位精度差距約為300 m，因此，需要提高監(jiān)測裝置的采樣精度，避免行波在遠(yuǎn)距離傳送過程中產(chǎn)生的誤差，此外，盡量縮短監(jiān)測裝置之間的距離，必要時(shí)，架空輸電線路中可以多點(diǎn)布置監(jiān)測裝置。

2.3 波速的影響

輸電線路中故障行波的波速小于光速C，范圍是0.936C至0.987C，假設(shè)線路長度準(zhǔn)確，并且行波波頭沒有衰減，根據(jù)圖3 可得，當(dāng)架空輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置1之間的理論距離為：

在式（7）中，v 為理論波速，v0為實(shí)際波速。于是，理論波速和實(shí)際波速的定位誤差為：

因此，如果行波波速已知，那么故障定位準(zhǔn)確度僅僅受故障位置的影響。當(dāng)監(jiān)測裝置之間的距離確定，理論波速和實(shí)際波速越接近，故障定位越準(zhǔn)確。如果行波波速一樣，監(jiān)測裝置之間的距離越大，故障定位準(zhǔn)確度越低。如果故障發(fā)生在線路中間位置，那么故障定位沒有誤差，故障點(diǎn)離線路中間點(diǎn)越遠(yuǎn)，定位準(zhǔn)確度越低。為了消除波速對于故障定位的影響，通常采用在線波速測量技術(shù)，可以有效減少波速和線路長度的影響，提高故障定位精度。

3 結(jié)語

本文通過分析線路長度、波頭和波速對于架空輸電線路故障定位的影響，為了提高故障定位準(zhǔn)確度，監(jiān)測裝置之間的距離小于線路實(shí)際長度，并且測量在線波速，可以有效減小定位誤差。研究發(fā)現(xiàn)：

1）當(dāng)架空輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)和監(jiān)測裝置距離越近，故障定位準(zhǔn)確度越高。

2）采用在線測量波速的方法，可以提高故障定位準(zhǔn)確度；如果故障行波沒有采用在線測量波速方法，則故障定位存在一定的誤差。

3）理論波速和實(shí)際波速越接近，故障定位準(zhǔn)確度越高，當(dāng)架空輸電線路故障點(diǎn)位于線路中點(diǎn)時(shí)，定位誤差最小。

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