分布式行波定位技術在35 kV輸電線路應用研究

王乾龍，羅藝，晏凱

（云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

35 kV 是配電網重要組成部分，我國35 kV系統一般采用小電流接地運行方式，其優點在于單相接地故障后可以持續運行一段時間而無需立即分閘，提升了供電的可靠性[1-3]。然而，由于其接地方式的影響，當發生單相接地故障時，故障電流變化不明顯，另一方面，有大量35 kV 線路為T 接或混架組成的復雜線路，導致故障選線困難，更難以進行精確定位，使得線路管理及故障排查工作量極大[4-6]。

近年來逐漸出現了多種技術用以解決35 kV輸電線路故障選線或者定位問題，其中零序無功功率方向法、零序電流比相法、零序電流比幅法等等可以用于故障選線，但無法精確的定位出故障所在位置，且在經消弧線圈接地方式下無法適用[7-8]。基于零序電流有功分量法、5次或多次諧波法、殘流增量法、零序導納法等等不受接入消弧線圈的影響，但因故障特征不明顯，故障點電弧難以持續燃燒所致，實際應用情況欠佳[9-11]。

行波定位技術已廣泛應用于110 kV 及以上電壓等級輸電線路，尤其近年來新興的分布式行波定位技術，更是將行波監測與應用發揮到了極致，在故障診斷效果上提升顯著[12-15]。隨著電子技術的飛速發展，電子元器件功耗大幅降低以及取能單元效率的顯著提升，以往適用于110 kV 及以上電壓等級的分布式行波定位技術，目前已經具備了在35 kV 及以下電壓等級上應用的可能性，且在國內電網上進行了批量應用。本文介紹了分布式行波定位技術系統原理、組成，并通過實際工程案例，說明了分布式行波定位技術定位的實施過程及其定位可靠性。

1 輸電線路故障行波定位原理

行波定位法是通過實時檢測輸電線路故障時刻產生的放電行波，結合行波傳輸路徑、輸電線路檔距參數、行波傳輸時間來進行綜合定位。經過幾十年的發展，目前已經出現了A、B…F 等6 類行波定位方法，其中A、C、E、F通過檢測行波來回折反射過程并識別主波及反射波時間差來進行定位，不需要GPS 等時鐘同步，是一種單端定位方法，而B、D 型則是通過檢測行波達到雙端檢測點時間差來進行定位，需要高精度同步授時時鐘，屬于雙端定位法[6,9]。

單端行波定位方法中，由于變電站母線、故障點等過渡阻抗不連續點均會產生反射，因此同一個行波中可能存在多個反射波，根據采用反射波的不同可以將單端定位分為基于變電站母線反射波的單端定位法和基于故障點反射波的單端定位法。其中基于故障點反射波的單端定位法定位原理示意圖如下圖1 所示。該方法適用于金屬性接地等過渡阻抗較小的故障，對于高阻故障，可能因故障點反射波不明顯而造成定位失效。如上圖1 所示，故障點發出的行波沿線路向變電站母線上傳輸時，首次到達站端檢測點的時刻為TM1，達到母線后，經母線反射形成第一次反射波，該反射波從母線向故障點行進，在故障點發生第二次反射，第二次形成的反射波達到站端檢測點的時刻為TM2，此時故障點離變電站母線距離XM可通過下式（1）給出：

圖1 單端定位原理示意圖

雙端行波定位法需要在故障點兩端均布置行波檢測裝置。故障發生后，行波從故障點沿線路向兩側傳播，由于故障點離兩側檢測裝置距離存在差異，因此達到檢測裝置的絕對時刻不同，通過對比兩裝置行波達到起始時刻的差異，可以計算出故障點的精確位置。其測距原理示意圖如下圖2 所示。

圖2 雙端行波定位示意圖

在圖2 中，設故障點位于F，行波達到M端和N 端的精確時刻為TM和TN，M 和N 之間線路全長為L，故障點與M 端距離為XM，與N端距離為XN，那么：

式（1）中計算定位需要用到反射波與主波時間差，通過檢測裝置內部晶振時鐘即可讀取，無需主波和反射波的絕對時刻，因此不需要GPS 等精確授時。式（2）雖也是利用時間差進行計算，但式（2）是通過兩端裝置采集的兩個不同波形來獲取時間差，因此GPS 精確授時是雙端定位應用的一個前提。

2 分布式故障監測系統

分布式故障監測系統由監測裝置（終端）、數據中心站（簡稱中心站）以及客戶端組成，其中監測裝置根據安裝方式的不同可分為安裝于三相導線上的接觸式監測裝置和安裝于桿塔上的非接觸式監測裝置。裝置實時采集輸電線路工頻電流、工頻電壓突變量，以及行波電流和行波電壓，并將采集信號通過4G 等無線方式發送至中心站進行統一處理。中心站主要由性能強大的服務器集群組成，通過預設的故障判斷算法、行波精確定位方法對上傳的波形數據進行綜合分析診斷，并輸出精確定位結果，并通過實時短信方式發送至運維人員手機上，運維工作人員也可通過部署于內網或外網服務器上的WEB 界面讀取故障分析結果，并支持數據導出功能。分布式故障監測系統架構如下圖3 所示。

圖3 分布式故障監測系統架構示意圖

分布式故障監測系統主要功能分為以下幾個部分：

1）工頻和行波信號的采集：監測裝置可對正常運行線路工頻電流、電壓信號進行定期采集，當發生故障后，也能實現故障工頻及故障行波的采集，此外，當線路上出現因雷擊、變電站操作等引起的大幅值擾動行波時，也能實現實時記錄；

2）數據處理和診斷功能：中心站基于監測裝置采集上傳的數據，可智能識別工頻分閘、重合閘成功及失敗、斷電以及送電等波形，并進行標記。具有雙端、單端定位算法，以及小波波頭提取算法等，可對故障行波進行識別，并進行定位分析；

3）通信功能：利用4G 等無線方式進行通信，支持監測裝置參數設置、遠程升級、斷電重啟，自檢狀態上發、上報心跳、上傳監測波形等等功能；

4）故障告警功能：系統判定線路發生故障后，及時通過短信將故障結果推送出來，方便人員第一時間內掌握故障詳情，并指導盡快巡線，降低故障造成的損失。

3 工程應用

某35 kV 線路為T 接架設，其中主線全長為26.7 km，總計95 基桿塔，T 接點桿塔編號為#31；支線全長為11.8 km，桿塔數為46。分布式故障監測終端分別布置于主線#1、#95 桿塔對應的三相導線上，也即首尾布置。與此同時，在支線首尾端，也即#1、#46 桿塔對應三相導線上安裝了監測終端。線路結構及監測終端布置示意圖如下圖4 所示。

圖4 監測終端布置示意圖

某時刻該T 接線路發生了跳閘故障，安裝于主線及支線上的設備均對故障時刻故障工頻電流及行波電流進行了全面的監測，如圖5-圖8 所示。

圖5 主線上的監測終端監測到的故障工頻電流

圖6 主線上的監測終端監測到的故障行波電流

圖7 支線上的監測終端監測到的故障工頻電流

圖8 支線上的監測終端監測到的故障行波電流

根據分布式故障監測終端故障區間判斷原則，當兩端監測終端測到的故障工頻極性相同時，故障位于區間外，反之位于區間內。圖5 中，#1 和#95 桿塔對應的故障工頻極性相反，因此判定故障點位于#1 和#95 監測終端之間，可能位于主線上，也可能位于支線上。

圖6 中，通過監測終端記錄的GPS 時鐘信息，行波波頭到達#1 監測終端的時間比到達#95 早33.29 μs，行波波速取290 m/μs，通過雙端行波定位法判斷故障點位于#31 桿塔。結合主線上故障工頻特征，并考慮實際行波定位可能存在一定的偏差，因此進一步判斷故障點可能在T 接點附近1 基桿塔內，或者位于支線上。

圖7 中，根據支線上故障工頻極性相反特征，判斷故障點必然位于支線#1 和#46 之間，排除了故障點位于主線上的可能性。

圖8 中，故障行波波頭達到支線#46 桿塔時間比到達支線#1 桿塔早22.94 μs，通過雙端行波定位法定位出故障點位于#46 桿塔靠近T接點2.57 km 處，對應的桿塔編號為#36，實際巡線時在#36 桿塔處發現了絕緣子污閃的痕跡，表明本次故障定位準確，不僅實現了主支線故障的判斷，也精確的定位了故障所在位置。

4 結束語

分布式行波定位技術采用分段檢測方法，通過單端、雙端多種定位相互印證，提升了故障定位精度，實際應用案例表明，該技術定位精確可靠，可以解決35 kV 輸電線路故障精確定位的難題。