長距離混合輸電線路重合閘判斷方法分析

沈 冬，閻嫦玲，須 雷

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

架空-電纜混合輸電線路在目前的輸電網中有廣泛的應用，如城市間輸電線路以及陸地與島嶼間輸電線路等。相較于架空線路占地空間面積大、容易受天氣和鳥類影響等缺點，電纜線路具有占地面積小、不受周圍環境影響、可靠性高以及輸電容量大等優點[1]。但其缺點是造價成本高和處理故障點難度大。

架空線路故障多為瞬時性故障，一般線路允許重合閘來減少停電時間，降低損失。電纜故障多為永久性故障，如電纜絕緣性能降低、電纜接頭工藝缺陷以及電纜長期過熱等。這種情況下的重合閘會對電纜和電網造成二次傷害，因此不允許重合閘。如何定位故障點處于架空線路還是電纜線路成為解決混合線路重合閘問題的關鍵。

1 目前常用的故障定位方法

1.1 故障分析法

故障分析法是指在輸電線路發生故障時，根據所采集到的工頻電流和電壓值，結合已知的線路參數，通過分析計算求出故障點到測距點距離的一種方法。根據采集的電氣量不同，可以分為單端法和雙端法。其優點是原理較為簡單和成本也較低，缺點是容易受到過渡電阻和電氣量采樣精度的影響，精確度難以保證。

1.2 行波測距法

行波測距法是基于行波傳輸特性來判斷故障點的方法，其原理是通過測量故障線路的行波突變，結合波速建立故障測距方程組，實現故障測距[2]。相較于故障分析法，行波測距法可以更好地提高故障測距精度。

行波法又可以分為單端行波法和雙端行波法。其中，單端行波法是基于計算故障點和母線間傳播暫態行波的到達時間及二次反射到達時間的差值；雙端行波法是基于計算故障行波到達線路兩端的時間差值[1]。由于雙端行波法受故障類型和線路總長度等因素的影響很小，因此成為目前故障測距的主要方法，在國內外項目中被廣泛應用[3]。

針對混合線路工況，諸多學者提出了不同的解決辦法，如制作故障區段查詢表法[4]。雙端行波法與單端行波法結合，即使用雙端行波法確定故障點所在的區域，然后利用單端行波法定位故障點[5-8]。

2 目前存在的問題和解決思路

由于架空線路和電纜線路的電氣參數以及故障行波的波速不同等因素，導致整條線路存在阻抗參數不均勻和波阻抗不連續等特點。傳統的基于電氣量采樣和行波采樣的方法很難做到可靠的精確定位。

差動保護具有精度高和動作快速的特點，在變電站中作為線路主保護。用差動保護來監測電纜線路，可以快速且準確地識別故障區間是否屬于電纜線路區間。差動保護裝置需要在被保護線路兩端均配置電流互感器，電纜線路一頭通常都在變電站內，不存在電流互感器的配置問題。由于架空線路與電纜線路接頭一般距離變電站都有幾百米或者幾千米的距離，傳統電流互感器不僅造價高，且長距離將電流信號通過二次電纜拉回變電站也很難保證精度的可靠。

與傳統電流互感器相比，全光纖電流互感器具有體積小、重量輕、無磁飽和和鐵磁諧振、動態范圍大、響應頻帶寬、絕緣結構簡單以及綠色環保等特點。其基于高靈敏度且不受干擾的Sagnac干涉原理，在一次端采集到信號后，通過光纖將電流信號送回到變電站內的差動保護裝置，很好地解決了傳統互感器電纜長距離傳輸精度無法保證的問題。全光纖電流互感器應用于混合線路故障定位的原理如圖1所示。

圖1 光學電流互感器應用于混合線路故障定位的原理

全光纖電流互感器在戶外條件安裝時，通常采用立柱式安裝，需要吊裝作業，固定在地基上。其整體高度受被測導體電壓等級影響，通常在幾米的范圍。其較大的體型和較大的施工工作量使其應用于電纜故障定位時具有較差的適應性和經濟性。因此選擇合適的電流互感器成為推動解決混合線路重合閘問題的關鍵。

3 使用柔性全光纖電流互感器的故障定位方法

柔性全光纖電流互感器（Fiber Optic Current Transformer，FOCT）是從傳統全光纖電流互感器演變而來的。傳統的全光纖電流互感器采用光纖作為電流傳感材料，而FOCT將傳感光纖做成傳感光纖環，將傳感光纖環纏繞在被測導體外。該種安裝方法決定了其擁有體積小、重量輕、安裝靈活、維護簡便以及適應性強等優點。

不同于傳統全光纖電流互感器采用結構牢固的立柱式安裝，FOCT的光纖傳感環是在被測點附近就近安裝。這種方式雖然靈活，但固定效果相對較差，且受現場安裝工藝的影響也較大，在戶外安裝環境中容易受到氣候環境的影響。目前普遍的做法是定制適合現場安裝尺寸的傳感光纖儲存環，現場安裝時將被測導體和相關接地電纜一并穿過傳感光纖儲存環，并將其固定在合適的位置。

經過多年的發展，FOCT的精度目前普遍可以做到測量0.2S級，保護5P級，環境運行溫度可達到-40～70 ℃，完全滿足差動保護裝置的需求。

FOCT的原理如圖2所示，由于相位調制器和復雜調制解調電路的存在，FOCT需要電源的支持。電源可以來自于電池供電，也可以使用光束返送電，但這種方式下通常只能支持百米的距離傳輸。基于無源相位調制器的光纖電流互感器的提出很好地解決了這個問題[9]。該種方案不僅造價更低，而且可以將FOCT的傳輸距離推廣至數千米或者更長。由于取消了調制解調電路，理論測量精度會有一定程度的降低，但仍可以運行在-40～+50 ℃的工況下，完全可滿足差動保護裝置的需求。

圖2 柔性光學電流互感器原理

FOCT具有非常豐富的應用場景。例如，在電廠中可以用來測量發電機機端基波零序電流，克服了傳統穿心式電流互感器存在的選型難、安裝要求高以及精度和穩定性差的問題[10]。另外也可以利用其優秀的安裝靈活性，在變電站改造項目中發揮作用。

在架空-電纜線路的接頭位置安裝FOCT可以很好地解決因項目不同，無法確保現場有條件安裝傳統互感器的問題。如果接頭位置到變電站側距離小于100 m，則推薦使用有源FOCT，該方式雖造價略高，但精度更高，穩定性能更好。如果接口位置距離在幾千米范圍內，則推薦使用無源FOCT方案，該種方式下更加便于項目實施，經濟性好。FBG電流互感器雖然也可以滿足項目的需求，但在單線路單點測量需求下經濟性較差，故不作為推薦方案。FOCT推薦安裝在電纜接頭處或者電纜埋地上方。

2012年，在北京陸續投運的5個220 kV和110 kV變電站就采用了FOCT方案，通過采集5個站不同位置的電流量，利用光纖匯總到中心站的繼電保護裝置，綜合分析并準確快速計算出故障點的位置。目前項目掛網運行良好。

4 使用光纖布拉格光柵電流互感器的故障定位方法

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）是一種使用強烈的紫外線激光，以空間變化的方式而刻錄在標準、單模光纖中心的光學傳感器。應力及溫度等參數的改變會影響FBG有效的光折射率和光柵周期，從而導致光柵反射光波波長的改變，然后通過反推算可以測量出被測點應力和溫度等參數。FBG可以安裝在任何可接近的位置，然后將其熔接到光纖中，通過光纖將光波送回。由于每個FBG都有獨一無二的波長，可以實現光纖的復用，因此每根傳輸光纖上可以融接入若干FBG，實現一條傳輸線路上通過一根光纖測量若干點參數的可能性。

與其他測量技術相比，該方法可以結合測量電流、電壓、溫度以及應力等參數實現更加準確的故障定位。其他類型的互感器只能實現一個設備測量一個點的電流或電壓，因此一個測量點所需要的設備數量較多。而FBG電流互感器可以在一個光纖系統中完成所有電流參數的測量，同時不依賴于電源和GPS的支持，安裝和接入都較為方便。

FBG電流互感器雖然產品較少，但擁有非常廣闊的應用前景。例如，應用在配電多端網絡中可以有效分割復雜的網絡架構；在海上風電中可以為每個風機提供測量，故障時可以快速識別故障風機，避免大規模風機的停運。

在架空-電纜線路中，如果架空-電纜線路接口位置距離變電站在十幾千米或者更遠，則推薦使用FBG電流互感器。這種工況下，接頭處通常不具備提供穩定可靠電源的能力，因此FOCT在這種工況下無法穩定運行。

5 結 論

光學互感器技術的應用很好地解決了傳統CT安裝時間長、人力成本高以及現場條件要求苛刻等問題。在架空-電纜混合線路中，使用FOCT或FBG電流互感器，配合使用差動保護裝置，可以很好地快速排查故障點是否存在于電纜線路中。隨著光學互感器技術的進一步發展，特別是FBG電流互感器的不斷普及，架空-電纜混合線路故障點定位會變得更加精確和便捷。