架空輸電線路故障定位技術研究

楚雄供電局 張必朝

1 引言

隨著我國電網建設的迅速發展，架空輸電線的分布日益廣泛，但其工作條件受到多種因素的制約，發生故障的原因比較復雜。在電網出現短路時，如何迅速、精確地確定電網運行狀態是電網運行管理中需要深入研究的一個重要課題[1]。在實際工作中，迅速發現、解決問題是保證電力系統運行的先決條件。由于存在著某些隱性的問題，維護人員很難在短期之內找到問題所在，使維護人員面臨著繁重的工作負擔[2]。

現有的架空輸電線路的故障定位多以行波技術為主。行波技術是一種相對成熟的技術，利用這種技術開發的電力電纜故障診斷技術已廣泛地用于架空輸電線，從而有效優化了線路的故障定位的技術支撐。

當發生故障行波后，線路的瞬態行波波形會逐漸減小，而且監控設備的安裝間距與實際線路的長度有較大的差異。這是因為線路架在安裝時，會有一些弧垂，不同的拉力、不同的地形，都可能會造成不同的弧垂，而且在不同的季節、不同的氣溫、不同的天氣，不同的溫度，弧垂也都會發生不同的變化[3]。而架空輸電的參數與地質、氣候等因素有關，在氣候嚴酷的地方，導線參數小于規定的數值。所以在實際應用中，由于導線的長度和參數發生了改變，使定位故障的位置更加困難。

在架空輸電線出現故障的時候，由于線路的故障部位產生的行波，會沿著導線向兩側擴展延伸，但由于導線本身的損耗和接觸處，會使行波波頭產生畸變和衰減，從而造成行波波頭的錯誤，使故障的定位更加困難。此外，由于暫態行波的波速比真空速慢一些，采用真空速進行分析，在計算中如若存在很大的誤差，就可能會造成位置誤差。

2 故障定位裝置原理分析

本文介紹了基于雙端點定位技術的分布式故障檢測方法。在架空傳輸線發生雷擊、外破、鳥害等事故時，電網內會產生瞬時行波，即電壓、電流波，沿著輸電線路的兩端傳輸。

行波檢測方式最初是應用于輸電系統的失效位置，而行波定位技術是在20世紀四十年代提出的。在相關的科研工作中，行波信號的傳播比較穩定，但是一旦發生故障，就會通過瞬態行波的傳輸和故障發生的距離來判斷。在電力系統中，應用行波法進行故障點的定位，是根據行波傳輸的原理，對高壓輸電線進行故障定位。在高壓輸電線上，故障行波是由電能來傳輸的，其傳輸的頻率與遙測技術相近。

由此可知，在其傳輸到母線上的過程中，可以根據信號的變化來進行判斷。在特定的故障點位置技術中，最基本的是判斷波頭的開始和位置，這能夠為相關的技術人員帶來了更多的技術上的支持，尤其是在測量波頭的時候，相關的工作人員必須具備較強的技術素養[4-5]。除此之外，在進行特定的故障點分析時候，由于對線路的變阻器和振幅進行了精確的控制，從而限制了行波頭的位置精度，限制了對其實際定位精度的進一步提升。

在被測試的兩條線路上各設置一組監控設備，一旦某一部位出現短路，故障行波會將該故障信息傳遞給另一端，由監控設備接收到該故障信息后，根據該設備所獲取的故障信息進行對比，從而得出該設備的故障部位。

雙端行波定位如圖1所示。

圖1 雙端行波定位

由圖1 可知，如果一條線路出現了問題，那么該故障的位置將一個故障的信號傳送到該線路上，該運行信號需要t1的一個時間，該運行周期需要t2的一個周期，一個故障的位置到一個監控設備1 的位置是L1，一個檢測設備2的位置到一個監控設備2的位置是L2，兩個監控設備的間隔是L，得到方程式（1）。

本文詳細介紹了該系統的結構，包括監控終端、數據中心和客戶端3 個模塊。該監控系統包括取電CT，羅氏線圈電流傳感器，GPS 授時模塊，采集模塊，4G 通信模塊等部分。在0.5～2000A 之間進行行波的測試，頻段在0.5kHz 到1MHz 之間，50MHz 采樣率。

分布式行波監測系統組成如圖2所示。

圖2 分布式行波監測系統組成

3 故障定位技術優化分析

根據線路長度、故障行波波速、故障行波波頭等因素對架空線路故障進行了故障診斷。假定架空傳輸線的理論長度是L，而實際上是αL，而α是與弧垂、波速、波頭有關的校正參數，如果在傳輸線某個地方出現了問題，那么，如果斷開位置與監控設備1之間的間隔是x，那么這個問題與監控設備2之間的間距是αL-x。

帶誤差模型雙端定位原理如3所示。

若故障瞬變行波的真實波速為v0，則從產生的地點至監控設備1 的故障行波所需要的時間間隔t1=x/v0。

當故障的行波在發射期間會產生某種衰減，使t'1-t'2=t1-t2+Δt，Δt所表示的是兩個監測裝置采樣故障行波之間的具體差值。

假定故障行波的理論速度是v，則故障地點與監控設備1的真實距x'如式（2）所示。

由公式（3）可知：△x 為故障和監控設備1 之間的真實距離與故障和監控設備1 之間的理論間距差異。

因此，線路的故障位置與線路長度、波速、波頭的衰減密切相關。

3.1 線路長度的影響

假設架空輸電線路的弧垂等高，則塔間間距為l，導線的長度則等于塔柱間距的α，α>1，監控設備間的間距L，則傳輸線的長度為：

（Ll）×αl=αL。

在故障線波波頭不受阻尼的情況下，真實的故障位置與監控設備1之間的距離x'，為式（4）：

所以由式（4）可知，由于線路長度引起的定位誤差為式（5）：

因此，若獲得了修正系數α，則導線的故障位置與導線的路徑長度相關，且隨著導線間距的增加，其定位精度也會降低。

3.2 波頭衰減效應研究

由于監控設備對故障行波進行采集的核心是波頭，而當瞬時故障行波通過終端傳遞時，行波波頭振幅減小，波頭速度減慢，若監控設備所獲取的行波信號延時為1μs，則造成的位置偏差為300m左右。

所以，必須改進監控設備的取樣準確率，以減少長距離傳輸時的行波干擾。檢測裝置之間的距離也需要縮短，在特定的情況下，可以在架空輸電線路內多加設一些監測裝置。

3.3 波速的影響

輸電線路中的故障行波速度與光速C 相比較要低，是0.936～0.987C。如果導線的長度正確，而行波波頭不會衰減，則由圖3 可知，在導線故障時，故障點與監控設備1 的理論間距為式（6）：

圖3 帶誤差模型雙端定位原理

在式（6）中，理論波速度為v，真實波速度為v0。因此，對理論波速度與實際速度的位置偏差為式（7）。

因而，若已知行波波速度，則對故障點的定位精度產生一定的誤差。在測量設備間距的同時，隨著測量儀器的理論速度和實測速度的變化關系，對設備的故障位置進行了精確的分析。當線路速度相同時，設備間距增大，則故障位置精度降低。若在線中部出現故障，則無錯誤的定位，且距中心線距離愈近，則定位精度愈差。在線波速度測試中，一般都會使用在線波速度的檢測方法，這樣可以減小波速度、線長等因素的干擾，從而改善故障的位置。

4 結語

本文分析了線路長度、波頭、波速等因素對線路故障定位的作用，提出了一種基于線路長度、波頭和波速的檢測方法，監測裝置之間距離與線路相比較要小，能夠實現在線波速測量，提高定位的精準度，避免出現誤差。在架空傳輸線故障的情況下，隨著故障位置與監控設備的接近，其故障位置的精度也相應提高。通過在線檢測波速度，可以更好地改善故障的位置精度。如果不能利用波速法對線路進行實時檢測，將會導致線路的故障位置出現偏差。隨著理論波速度與實測波速度的關系，故障位置精度較高。