110 kV 及以上輸電線路單相接地故障點自動定位方法

吳廣奇，金紅兵，葉子豪，郭遠超

（國網浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324000）

0 引 言

單相接地故障是110 kV 及以上輸電線路常見的問題之一，對電力系統的安全穩定運行構成嚴重威脅。快速準確地定位故障點是解決這一問題的關鍵，對于提高供電可靠性、縮短停電時間、降低維護成本具有重要意義。傳統的故障定位方法通常依賴人工巡檢和有限的自動化設備，存在定位時間長和精度低等問題[1]。基于此，文章提出一種110 kV 及以上輸電線路單相接地故障點自動定位方法。

1 110 kV 及以上輸電線路單相接地故障點自動定位方法的設計

1.1 采集110 kV 及以上輸電線路故障信號

文章基于行波法設計110 kV 及以上輸電線路的單相接地故障點的自動定位方法。輸電線路中分支線路過多是故障點自動定位的一大挑戰，而掌握分支點上行波信號的傳輸特征是研究故障點定位方法的基礎。文章以分支線路為例，分析行波信號在輸電線路分支線路中的傳輸特征。行波信號經由分支線路的變化如圖1 所示，其中P 點表示阻抗不連續。

圖1 行波信號經由分支線路的變化

行波信號通過圖1 中的線路時，在阻抗不連續性處（故障點或母線等）將產生折射、反射，從而影響110 kV 及以上輸電線路的正常運行[2-3]。在線路1上，入射波在P 點會發生折射與反射，支路2 和支路3 等效為并聯，等效阻抗的計算公式為

式中：z1、z2、z3分別為輸電線路1、線路2、線路3的阻抗。則該線路中的電壓入射行波信號U在線路2、線路3 中的折射波U2、U3的表達公式為

該線路中的電流入射行波信號I在線路2、線路3 中的折射波表達公式為

由此可知，在110 kV及以上輸電線路的分支點處，無論是電壓還是電流，均存在折射與反射現象。同時，每條分支線路上的電壓行波信號均等效，其大小取決于支路的阻抗。在同一分支線路上，如果兩分支線路的阻抗相同，則經過支路的折射后，到達支路上的電流波形信號也相同；如果兩條分支線路的阻抗存在一定差異，則向分支線路傳播的電流行波信號的大小與支路阻抗成正比。

1.2 基于故障行波信號測量故障距離

基于收集到的故障行波信號測量故障距離。當故障發生后，需要根據線路具體情況設定信號幅值，并通過人工方式將行波信號發送到輸電線路，以準確獲取行波信號。確定故障位置后，輸電線路已退出運行，因此不會受終端負荷變化的影響。

行波法是一種單相接地定位方法，利用故障點處的行波信號的傳播速度和反射時間來求取故障距離。原始的行波方法是利用信號傳播速度和首次故障反射波波頭到達測點的時間進行測距。而110 kV 及以上輸電線路故障距離的測定，一般先利用二次行波法獲得兩組波形信號，再對這兩組信號進行差值計算，求出波型差值，最后求出距離。在利用行波法測距時，可以根據信號的傳播速度與波形的差異數據中第一個突變點不為0 的時刻，得出故障距離。其中，波形差指出現故障前和出現故障后故障階段波形的差異[4]。

基于分析可知，波形差第一個不為0 的點為故障點的反射波，稱為故障特征波，其他波形差不為0的點為差異點。故障距離的計算公式為

式中：t為波形信號的第一個差異點發生的時間；v為行波信號的傳輸速度。

行波信號測距的優勢在于不受故障信號強度的影響，可人為注入已知信號，確保定位準確，并易進行濾波消噪。此外，其能在不帶電情況下檢測永久性故障，并與自動重合閘結合，判斷故障是否消失，確保線路穩定和設備安全。這些優勢使行波信號測距在故障定位方面更具實用性和可靠性。

1.3 定位單相接地故障點

由式（1）可計算出故障點至監測點的距離。由于輸電線路具有多個分支，當以測點為中心，以故障距離為半徑時，同一條輸電線路上的故障點將不止1個，因此在求出的故障點中，會出現假故障點。為解決該問題，研究單相接地故障點的準確定位方法，提出輸電線路故障U/I響應變化率函數，計算公式為

式中：Un為第n條分支路線端流入電壓；In為第n條分支路線端流入電流；x、y分別為線端流入電流、同端電壓的微分。

故障U/I響應定位流程分為5 步。第一，根據指令測量故障距離，檢測并存儲輸電線路中的故障響應特性參數。第二，抽取每條線路末端U/I響應的特征量，對其進行差分，獲取每條線路的末端U/I響應參數的變化速率[5]。第三，判定該指數是否滿足(x,y)，只有在同一端U/I變化量最大的情況下，才能對故障分支進行識別。第四，在精確判斷故障分支的基礎上，過濾并提取故障線路各支路的U/I響應參數，并進行歸一化處理。第五，根據具體的輸電線路參數，對故障點進行準確定位，并將信息反饋給有關維修人員，以便于完成下一階段的排除工作。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

為驗證文章設計方法的有效性，需要進行實驗測試。以MATLAB 軟件為基礎搭建仿真測試環境，將A 市某條110 kV 的IEEE33 節點輸電線路的各項參數帶入本次測試環境。該輸電線路的簡化模型如圖2 所示。

圖2 輸電線路模型

實時采集圖2 所示110 kV 及以上輸電線路的電壓和電流響應數據，結合單位阻抗值、線路長度等參數，使用文章提出的故障定位法與文獻[1]提出的基于改進希爾伯特-黃變換的定位方法進行故障定位，并對比定位結果試。設置輸電線路模型中的故障點編號為A1 ～A6，人工測量各故障點與節點1 的距離，重復5 次，所得數據如表1 所示。

表1 測量結果 單位：km

2.2 實驗結果與分析

取表1 中各故障點的樣本數據的平均數，并以此為實際故障位置，進行對比。單相接地故障點的定位結果如表2 所示。

表2 對比測試結果 單位：km

根據表2 的測試結果可以看出，與文獻 [1] 提出的定位方法相比，文章提出的110 kV 及以上輸電線路單相接地故障點自動定位方法能夠實現高精度的故障定位，受線路參數不準確性的影響較小，因此能夠更準確地確定故障點的位置。

3 結 論

文章主要研究110 kV 及以上輸電線路單相接地故障點自動定位方法，深入探討接地故障的產生原因，分析其產生的復雜因素，并詳細闡述定位方法的實施過程。通過研究發現，采用文章提出的自動定位方法能夠快速有效地確定故障點，提高故障處理效率，縮短停電時間，為保障電力系統的穩定運行提供有力支持。