特高壓直流輸電線路改進雙端行波故障定位法的研究

摘要：中國電力行業經過多年的發展，在特高壓輸電技術領域已實現全球領先。快速、準確地定位特高壓直流輸電系統線路故障，能夠保障直流輸電系統的穩定運行，同時縮短故障處理時間。為了提升特高壓直流輸電線路故障定位的準確性，首先介紹了行波原理，其次提出了改進雙端行波故障定位法，最后對該方案進行了仿真驗證。實驗結果證明，改進的雙端行波法在實際應用中能夠得到非常準確的故障測距結果。

關鍵詞：線路故障定位；雙端行波故障定位法；特高壓直流輸電系統

中圖分類號：TM723 文獻標識碼：A

0 引言

特高壓輸電系統憑借自身卓越的性能獲得了廣泛應用，其既能顯著提高電網運行的安全性，又能提升社會效益。但是，在實際輸電工作時，輸電線路將面臨復雜多變的氣候和環境條件，這些因素會增加其出現故障的概率。當故障出現后，若使用人工排查故障的方式需要投入較多的人力、時間，且會增加電力系統的運行風險。因此，需要一種更加高效、科學的方式進行故障排查。基于此，本文研究了特高壓直流輸電線路改進雙端行波故障定位的方法，采用文獻研究法和數據分析法進行分析，旨在提供更具系統性的研究成果。

1 行波原理

特高壓直流輸電線路出現故障時，故障點會瞬間產生包含故障信息的暫態行波信號，該信號會沿著線路向兩端迅速傳播，其傳播速度接近光速，通常可達到每微秒數百米至數千米，能迅速將故障信息傳遞至線路兩端。在傳播過程中，行波信號會受到多種因素的影響[1]。線路的電氣參數，如電感、電容、電阻等，均會改變行波的傳播特性（包括波速、波形等）。不同的故障類型的行波信號在幅值、頻率等方面存在差異。此外，過渡電阻的存在也會對行波信號產生影響，它會改變行波信號的幅值和波頭陡度等特性。通過對行波信號進行采集和分析，可以提取出故障點的位置信息。雙端行波法利用安裝在特高壓直流輸電線路兩端的高精度傳感器來采集行波信號，并準確地記錄行波到達故障點的時間和波形特征[2]。然后，通過比較兩端行波信號到達的時間差，結合行波的傳播速度，可以計算出故障點距離兩端的距離。

利用該方法能夠在短時間內完成對故障點的準確定位，從而為特高壓直流輸電線路的故障處理工作提供有力支持[3]。此外，還可以利用行波的反射特性和折射特性進一步提高故障定位的精度。例如，通過分析行波信號在故障點、母線及其他波阻抗不連續點之間產生的多次反射特征和可能的折射現象，可以顯著提高對故障點位置的定位精度。行波的折反射原理如圖1所示。其中，u1f為反射波，u2q為折射波，u1q為入射波，A為輸電線路波阻抗的突變點，Z1與Z2分別為兩種介質的波阻抗，影響波的傳播特性，B與C分別為兩個不同介質的邊界或界面。

當節點A處的波阻抗完成從Z1到Z2的轉變時，電壓行波的折射、反射系數的計算公式如下：

式中，αA為折射系數，βA為反射系數。

在實際應用中，還需要借助高精度的時間同步技術以確保兩端傳感器記錄的時間準確無誤，從而提高故障定位的精度。通過多種技術手段的綜合運用，可以快速、準確地定位特高壓直流輸電線路的故障點，保障電力系統高效穩定運行[4]。

2 改進雙端行波法的方案

圖2為行波折反射網絡，M和N是安裝在線路兩端總線上的高頻傳感器，F為故障點位置，位于線路區間內，M與N之間的線路總長度為L。設t0為故障初始時刻，tm1與tn1分別表示故障產生的暫態行波首次到達M和N的時刻[5]。tm3與tn3對應暫態波在母線端與故障點間經歷兩次全反射后返回各自母線的二次反射時間。時間參數tm2與tn2表征暫態波在對端母線反射后，經故障點透射折返至本端母線的波抵達時刻。傳輸過程中的行波速度為V，XM和XN分別為故障點到檢測點的兩段距離。

當系統出現異常狀況時，位于線路兩端的高頻傳感器M、N能夠捕獲3種不同的行波信號：一是故障點直接向監測位置傳播的初始行波；二是經由母線反射并在故障點發生二次反射的后續行波；三是通過對側母線反射后，再經故障點折射最終抵達同側母線的復合行波信號[6]。在實際操作中，故障初始行波傳輸到兩端所需時間的計算公式如下：

根據式（2）可知，波速與線路長度是影響初始行波到達兩端時間的重要參數。在固定的波速和線路長度條件下，時間總和為一定值，并不會影響故障的具體位置，故障距離的計算公式如下：

優先采用鄰近故障位置的檢測端所捕獲的二次反射波信號，即故障點回波作為修正基準，對初步測距數據進行精度校準。根據線路兩端監測裝置獲取的故障初始行波抵達時刻，將故障線路劃分為兩個區段[7]。若所得結果為tm1＜tn1，則判定故障位于線路前段；反之，當tm1＞tn1時，故障則處于線路后段。假設故障發生于線路前段區域，設修正波波峰抵達M監測點的時刻為，則故障時間的計算公式如下：

修正后的行波實時波速計算公式如下：

代入實時波速和故障發生時間后，校正后的故障距離計算公式如下：

當故障發生在輸電線的后段時，改進雙端行消故障定位法可以推導故障距離，其計算公式如下：

3 仿真驗證

為了證明本文所提出的改進雙端行波故障定位法的科學性和有效性，開展了仿真分析工作。在仿真分析過程中，選用了某地±1 000 kV特高壓直流輸電線路作為研究對象，該特高壓直流輸電模型采用雙極運行方式，整個系統中配置的逆變裝置和整流裝置均為兩套；使用架空線路的方式連接逆變站與整流站，架空線長度為300 km，計算后發現其行波波速為2.82×108 m/s。

3.1 常規雙端行波法和改進雙端行波故障定位法有效性的對比

選擇常規雙端行波法和本文的改進雙端行波故障定位法進行對比實驗，在對比過程中，確定線路長度為300 km以及故障點過渡電阻為50 Ω。最終得出以下結論：針對雙極短路問題和單極接地問題，本文提出的改進雙端行波故障定位法均能更為精準地確認故障位置。例如，當遭遇雙極短路情況時，假設XN、XM的實際距離分別為50 km、

250 km，通過常規雙端行波法計算得出的XM為251.53 km，相對誤差為0.61%。而改進雙端行波故障定位法計算得出XM為250.43 km，此時相對誤差僅為0.17%。當遇到單極接地情況時，假設XN、XM的真實距離分別為50 km、250 km，通過常規雙端行波故障定位法計算得出XM為251.78 km，相對誤差為0.71%；而改進雙端行波故障定位法計算得出XM為250.10 km，此時的相對誤差僅為0.04%。由此可知，針對上述兩種情況，改進雙端行波故障定位法的相對誤差均較小。

3.2 利用反射波定位的有效性驗證

針對單極接地故障這一工況進行仿真實驗，設置故障點的過渡電阻為50 Ω，改變故障發生位置，當tn1大于tm1時，使用式（6）和式（7）計算故障距離。表1為單極接地情況下，常規雙端行波法和改進雙端行消故障定位法得到的測距結果。

根據表1的結果可知，當使用式（6）計算故障距離時，其最大相對誤差和最小相對誤差分別為0.89%、0.55%；而使用式（7）計算故障距離時，其最大相對誤差和最小相對誤差分別為0.23%、0.04%。實驗結果表明，按照輸電線前后兩段情況計算故障距離，能夠提高計算結果的精度[8]。

3.3 近區故障和過渡電阻的影響

針對單極接地故障進行仿真實驗，并設置故障點過渡電阻為50 Ω，使用本文提出的改進雙端行波故障定位法，進行輸電線路近區故障距離的測量工作，最終結果如表2所示。

由表2可知，采用改進雙端行波故障定位法測量近區故障距離時，其最大相對誤差為1.05 km，因此無須進行改動，此時XM的實際距離為8 km；最小相對誤差為0.03 km，此時XM的實際距離為

16 km。實驗數據表明，改進雙端行波故障定位法在測量近區故障距離方面具有較高的精度。

為了分析過渡電阻對測量精度的影響，在故障點分別設置了200 Ω、100 Ω、50 Ω 3種過渡電阻，并采用改進雙端行波故障定位法對單極接地故障距離進行測量，將實驗結果進行匯總，如表3所示。

由表3可知，在故障點設置電阻值為200 Ω的過渡電阻，且XM為75 km時，采用改進雙端行波故障定位法進行測量，測距最大相對誤差為0.59%；在故障點設置電阻值為100 Ω的過渡電阻，且XM為50 km時，測距最大相對誤差為0.58%；在故障點設置電阻值為50 Ω的過渡電阻，且XM為250 km時，測距最大相對誤差為0.23%。實驗結果表明，本文提出的改進雙端行波故障定位法在不同規格過渡電阻條件下，均具有較高的測量精度。

4 結語

本文設計了適用于特高壓直流輸電線路故障定位的改進雙端行波故障定位法，并開展了仿真實驗。實驗結果證明，提出的改進雙端行波故障定位法在實際應用中能夠獲取精準的故障測距結果，其在多種過渡電阻和不同類型的故障情況下，均展現出良好的應用效果，并且也能較好地應用于近區故障的定位。

參考文獻

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