基于行波理論的電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)

趙慶喜，蔡夏詩，盛從兵，邵 震，曾祥君

（1.國網(wǎng)河南省電力公司 濮陽供電公司，河南 濮陽 457000；2.長沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410004）

電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量以及電壓等級在不斷提高，電網(wǎng)之間的互聯(lián)也日益緊密［1-2］，因此，一旦發(fā)生故障，波及范圍廣、危害大、損失重［3-4］。而輸電線路故障大部分由絕緣故障造成，電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高壓線路輸送距離長，可能穿越高山密林或污穢地區(qū)。因線路絕緣子老化、雷擊閃絡(luò)、鳥糞污閃等各種類型絕緣故障時有發(fā)生，易導(dǎo)致線路出現(xiàn)停電事故，據(jù)統(tǒng)計，中國110kV線路發(fā)生不明原因閃絡(luò)所占比例為故障率的22%［5-8］，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，絕緣子的檢測方法分為電量檢測法和非電量檢測法兩大類。文獻(xiàn)［9］利用絕緣子出現(xiàn)局部放電或泄露電流時發(fā)熱產(chǎn)生的紅外線來判斷絕緣故障，測量設(shè)備體積小、重量輕、操作簡單，適合現(xiàn)場應(yīng)用，但溫度測量很容易受陽光、風(fēng)雨、大氣溫度等因素的影響而導(dǎo)致可靠性不高，且設(shè)備造價普遍高。文獻(xiàn)［10］提出用超聲波檢測法檢測絕緣子內(nèi)部裂痕方面，操作簡單、測量準(zhǔn)確，但不適合檢測現(xiàn)場運(yùn)行的絕緣子。文獻(xiàn)［11］采用電場測量法來反映絕緣子的絕緣故障十分直接，但傘裙破裂等故障并不影響絕緣子的電場分布，故該法不能檢測絕緣子的所有故障。

因此，筆者提出一種新的絕緣子故障檢測方法，即將成熟運(yùn)用于電網(wǎng)短路等故障定位的行波定位技術(shù)應(yīng)用于線路絕緣故障在線監(jiān)測及精確定位，通過預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出告警，預(yù)防跳閘發(fā)生，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)維單位及時消除設(shè)備隱患，合理安排檢修，這對電力線路保持安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常意義。

1 絕緣故障行波特性分析

1.1 行波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動（如斷路器開合閘、線路短路、絕緣子閃絡(luò)等）時，擾動處會產(chǎn)生突變的行波信號，沿線路向電網(wǎng)傳播，該行波信號包含了大量故障特征量，如故障種類、地點、發(fā)生的時間、程度等。在變電站容性設(shè)備中，接地線、互感器二次側(cè)等位置可以檢測到該行波信號，從而進(jìn)行故障定位、保護(hù)等操作［12-14］。

行波產(chǎn)生的原理如圖1所示，F(xiàn)處出現(xiàn)金屬性短路事故，則故障瞬間時F點電勢降為零，可以看作正常時該點電勢Uf與故障產(chǎn)生的反電動勢-Uf的疊加（圖1（d）），反電動勢-Uf激發(fā)行波，沿導(dǎo)線傳播。

圖1 故障線路的等效分解示意Figure 1 Equivalent dissociation diagram of faulted transmission line

一般情況下，線路發(fā)生短路時，短路點會有過渡電阻，不會發(fā)生完全金屬性短路故障，描述線路經(jīng)過渡電阻R接地的故障分量示意如圖2所示，其產(chǎn)生的初始電壓行波與電流行波傳播到線路上的大小表示為

式（1）～（4）中 θ為故障初相角，其大小與故障發(fā)生的時間有關(guān)；ZC是線路波阻抗（一般架空線路波阻抗為300Ω，電纜線路波阻抗為200Ω），其大小與故障線路單位長度的電感L和電容C有關(guān)；R為故障過渡電阻，其大小與故障情況有關(guān)。

圖2 線路故障等效電路Figure 2 Equivalent circuit of faulted transmission line

由式（2）、（3）可知，擾動激發(fā)的初始行波幅值與θ，ZC以及R有關(guān)，并且擾動激發(fā)的行波幅值與R成反比，R越大，行波幅值越小，故線路經(jīng)高阻短路與金屬性短路相比，前者激勵的行波幅值較小。絕緣未完成擊穿時產(chǎn)生的行波信號也可用式（2）、（3）表示，與短路故障的區(qū)別在于其過渡電阻R值不同而已，即絕緣未擊穿時，R值較大，產(chǎn)生的行波信號較弱，如果絕緣進(jìn)一步惡化，發(fā)展到短路狀態(tài)，其R值急劇下降，行波信號較強(qiáng)。架空線路的波阻抗為350～500Ω，對于220kV線路來說，其行波電流小于1 100kA，而絕緣子污閃電流往往只有幾十毫安至幾安。

1.2 絕緣子故障行波特性分析

在大氣環(huán)境中，在線運(yùn)行的絕緣子受到工業(yè)排放物以及自然揚(yáng)塵等環(huán)境因素的影響，表面逐漸沉積一層污穢物，當(dāng)遇到潮濕天氣時，在絕緣子表面會形成一層導(dǎo)電水膜。絕緣子的閃絡(luò)分為4個階段：絕緣子積污、絕緣子濕潤、局部放電和閃絡(luò)。局部放電是閃絡(luò)的前兆，在潮濕天氣下，輕度污穢絕緣子串可能間歇性地發(fā)生局部放電，但不形成貫通性的閃絡(luò)接地故障；重度污穢絕緣子串極易發(fā)生貫通性接地閃絡(luò)，造成跳閘事故。絕緣子表面污穢由輕變重，發(fā)生污閃的幾率由小變大，絕緣子在故障程度逐漸加深的過程中，故障產(chǎn)生的行波幅值也會越來越大，故障產(chǎn)生行波的時間間隔會越來越短。絕緣故障產(chǎn)生的行波主要有2個特點：

1）由于作用在電力線路絕緣子上的運(yùn)行電壓是周期性的，在絕緣發(fā)生閃絡(luò)或擊穿前，由絕緣降低引起的故障行波往往發(fā)生在電壓峰值附近，是周期性的，并且越臨近閃絡(luò)或擊穿點，絕緣故障產(chǎn)生的行波幅值會越來越大，產(chǎn)生行波的時間間隔會越來越短，因此，可以根據(jù)產(chǎn)生行波的時間間隔以及產(chǎn)生的行波幅值來判斷絕緣子的性能下降程度。

2）一般電力線路故障為各類接地短路或是相間短路故障，故障電流大，產(chǎn)生行波信號幅值大。筆者研究電力線路絕緣故障預(yù)警問題，需要在沒有形成貫通性閃絡(luò)接地時，通過輸電線路上故障行波實現(xiàn)初始閃絡(luò)定位，并根據(jù)故障行波特征量的變化分析出線路絕緣情況，此時故障電流小，產(chǎn)生的絕緣故障行波幅值小。因此，必須提高行波檢測裝置的檢測精度，才能捕捉到絕緣故障產(chǎn)生的行波信號，該文采用專門研制的穿芯式行波傳感器。

2 電力線路絕緣故障預(yù)警方案

2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)需要在絕緣子沒有形成貫通性閃絡(luò)接地時，通過輸電線路上絕緣子局部放電產(chǎn)生的故障行波實現(xiàn)初始閃絡(luò)定位，并根據(jù)故障行波特征量的變化分析出線路絕緣情況，跟蹤預(yù)判絕緣子性能。系統(tǒng)主要由硬件提取行波信號、在線修正的ns級衛(wèi)星同步時間等來實現(xiàn)電力線路絕緣故障精確定位預(yù)警。系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

當(dāng)電力線路上絕緣子因表面積污等原因發(fā)生輕微閃絡(luò)時，線路產(chǎn)生由故障點向線路兩端傳播的高頻暫態(tài)行波，安裝在線路兩端的穿芯式行波傳感器能抑制高頻信號，只傳播10kHz～2MHz之間的高頻突變信號，將其套接在CVT接地線上，并準(zhǔn)確、無時延地傳變故障行波波頭，經(jīng)高頻屏蔽電纜送至行波采樣單元的前置模塊；前置模塊進(jìn)行暫態(tài)突變信號檢測，把突變的電壓行波信號的波頭變成一個一定幅值、寬度的脈沖信號，輸出到行波采樣單元的高精度計時模塊鎖定脈沖信號突變時刻的絕對時間；時間由高精度GPS時鐘提供，行波到達(dá)時間及波形由高速GPRS無線通道送至行波定位模塊，完成定位計算實現(xiàn)預(yù)警并顯示絕緣預(yù)警主機(jī)界面，工作人員直接通過主機(jī)界面進(jìn)行定位結(jié)果、線路故障歷史等信息查詢。

圖3 絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)Figure 3 Insulation faults pre-warning system

2.2 電力線路絕緣預(yù)警方法

電力線路絕緣故障預(yù)警方法（流程）如圖4所示，包括步驟：

1）在線路兩端電容式電壓互感器（CVT）接地線上安裝穿芯式行波傳感器；

2）記錄行波傳感器二次側(cè)輸出信號，檢測信號的暫態(tài)突變，并記錄電壓行波信號出現(xiàn)的ns級衛(wèi)星同步時間；

3）判斷電壓行波信號的頻帶大小，若U高頻帶＞U低頻帶，則觸發(fā)衛(wèi)星模塊記錄同步時間，否則返回步驟2；

4）將兩端突變的時間信息傳送到絕緣故障精確定位模塊，進(jìn)行精確定位計算（找出故障絕緣子所在桿塔）；

5）輸出定位結(jié)果，實現(xiàn)預(yù)警，同時返回步驟2；

圖4 線路絕緣故障預(yù)警流程Figure 4 Flow chart of insulation faults pre-warning system

3 電力線路絕緣預(yù)警系統(tǒng)

基于行波理論的電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)主要由3個部分構(gòu)成：穿芯式行波傳感器、分布式行波測距裝置和絕緣預(yù)警主機(jī)。穿芯式行波傳感器用于將一次側(cè)電流行波傳變成二次側(cè)電壓行波；分布式行波測距裝置記錄行波波形和數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳送到絕緣預(yù)警主機(jī)；預(yù)警主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得到故障距離、桿塔號等結(jié)果。工作人員可通過主機(jī)界面對故障線路、故障位置、故障歷史等進(jìn)行查詢。具體模塊有行波高速采集模塊、高精度GPS衛(wèi)星時鐘模塊、定位預(yù)警模塊及人機(jī)交互模塊。

3.1 行波高速記錄模塊

穿芯式行波傳感器套接在桿塔CVT的地線上能有效檢測閃絡(luò)等輕微故障產(chǎn)生的電壓行波，不失真地傳變電力系統(tǒng)一次測暫態(tài)信號，利用CVT接地線提取的電流行波信號，將電流轉(zhuǎn)變成電壓信號通過高屏蔽電纜傳送給分布式行波測距裝置，直接利用硬件提取，不需要高速采集，電壓行波波頭提取延時小于20ns，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。

3.2 高精度GPS衛(wèi)星時鐘模塊

GPS時鐘與高精度晶振時鐘比對產(chǎn)生高精度衛(wèi)星同步時間對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時標(biāo)配準(zhǔn)［15-16］，實現(xiàn)對系統(tǒng)擾動情況異地同步記錄，提高絕緣定位精度。在電力線路絕緣故障定位預(yù)警系統(tǒng)中，由安裝在線路兩端的裝置記錄電壓行波從局部放電的絕緣子沿電力線路傳輸?shù)竭_(dá)測量點的準(zhǔn)確時刻，衛(wèi)星同步時鐘誤差小于50ns，可實現(xiàn)精確定位計算。

3.3 精確定位預(yù)警模塊

由以上2個模塊采集到的暫態(tài)電壓行波信號和記錄的ns級衛(wèi)星同步時間，通過GPRS無線通道傳送至定位預(yù)警模塊，根據(jù)D型雙端定位公式精確定位計算，定位誤差小于150m，通過分析行波幅值大小以及行波產(chǎn)生的時間間隔判斷預(yù)警程度，預(yù)警程度可分為一般預(yù)警和嚴(yán)重預(yù)警。

3.4 人機(jī)交互模塊

工作人員通過預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)界面即可對電力線路性能發(fā)生下降的絕緣子局部放電的時間、絕緣子位置以及線路局部放電歷史事件進(jìn)行查詢，通過歷史時間反映絕緣閃絡(luò)的發(fā)展過程，預(yù)測絕緣閃絡(luò)放電的發(fā)展趨勢，合理安排檢修。

4 電力線路絕緣預(yù)警系統(tǒng)實驗驗證

為了保證預(yù)警系統(tǒng)能廣泛地應(yīng)用于不同電壓等級的輸電網(wǎng)，必須測試電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)對不同電壓等級線路絕緣子絕緣故障的靈敏性，該次實驗測試不同片數(shù)的絕緣串在輕度絕緣故障放電條件下預(yù)警系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

實驗方法：首先對絕緣子串進(jìn)行加污加濕處理，然后加入工頻電壓，逐漸升壓，直到有局部火花放電現(xiàn)象出現(xiàn)（沒有沿面閃絡(luò)），模擬絕緣故障放電現(xiàn)象，觀察預(yù)警系統(tǒng)能否檢測到行波信號，如果預(yù)警系統(tǒng)能檢測到行波信號，則可證明該預(yù)警系統(tǒng)具有足夠的靈敏度，能檢測到該電壓下絕緣子串故障產(chǎn)生的行波。一旦系統(tǒng)檢測到故障行波，絕緣預(yù)警主機(jī)上會出現(xiàn)行波到達(dá)的時間記錄；如果預(yù)警系統(tǒng)沒有檢測到行波信號，則絕緣預(yù)警主機(jī)上不會出現(xiàn)行波到達(dá)的時間記錄。重復(fù)實驗5次，保證實驗結(jié)果可靠性，分別對2，4，7片絕緣子進(jìn)行實驗。

4.1 實驗接線原理

電力線路上絕緣子故障時，在工頻電壓作用下，會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生行波。為了模擬該現(xiàn)象，實驗中將工頻高壓電源和絕緣子高壓端相連，絕緣子低壓端接地，這與絕緣子實際運(yùn)行情況相符，并且在電源處并聯(lián)電容值為400PF的電容器，在電容器接地線上套接行波傳感器，便可檢測絕緣子故障放電時產(chǎn)生的行波，然后送入電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行分析處理。這里用400PF電容器等效變電站母線上CVT，模擬在CVT接地線上采集緣故障行波過程。系統(tǒng)靈敏性測試實驗接線原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)靈敏性測試實驗接線原理Figure 5 Experimental elementary diagram for systemsensitivity testing

4.2 實驗數(shù)據(jù)

1）實驗現(xiàn)象。觀察實驗現(xiàn)象可知，電壓逐漸升高，2，4，7片絕緣子電壓分別升高到10，18，28kV左右，絕緣子首先會出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，發(fā)出響聲，隨著電壓升高，響聲越來越大，最后形成局部火花放電現(xiàn)象。在出現(xiàn)局部火花放電時，預(yù)警裝置便能檢測到行波，在此之前，預(yù)警裝置無動作。

2）實驗絕緣子串局部火花放電。實驗中絕緣子串局部火花放電現(xiàn)象如圖6所示，亮光處為放電部位（黑色圓圈內(nèi)）。

3）實驗波形。絕緣子串實驗波形如圖7所示，從波形圖可以看出，絕緣子發(fā)生局部放電時，預(yù)警裝置能靈敏檢測到故障行波。

圖6 絕緣子串局部火花放電示意Figure 6 Partial discharge picture of insulator

圖7 絕緣子串實驗波形Figure 7 Insulators experimental waveforms

4）電壓數(shù)據(jù)。絕緣子電壓數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 2片絕緣子放電的電壓數(shù)據(jù)Table 1 Voltage data of two pieces insulators discharging

表2 4片絕緣子放電電壓數(shù)據(jù)Table 2 Voltage data of four pieces insulators discharging

表3 7片絕緣子放電電壓數(shù)據(jù)Table 3 Voltage data of seven pieces insulators discharging

4.3 實驗結(jié)論

在發(fā)生局部火花放電現(xiàn)象情況下，絕緣系統(tǒng)靈敏性測試實驗分別測試了絕緣子串片數(shù)為2，4，7片時絕緣預(yù)警主機(jī)能否記錄行波，即測試絕緣預(yù)警系統(tǒng)對35，110kV電壓等級的絕緣故障的靈敏性，由實驗結(jié)果可知：

1）絕緣預(yù)警系統(tǒng)能有效檢測35，110kV電壓等級下絕緣子串發(fā)生故障時產(chǎn)生的故障行波，能應(yīng)用于35，110kV電壓等級電網(wǎng)的絕緣故障預(yù)警；

2）絕緣預(yù)警系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下不會誤動，只有在發(fā)生絕緣故障時才會動作，絕緣預(yù)警系統(tǒng)可靠性高。

3）實驗數(shù)據(jù)略分散是由于絕緣子鹽污處理程度不同。

5 結(jié)語

電力線路絕緣預(yù)警系統(tǒng)以精確行波定位技術(shù)為基礎(chǔ)，將成熟應(yīng)用于輸電線路行波定位技術(shù)嵌入到輕微絕緣故障預(yù)警，提出了電力線路輕微故障檢測和預(yù)警方法，專門研制的行波傳感器檢測靈敏度高、系統(tǒng)定位誤差小，實驗結(jié)果表明預(yù)警系統(tǒng)靈敏性高，能準(zhǔn)確預(yù)判線路絕緣子絕緣性能。

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