輸變電線路非接觸傳感器故障點(diǎn)標(biāo)定系統(tǒng)應(yīng)用研究

【摘要】架空輸配電線路中安裝故障標(biāo)定系統(tǒng)能夠快速確定故障位置，為排除線路故障具有非常重大的意義。但目前故障定位系統(tǒng)是利用原有變電站內(nèi)錄波系統(tǒng)信號(hào)，對(duì)安裝位置具有一定要求和使用局限。非接觸式傳感器具有信號(hào)失真度低，安裝靈活，安全系數(shù)高，在實(shí)際輸配電線路中完成故障精確定位具有很高的使用價(jià)值，本文對(duì)于采用非接觸傳感器的故障標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于此研究結(jié)果并在220kV系統(tǒng)中試驗(yàn)掛網(wǎng)運(yùn)行取得了成功。

【關(guān)鍵詞】故障點(diǎn)標(biāo)定;非接觸式傳感器;GPS時(shí)間同步

1.前言

架空輸配電線路是我國(guó)電網(wǎng)的主要組成部分，承擔(dān)著各地區(qū)電能輸送和供電的重要任務(wù)，直接影響到整個(gè)電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和安全性。隨著各地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和電網(wǎng)的強(qiáng)化，許多電網(wǎng)安置在地形復(fù)雜區(qū)域，而且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈發(fā)變得復(fù)雜，一旦線路發(fā)生短路故障，故障查找將是一個(gè)工難度很大的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，如果采用人工沿線尋查，將會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的搶修時(shí)間，工作效率比較低[1-3]。因此有必要采用一種先進(jìn)的技術(shù)手段，故障發(fā)生后能夠在遠(yuǎn)程快速地對(duì)故障位置進(jìn)行早期標(biāo)定，為第一線維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的故障位置信息，及時(shí)排除故障盡早恢復(fù)供電。傳統(tǒng)故障標(biāo)定是借助安裝在變電所內(nèi)的故障錄波器來(lái)完成，由于錄波設(shè)備采用變電所室內(nèi)的電壓電流傳感器采集故障信號(hào)，信號(hào)受制于既有傳感器的性能特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于安裝位置有一定要求，對(duì)于復(fù)雜線路或無(wú)變電站的地區(qū)就無(wú)法進(jìn)行雙端GPS同步標(biāo)定方式[4-6]。

本次在220kV輸電線路中采用的故障標(biāo)定系統(tǒng)采用最先進(jìn)的信號(hào)采集單元—非接觸型電壓電流傳感器，同時(shí)采用先進(jìn)的信號(hào)過(guò)濾及補(bǔ)償方式，具有還原信號(hào)好，抗信號(hào)干擾，標(biāo)定精度高的特點(diǎn)，可以滿足國(guó)內(nèi)各類電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安裝使用，而且故障點(diǎn)標(biāo)定精度高。

2.背景

目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)變電站都裝有微機(jī)保護(hù)或微機(jī)故障記錄裝置，常規(guī)定位算法所需要的分析數(shù)據(jù)可通過(guò)系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)備得到，費(fèi)用低，易于實(shí)現(xiàn)。但這些常規(guī)定位算法都是建立在一種或幾種假設(shè)的基礎(chǔ)上，這些假設(shè)都會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)際情況有所差別，自然會(huì)帶來(lái)一些誤差;通過(guò)誤差補(bǔ)償或者采用多端線路數(shù)據(jù)，可以在一定程度上提高算法的精度，但對(duì)高阻接地、多電源線路、斷線故障、分支線路等許多情況定位效果較差，即使在常規(guī)定位算法可以使用的場(chǎng)合，它的實(shí)際測(cè)量精度也往往超出1km以上[2，4-5]。

近年來(lái)，故障行波定位技術(shù)得到了較快的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多雙端、單端行波故障定位算法和原理，目前，實(shí)用化的行波定位裝置主要是利用變電站內(nèi)故障錄波器裝置，對(duì)電流行波信號(hào)進(jìn)行故障定位計(jì)算采用電流行波信號(hào)進(jìn)行故障點(diǎn)標(biāo)定時(shí)，電流行波的采集信號(hào)受電暈干擾較大，尤其對(duì)小波數(shù)據(jù)分析時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波頭定位不準(zhǔn)，直接影響標(biāo)定穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。而在非雷擊絕緣自然破壞尤其是在非接地系統(tǒng)時(shí)，電流行波比較小，對(duì)于系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度要求比較高，造成誤差也比較大。而且，現(xiàn)有行波測(cè)距裝置由于采樣率較低，大多不超過(guò)1MHz，因此標(biāo)定精度也較低[1-2，7-8]。

此外，這些設(shè)備都必須安裝在變電站內(nèi)，對(duì)于安裝空間有一定要求，尤其對(duì)于精度較高的GPS時(shí)間同步的雙端標(biāo)定系統(tǒng)要求，必須要有兩個(gè)以上的變電站才能構(gòu)成一個(gè)完整的故障標(biāo)定系統(tǒng)。對(duì)于一些復(fù)雜的線路，如分支線路多，對(duì)方側(cè)沒有同一管轄的變電站或變電站內(nèi)無(wú)法安置系統(tǒng)設(shè)備，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)間同步標(biāo)定，受實(shí)際線路限制較多[2，4-8]。

由于采用變電站內(nèi)的電壓傳感器和電流傳感器，通常這類傳感器是用于計(jì)量用途，有效值測(cè)量精度較高，但高頻響應(yīng)較差，造成波形失真較大，其標(biāo)定精度也因此受到一定的限制。

本文基于非接觸傳感技術(shù)的輸電線路高精度故障定位技術(shù)進(jìn)行研究，采用安裝在鐵塔上非接觸傳感器采集行波信號(hào)，改變目前僅限于使用變電站內(nèi)電壓電流傳感器（PT和CT）采集方式進(jìn)行故障標(biāo)定。而且非接觸傳感器是專為故障定位設(shè)計(jì)的電壓電流型傳感器，其具有獨(dú)特的平板結(jié)構(gòu)通過(guò)電磁感應(yīng)檢出線路的電壓及電流信號(hào)，具有100KHz以上的頻率響應(yīng)能力，對(duì)于暫態(tài)信號(hào)及對(duì)干擾信號(hào)具有較高處理能力，由于非接觸大大提高了線路安全性。而且非接觸傳感器不依賴變電站，能安裝在線路的任何位置，很好解決了復(fù)雜線路及變電站內(nèi)安裝困難的問(wèn)題，具有適應(yīng)性強(qiáng)易于工程應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)[9-10]。

其次，采用國(guó)際上最高水準(zhǔn)的GPS同步芯片，可將各采集點(diǎn)之間的時(shí)間誤差控制在10-7之內(nèi)，大大減少了硬件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差;系統(tǒng)采樣頻率采用5MHz以上高速采樣技術(shù)，能完好真實(shí)地記錄故障波形，對(duì)于故障點(diǎn)位置標(biāo)定和今后的故障產(chǎn)生原因分析都將提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。采集后的電壓電流行波信號(hào)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中調(diào)計(jì)算機(jī)內(nèi)，采用故障波與干擾波分離處理技術(shù)，減少電暈等各類外界干擾信號(hào)對(duì)解析標(biāo)定故障點(diǎn)的影響，全面實(shí)現(xiàn)高精度故障測(cè)距，根據(jù)各地使用的業(yè)績(jī)實(shí)際誤差基本控制在400M以內(nèi)，對(duì)于電力運(yùn)行和檢修單位降低成本，提高效率，具有重大意義。

本項(xiàng)目適用于35kV～500kV以上輸電線路故障標(biāo)定，不僅消除了傳統(tǒng)測(cè)距固有的缺陷，而且擁有多個(gè)先進(jìn)的行波測(cè)距處理技術(shù)，代表著行波測(cè)距未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向。因此，本項(xiàng)目不僅具有現(xiàn)實(shí)的工程價(jià)值，也具有重要的應(yīng)用前景，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有特殊的工程意義。

圖1 故障位置的標(biāo)定

3.產(chǎn)品原理及研究

3.1 雙端行波標(biāo)定原理

利用故障行波到達(dá)故障線路兩端的時(shí)間差計(jì)算出故障距離，關(guān)鍵是準(zhǔn)確記錄下行波到達(dá)線路兩端的相對(duì)時(shí)間，利用接收GPS的衛(wèi)星信號(hào)并配合高精度恒溫晶振的使用，可以獲取精度在0.1us以內(nèi)的時(shí)間脈沖，因此GPS可作為同步時(shí)間單元。由于母線兩端都只檢測(cè)第一個(gè)到達(dá)的行波，線路過(guò)渡電阻的電弧特性、系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、線路的分布電容以及負(fù)荷電流等因素對(duì)測(cè)距復(fù)雜性不會(huì)造成大的影響，因此雙端行波法比單端行波法測(cè)距結(jié)果更準(zhǔn)確和可靠[7-8]。當(dāng)兩臺(tái)采集裝置之間內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)正確地同步檢出故障產(chǎn)生的行波，來(lái)標(biāo)定故障位置，如圖1所示。

標(biāo)定距離可以表示為[6-8]：

（1）

式中：L，線路AB之間的長(zhǎng)度，m;V，浪涌信號(hào)的傳播速度，m/s;Ta，標(biāo)定裝置A浪涌檢出時(shí)刻;Tb，標(biāo)定裝置B浪涌檢出時(shí)刻。

3.2 本系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)屬于雙端行波標(biāo)定系統(tǒng)，如圖2所示 。

圖2 雙端行波標(biāo)定系統(tǒng)

本故障標(biāo)定系統(tǒng)根據(jù)需要可以同時(shí)采用鐵塔采集裝置方式和變電站采集裝置方式作為信號(hào)采集方式。

鐵塔采集裝置采集信號(hào)是以非接觸傳感器為主，變電站裝置也可以采用站內(nèi)的PT和CT器件采集信號(hào)。各采集點(diǎn)的信號(hào)通過(guò)無(wú)線或有線方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心的電腦上，通過(guò)系統(tǒng)專用解析軟件來(lái)標(biāo)定故障發(fā)生地點(diǎn)和顯示故障波形等信息。

任何在安裝采集點(diǎn)之間內(nèi)的故障位置均能被標(biāo)定。鐵塔采集裝置由非接觸傳感器，帶有GPS同步的檢出裝置，通信裝置及太陽(yáng)能蓄電池電源裝置構(gòu)成（如圖3所示）。

圖3 鐵塔采集裝置

3.3 技術(shù)要點(diǎn)

（1）以往的電流傳感器都采用中心穿過(guò)導(dǎo)線，也就是傳感器必須圍繞在導(dǎo)線外側(cè)，一旦傳感器發(fā)生故障還會(huì)影響到高壓導(dǎo)線絕緣，易造成線路故障。非接觸傳感器也是以電磁場(chǎng)感原理，只是采用特殊結(jié)構(gòu)采集電壓電流信號(hào)。由于故障定位精度主要取決于故障電流信號(hào)的波形采集，而對(duì)于信號(hào)的數(shù)值精度并沒有很高要求。所以非接觸式傳感器能充分發(fā)揮其安全的優(yōu)勢(shì)，還能如實(shí)感應(yīng)記錄故障波形，對(duì)于相間短路，單相接地短路，雷擊等各類事故均有效。

（2）先進(jìn)計(jì)算方法，可以使得故障波形準(zhǔn)確還原，并且能夠通過(guò)推算，在大量干擾信號(hào)中出找出波頭（故障波起始點(diǎn)），準(zhǔn)確找到波頭才能準(zhǔn)確計(jì)算出故障位置。定位誤差大小主要與采樣速度，找出波頭和還原波形的計(jì)算方法，GPS精度等因素有關(guān)。

（3）主站軟件主要是實(shí)現(xiàn)上述的波頭尋找，完成故障點(diǎn)定位計(jì)算，直觀地顯示故障具體位置。根據(jù)線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（潮流，變電所特點(diǎn)等）進(jìn)行設(shè)置和更改，還可以對(duì)桿上裝置測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)（感應(yīng)度，增益等），以及對(duì)裝置工作狀態(tài)進(jìn)行自我檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障即使報(bào)警。

3.4 技術(shù)方案

3.4.1 高頻干擾波的分離處理技術(shù)

為了正確地測(cè)出行波到達(dá)時(shí)刻，不能簡(jiǎn)單地采用檢出電平的時(shí)間tA（tB）位置作為波頭時(shí)間，還需要對(duì)波形起始位置進(jìn)行推算。由于故障行波含有大量的固有的高頻干擾波，在通過(guò)不同時(shí)間傳輸和傳感器后，會(huì)使得波形發(fā)生畸變，如波形B上升速度變慢造成計(jì)算誤差擴(kuò)大。采用分散演算方式對(duì)干擾雜波和行波分別進(jìn)行計(jì)算，去處干擾波的影響，推算出準(zhǔn)確的波頭到達(dá)時(shí)間，才能保障故障定位準(zhǔn)確無(wú)誤。此方法與傳統(tǒng)的單純的微分演算相比，能大大降低固有干擾雜波對(duì)演算結(jié)果的影響，如圖4所示。

圖4 高頻干擾波的分離處理

3.4.2 高精度時(shí)間同步

為了準(zhǔn)確地計(jì)算出波頭到達(dá)各檢測(cè)地點(diǎn)的時(shí)間差異，需要高精度的時(shí)間同步。為此，采用目前國(guó)際上最先進(jìn)的高性能的GPS芯片，可以實(shí)現(xiàn)同步精度約10-7秒。

3.4.3 誤動(dòng)作對(duì)策

由于雷電等外部干擾會(huì)影響故障判斷，如附近地區(qū)遭受雷擊時(shí)，也會(huì)在線路上發(fā)生類似行波。為了排除干擾防止誤判，需要將外部干擾波的高頻部分過(guò)濾，采用工頻頻率帶域的電壓波形判據(jù)，可以準(zhǔn)確捕捉到線路受損的故障行波。同樣對(duì)于采用中心點(diǎn)不接地或高阻的線路。

此技術(shù)手段還能夠檢出一些沒有達(dá)到跳閘的單相接地故障現(xiàn)象，并進(jìn)行定位，圖5所示。

圖5 誤動(dòng)作對(duì)策

3.4.4 高效率的數(shù)據(jù)通信

高速采樣所得到的波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大。故障標(biāo)定的主要判定依據(jù)在于波頭前后區(qū)間的數(shù)據(jù)，因此必須對(duì)此重要區(qū)間數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行傳送，如圖6所示。

4.具體實(shí)施

4.1 項(xiàng)目構(gòu)成

本項(xiàng)目選擇220kV輸電線路為東村Ⅰ線：線路長(zhǎng)度34.7公里。

線路特點(diǎn)：直接接地系統(tǒng)，負(fù)荷電流約120A;保護(hù)設(shè)定：接地故障動(dòng)作電流為288A，0秒;短路故障動(dòng)作電流：368A，0秒;

故障標(biāo)定系統(tǒng)的組成：2個(gè)鐵塔裝置采集點(diǎn)（001桿和109號(hào)桿）和一套后臺(tái)電腦解析軟件系統(tǒng);

每個(gè)鐵塔裝置包括：3個(gè)非接觸式電壓電流傳感器（配套電纜）;1臺(tái)檢出裝置（內(nèi)有GPS時(shí)間同步單元）;1臺(tái)通信裝置（采用中國(guó)移動(dòng)GPRS方式）;1套太陽(yáng)能電池板和蓄電池電源系統(tǒng);配套安裝金具。

圖6 高效率的數(shù)據(jù)通信

圖7 故障位置（總圖）

圖8 故障詳細(xì)位置圖

圖9 各相電壓電流零序電流

圖10 故障行波

4.2 故障解析

線路故障發(fā)生后，故障行波將沿著輸電線路向兩方向進(jìn)行傳遞。安裝在線路兩側(cè)（001號(hào)桿塔和109號(hào)桿塔）的采集裝置檢測(cè)出故障行波信號(hào)，同時(shí)按照GPS高精度時(shí)間記錄行波的電壓電流信號(hào)，并通過(guò)GPRS方式向監(jiān)測(cè)中心發(fā)出故障發(fā)生信息。監(jiān)測(cè)中心根據(jù)需要上傳故障波型信號(hào)并進(jìn)行解析，最終標(biāo)定出故障發(fā)生的具體位置，如距某桿塔xxx米有接地或短路故障，直觀顯示故障的位置，以及顯示故障波各相關(guān)信息（圖7～圖10），對(duì)于今后分析線路運(yùn)行情況提供第一手材料。

5.結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)使用的故障定位裝置由于在安裝設(shè)置受到許多地理和場(chǎng)合限制，安全性和準(zhǔn)確性都存在不少問(wèn)題。采用非接觸式傳感器作為采集信號(hào)的手段，大大擴(kuò)大了故障位置標(biāo)定系統(tǒng)的使用范圍，對(duì)于不同的線路能夠靈活地應(yīng)用，而且標(biāo)定精度也有所提高，具有很高的實(shí)際應(yīng)用意義，對(duì)于提高供電可靠性，減少故障尋查時(shí)間和作業(yè)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

經(jīng)過(guò)一年多對(duì)產(chǎn)品的研究改進(jìn)工作，使得本產(chǎn)品已經(jīng)基本上滿足了國(guó)內(nèi)220kV輸變電線路的技術(shù)規(guī)范和操作上可行性，為今后提高我國(guó)輸變電線路安全運(yùn)行提供了一個(gè)嶄新的解決方案。

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致謝：感謝國(guó)網(wǎng)山東電力公司專項(xiàng)科技項(xiàng)目對(duì)本工作的支持。

作者簡(jiǎn)介：張宗峰（1979—），男，運(yùn)維檢修部線路專工，現(xiàn)供職于國(guó)網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司。