遼寧電網(wǎng)輸電線路故障點(diǎn)定位方法分析

田景輔，于 游，田鵬飛，陶 冶

（國(guó)網(wǎng)遼寧電力調(diào)度控制中心，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

遼寧電網(wǎng)輸電線路故障點(diǎn)定位方法分析

田景輔，于 游，田鵬飛，陶 冶

（國(guó)網(wǎng)遼寧電力調(diào)度控制中心，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

介紹了遼寧電網(wǎng)220 kV及以上線路目前采用的各種故障點(diǎn)定位方法，闡述了各方法的主要特點(diǎn)、適用范圍和存在的不足，并在比較分析的基礎(chǔ)上，提出了綜合各種技術(shù)手段，準(zhǔn)確分析計(jì)算線路故障點(diǎn)的綜合分析方法。

電力系統(tǒng)；輸電線路；故障點(diǎn)定位

快速準(zhǔn)確確定線路故障點(diǎn)對(duì)快速處理線路跳閘事故，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及最大限度降低現(xiàn)場(chǎng)巡線人員的工作強(qiáng)度等都有十分重要的意義。目前遼寧電網(wǎng)確定線路故障點(diǎn)主要有阻抗測(cè)距法、零序電流曲線法、小波測(cè)距定位法和雷電定位法。以上各方法根據(jù)線路故障特點(diǎn)有不同適用范圍，因此，要根據(jù)具體故障類型及技術(shù)配置情況，通過(guò)綜合分析確定線路故障點(diǎn)。

1 阻抗測(cè)距法

目前遼寧電網(wǎng)220 kV及以上系統(tǒng)保護(hù)微機(jī)化率已達(dá)到100%。微機(jī)保護(hù)裝置及故障錄波器均具有阻抗測(cè)距功能，主要采用單端阻抗測(cè)距。線路故障時(shí)，裝置通過(guò)采集電壓和電流計(jì)算母線到故障點(diǎn)間的線路阻抗來(lái)確定故障點(diǎn)。阻抗測(cè)距算法簡(jiǎn)單，不需單獨(dú)投資。如圖1所示，當(dāng)線路接地短路時(shí)，M側(cè)測(cè)量阻抗Zm如式（1）所示：

式中：ZLS為M側(cè)到故障點(diǎn)的線路阻抗；RF為故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻；ΔZ為附加測(cè)量阻抗［1］。

圖1 線路經(jīng)高阻接地

當(dāng)故障點(diǎn)過(guò)渡電阻較小時(shí)，附加測(cè)量阻抗ΔZ較小，測(cè)量阻抗接近線路實(shí)際阻抗，測(cè)距結(jié)果真實(shí)可信。當(dāng)故障點(diǎn)存在較大過(guò)渡電阻時(shí)，ΔZ將顯著增大，對(duì)于雙側(cè)電源線路，由于對(duì)側(cè)電源的助增作用，ΔZ將進(jìn)一步增大，造成結(jié)果誤差較大，甚至完全失真。阻抗測(cè)距不僅受過(guò)渡電阻影響，還與TA、TV傳變誤差、裝置采樣誤差及線路參數(shù)分布不均等多種因素密切相關(guān)，因此，阻抗測(cè)距法精度不高，適用范圍有限。

通過(guò)對(duì)遼寧電網(wǎng)近3年的短路故障統(tǒng)計(jì)分析，雷擊、外破、漂浮物、鳥(niǎo)害等故障絕大部分為金屬性故障，占92.6%，而線路對(duì)樹(shù)木放電、部分山火及外破故障存在一定的過(guò)渡電阻，尤其是導(dǎo)線對(duì)樹(shù)木放電時(shí)，過(guò)渡電阻值可達(dá)到70～100 Ω。對(duì)于阻抗測(cè)距，當(dāng)按長(zhǎng)度表示的兩側(cè)裝置測(cè)距之和與本線路長(zhǎng)度基本一致時(shí)，表明線路為金屬性短路或過(guò)渡電阻較小，測(cè)距比較可靠，其誤差一般在±10%范圍內(nèi)，因此，按阻抗法確定線路故障點(diǎn)，一般可按全線路20%左右進(jìn)行巡線。當(dāng)線路經(jīng)高阻接地時(shí)，兩側(cè)測(cè)距之和將遠(yuǎn)大于本線路長(zhǎng)度，此時(shí)用阻抗法已無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算故障位置，需采用其它方法。

2 零序電流曲線法

零序電流曲線法是一種通過(guò)分析線路兩側(cè)零序電流大小及比值來(lái)分析確定線路故障點(diǎn)的方法。將線路平均分成若干段（一般選10段），分別計(jì)算各均分點(diǎn)處故障時(shí)線路兩側(cè)零序電流大小及同一點(diǎn)故障兩側(cè)零序電流的比值，并將各點(diǎn)電流擬合建立零序電流曲線，如圖2所示。故障類型為單相接地。由保護(hù)部門(mén)按以上原則定期計(jì)算全網(wǎng)線路零序電流曲線作為計(jì)算故障點(diǎn)的依據(jù)［2］。

零序電流曲線法適用于各種類型的不對(duì)稱接地故障，尤其能夠較準(zhǔn)確地計(jì)算高阻接地故障。其原理如圖1所示，對(duì)于電網(wǎng)內(nèi)的任意線路故障，均可將故障線路以外的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為M和N2點(diǎn)，故障點(diǎn)過(guò)渡電阻RF處于線路故障點(diǎn)外部，即為故障點(diǎn)的附加電阻，因此，它只影響故障點(diǎn)零序電流大小，而不影響線路兩側(cè)零序電流的比值。同理，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式變化時(shí)，也只影響正序網(wǎng)絡(luò)變化，而不影響兩側(cè)零序電流比值，即正序網(wǎng)絡(luò)影響零序電流大小而零序網(wǎng)絡(luò)決定零序電流分布。因此，對(duì)于各種不對(duì)稱接地，均可利用零序電流曲線法計(jì)算故障點(diǎn)［3］。

近3年，遼寧電網(wǎng)220 kV及以上線路單相接地故障占93.2%，因此，零序電流曲線法是目前適用最廣泛的測(cè)距方法。本方法不需要單獨(dú)配置裝置和組建系統(tǒng)，只要定期計(jì)算更新零序電流數(shù)據(jù)即可。該方法不足之處在于不能計(jì)算相間短路及三相短路的故障點(diǎn)，測(cè)距精度受短路電流計(jì)算精度影響較大，由于部分保護(hù)裝置的故障報(bào)告不包含零序電流，需要現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行測(cè)量計(jì)算后匯報(bào)調(diào)度，匯報(bào)不準(zhǔn)確將影響對(duì)故障點(diǎn)的正確分析。

使用零序曲線法時(shí)，對(duì)于金屬性短路，可首先根據(jù)阻抗測(cè)距大致判斷故障點(diǎn)位置，然后比較分析故障電流與該點(diǎn)零序曲線電流的數(shù)值及比值，在二者基本吻合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精確定位故障位置，可按全線路的15%～20%巡線；當(dāng)兩側(cè)保護(hù)測(cè)距遠(yuǎn)大于線路長(zhǎng)度，表明系統(tǒng)過(guò)渡電阻較大，阻抗測(cè)距無(wú)法估算故障點(diǎn)位置，此時(shí)需要通過(guò)兩側(cè)故障電流比值與零序曲線電流比值進(jìn)行比對(duì)確定故障位置，巡線范圍應(yīng)擴(kuò)大為全線的20%～30%。

3 小波測(cè)距法

線路內(nèi)部故障時(shí)，將產(chǎn)生沿線路向兩側(cè)傳播的電壓、電流行波，由于其傳播速度一定，故只要測(cè)量出行波自故障點(diǎn)到母線間的傳播時(shí)間，即可計(jì)算出故障點(diǎn)位置。遼寧電網(wǎng)小波測(cè)距系統(tǒng)就是利用小波變換技術(shù)來(lái)分析輸電線路故障時(shí)產(chǎn)生的行波信號(hào)，并進(jìn)行故障定位的方法。該系統(tǒng)主要有單端測(cè)距和雙端測(cè)距2種方式。單端測(cè)距法由于存在故障點(diǎn)反射波與透射波的識(shí)別問(wèn)題，容易導(dǎo)致測(cè)距不準(zhǔn)或失敗，因此，實(shí)際運(yùn)行中主要以雙端測(cè)距為主。雙端測(cè)距法是利用線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩側(cè)時(shí)間差來(lái)計(jì)算故障點(diǎn)位置的方法。設(shè)故障時(shí)初始行波波頭到達(dá)線路兩側(cè)母線的時(shí)間分別為為T(mén)S和TR，則故障點(diǎn)與兩側(cè)母線的距離可按式（2）和式（3）計(jì)算。

圖2 零序電流曲線

式中：V為行波傳播速度；L為線路長(zhǎng)度；XS和XR分別為故障點(diǎn)到線路兩側(cè)的距離［3］。

遼寧電網(wǎng)小波測(cè)距系統(tǒng)采用集中網(wǎng)絡(luò)化部署方式，如圖3所示，系統(tǒng)利用GPS時(shí)鐘同步兩側(cè)，站端測(cè)距信息通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳至調(diào)控中心主站進(jìn)行分析合成，并通過(guò)綜合智能告警系統(tǒng)將故障點(diǎn)信息發(fā)布至調(diào)度臺(tái)。目前全網(wǎng)已配置141個(gè)測(cè)距子站終端，對(duì)217條220 kV及以上線路進(jìn)行故障測(cè)距計(jì)算。220 kV及以上線路覆蓋率達(dá)到34.6%，其中，50 km以上線路覆蓋率達(dá)到100%。

圖3 小波測(cè)距系統(tǒng)配置

小波測(cè)距系統(tǒng)最主要的優(yōu)點(diǎn)就是使用簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)可靠，通過(guò)近3年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)故障點(diǎn)定位準(zhǔn)確率（±4級(jí)塔）達(dá)到93.2%，綜合測(cè)距精度小于2級(jí)塔，為1.93級(jí)?？紤]投資及設(shè)計(jì)要求，目前系統(tǒng)覆蓋率較低，運(yùn)行中GPS時(shí)鐘問(wèn)題及裝置硬件問(wèn)題是造成測(cè)距不準(zhǔn)確的主要因素。因行波傳播接近光速，理論上如果兩側(cè)時(shí)鐘誤差為1 μs時(shí)，其對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差則為150 m。此外，對(duì)于較大的高阻接地故障及弱饋線路，當(dāng)行波波頭不明顯時(shí)，也存在數(shù)據(jù)合成失真的問(wèn)題［5］。由于目前智能站的MU不能對(duì)高頻行波進(jìn)行采樣，配置電子式互感器及常規(guī)互感器＋MU智能站均不能直接應(yīng)用小波測(cè)距系統(tǒng)。

故障跳閘后，小波測(cè)距系統(tǒng)直接報(bào)告故障桿塔號(hào)，由于該方法是間接定位法，需要結(jié)合阻抗測(cè)距或零序曲線法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行佐證，可靠排除系統(tǒng)因異常而誤報(bào)情況。確認(rèn)測(cè)距結(jié)果有效后，一般以系統(tǒng)所報(bào)桿塔號(hào)為中心，前后各擴(kuò)展10級(jí)塔巡線即可。

4 雷電定位法

雷擊是高壓輸電線路跳閘的首因，近3年，遼寧電網(wǎng)220 kV及以上線路因雷擊導(dǎo)致跳閘的約占52%。因此，雷電活動(dòng)的快速準(zhǔn)確定位對(duì)分析線路故障點(diǎn)意義重大。雷電定位系統(tǒng)是通過(guò)探測(cè)雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波，利用時(shí)差及定向等定位技術(shù)計(jì)算雷擊點(diǎn)位置，并對(duì)雷電電流強(qiáng)度、極性、回?fù)舸螖?shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)視的應(yīng)用系統(tǒng)［4］。遼寧電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)組成如圖4所示，系統(tǒng)由探測(cè)站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中心站和客戶端組成。探測(cè)站采集的數(shù)據(jù)經(jīng)中心站分析后，可通過(guò)Web方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、查詢和統(tǒng)計(jì)分析。目前遼寧電網(wǎng)共配置14個(gè)雷電探測(cè)站，覆蓋全省所有區(qū)域，系統(tǒng)理論定位誤差小于1 km。

圖4 雷電定位系統(tǒng)配置

雷電定位系統(tǒng)只能定位雷擊故障。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)沿線路發(fā)生密集頻繁落雷時(shí)，難以準(zhǔn)確定位線路實(shí)際故障點(diǎn)，對(duì)于反擊雷跳閘，其實(shí)際故障點(diǎn)也并不一定在落雷最近桿塔處。此外沿線路的地形地貌，系統(tǒng)時(shí)鐘以及線路坐標(biāo)參數(shù)精度等對(duì)故障準(zhǔn)確定位均有較大影響。因此，雷電定位系統(tǒng)一般只作為確定線路故障點(diǎn)的輔助決策系統(tǒng)。

線路跳閘后，登錄系統(tǒng)依次輸入線路名稱、跳閘時(shí)間、走廊半徑、跳閘前后時(shí)間緩沖半徑等參數(shù)，查詢?cè)谔l時(shí)刻附近輸電線路走廊的雷電活動(dòng)情況。一般走廊半徑選擇1～5 km，時(shí)間緩沖半徑選擇5 min，根據(jù)查詢出的雷電活動(dòng)結(jié)果，查找最符合跳閘時(shí)間的雷電信息以及距離最近的桿塔號(hào)。

5 線路故障點(diǎn)的綜合分析

5.1 綜合分析方法

以上分析計(jì)算線路故障點(diǎn)的各方法有著各自的使用特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際工作中，要根據(jù)故障類型、運(yùn)行方式和氣象條件等，結(jié)合測(cè)距系統(tǒng)配置情況，通過(guò)綜合分析確定線路故障點(diǎn)，主要步驟如下。

a.收集故障相關(guān)信息。包括故障時(shí)刻、故障時(shí)線路兩側(cè)相電流和零序電流數(shù)值、兩側(cè)保護(hù)裝置測(cè)距、重合永久故障后的故障電流以及故障時(shí)的天氣情況、作業(yè)情況等。同時(shí)還要了解線路測(cè)距系統(tǒng)的配置情況及系統(tǒng)運(yùn)行方式。

b.對(duì)故障電流及故障性質(zhì)進(jìn)行初步判斷。單相故障時(shí)，兩側(cè)匯報(bào)的相電流之和應(yīng)基本等于兩側(cè)零序電流之和，如相差較大，應(yīng)從讀值方法、變比選取、故障時(shí)刻選取等查找原因。對(duì)于兩相短路，如故障時(shí)有零序電流或零序電壓，則表明為接地短路，當(dāng)由單相接地轉(zhuǎn)為兩相接地且兩相電流不等時(shí)，則可能為兩點(diǎn)接地，當(dāng)兩側(cè)零序電流均遠(yuǎn)小于零序曲線計(jì)算電流，并且兩側(cè)保護(hù)測(cè)距遠(yuǎn)大于線路長(zhǎng)度時(shí)，則判斷為高阻接地。

c.結(jié)合測(cè)距系統(tǒng)配置情況，確定故障定位方法。如線路配置有小波測(cè)距系統(tǒng)，首選小波測(cè)距結(jié)果，并通過(guò)保護(hù)測(cè)距或零序電流曲線對(duì)結(jié)果的有效性進(jìn)行確認(rèn)。小波測(cè)距巡線范圍在20級(jí)塔左右即可。對(duì)未配置小波測(cè)距或小波測(cè)距失效的情況，對(duì)金屬性短路，可根據(jù)兩側(cè)保護(hù)測(cè)距估算故障點(diǎn)位置，并在零序曲線上查看對(duì)應(yīng)的零序電流及其比值，三者基本一致時(shí)，按線路15%～20%巡線。判斷為高阻接地時(shí)，應(yīng)通過(guò)零序電流曲線比值法確定故障點(diǎn)，范圍提高至全線的20%～30%。對(duì)于雷雨天氣，還應(yīng)結(jié)合雷電定位系統(tǒng)對(duì)小波測(cè)距、阻抗測(cè)距等結(jié)果進(jìn)行佐證，雷電定位一般不作為單獨(dú)確定線路故障點(diǎn)的依據(jù)，當(dāng)判斷為高阻接地時(shí)，可基本排除雷擊故障［5］。

d.不要僅憑小波測(cè)距結(jié)果或雷電定位結(jié)果確定故障點(diǎn)；電纜與架空線路混合線路參數(shù)分布不均，要注意防止阻抗法誤判；要注意分析故障時(shí)的實(shí)際運(yùn)行方式，在線路臨時(shí)終端方式下，小波測(cè)距由于故障時(shí)不能啟動(dòng)或行波特征不明顯可能失效；檢修方式下零序曲線的計(jì)算值與實(shí)際值可能存在偏差；對(duì)于5 km以下的超短線路，一般按全線范圍巡線；而對(duì)于阻抗法或零序曲線法確定的故障范圍，在滿足上述線路比例范圍的情況下，巡線絕對(duì)塔數(shù)一般不小于20級(jí)。

5.2 案例分析

某500 kV線路發(fā)生C相故障跳閘，單相重合不良。M站2套縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作，Ic＝840 A，3I0＝604 A，L＝158.75 km；N站2套縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作，Ic＝2 840 A，3I0＝3 040 A，L＝28.49 km，線路全長(zhǎng)105 km，總塔數(shù)222級(jí)，1號(hào)塔位M側(cè)，當(dāng)時(shí)天氣為雷雨。

本次故障兩側(cè)保護(hù)測(cè)距之和為187 km，遠(yuǎn)大于線路本身長(zhǎng)度，判斷為高阻接地。小波測(cè)距系統(tǒng)顯示193號(hào)塔故障，雷電定位系統(tǒng)顯示該時(shí)刻前后5 min內(nèi)193號(hào)塔附近無(wú)落雷。故障時(shí)M側(cè)與N側(cè)零序電流比為0.198，表1為該線路的零序電流曲線電流值列表，通過(guò)比值估算，故障點(diǎn)應(yīng)在距M側(cè)約全線的90%處，按平均檔距估算，小波測(cè)距結(jié)果位于距M側(cè)線路的87%處，二者基本吻合，確定小波測(cè)距結(jié)果有效。同時(shí)該點(diǎn)故障電流也遠(yuǎn)小于零序曲線電流，因此判斷本次故障應(yīng)為193號(hào)塔附近發(fā)生的一次高阻接地故障。巡線范圍確定為183～203號(hào)塔，重點(diǎn)是193號(hào)塔，C相。線路實(shí)際巡線發(fā)現(xiàn)193號(hào)塔發(fā)生C相導(dǎo)線對(duì)樹(shù)木放電，故障原因符合高阻接地特征，經(jīng)計(jì)算，本次故障的過(guò)渡電阻約為70 Ω。

表1 零序電流曲線數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

零序電流曲線法在遼寧電網(wǎng)應(yīng)用多年，是一種行之有效的線路故障點(diǎn)定位方法。隨著微機(jī)保護(hù)的全面應(yīng)用，阻抗測(cè)距法已成為與零序電流曲線法相輔相成的技術(shù)手段。隨著新技術(shù)的發(fā)展，小波測(cè)距及雷電定位系統(tǒng)已實(shí)用化，進(jìn)一步豐富了線路故障點(diǎn)定位的技術(shù)手段。通過(guò)對(duì)以上各方法的綜合分析、互補(bǔ)應(yīng)用，有效提高了遼寧電網(wǎng)的應(yīng)急處置能力和運(yùn)行管理水平。

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Analysis on Fault Location Methods of Transmission Line in Liaoning Power Grid

TIAN Jing?fu，YU You，TIAN Peng?fei，TAO Ye
（State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dispatch Control Center，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper introduces fault location methods of Liaoning 220 kV and above power grid，and describes the main features，scope of application and existing problems.Different technical methods are put forward on the basis of the analysis and comparison，as well as accurate analysis and calculation for the synthesis analysis method of line fault are proposed.

Power system；Transmission line；Fault location

TM755

A

1004－7913（2015）09－0043－04

田景輔（1975—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算及運(yùn)行管理工作。

2015－06－30）