行波故障指示器在500kV線路故障診斷中的研究與應(yīng)用

全明睿+劉宏欣

【摘 要】 輸電線路故障頻發(fā)，盡管現(xiàn)在采用了各種監(jiān)測(cè)和預(yù)防手段，但故障率一直居高不下，此外，常見的測(cè)距裝置對(duì)于一般的故障診斷效果并不理想，對(duì)于非雷擊故障，常見定位方法往往難以精確定位。行波故障指示器分布式安裝于輸電線路導(dǎo)線上，就近采集輸電線路原始故障行波電流信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)非雷擊故障的精確定位與原因辨識(shí)功能。本文以國(guó)家電網(wǎng)500 kV忻石I線非雷擊跳閘故障為例，介紹了行波故障指示器系統(tǒng)在故障定位及原因辨識(shí)中的應(yīng)用，結(jié)合巡線結(jié)果，證明了行波故障指示器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性與可靠性。

【關(guān)鍵詞】 行波 故障指示器 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 分布式

近年來，因雷擊、臺(tái)風(fēng)、外力破壞等原因引起的輸電線路故障頻繁發(fā)生。迅速而準(zhǔn)確地對(duì)故障點(diǎn)定位，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的作用[1]?；跓o線通訊技術(shù)和分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)的輸電線路故障診斷系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)故障點(diǎn)定位并準(zhǔn)確辨識(shí)輸電線路故障原因。本文以國(guó)家電網(wǎng)500kV忻石Ⅰ線為監(jiān)測(cè)對(duì)象，分析如何利用故障電流行波的電磁暫態(tài)特征準(zhǔn)確辨識(shí)輸電線路故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路故障的智能監(jiān)測(cè)和診斷，為快速恢復(fù)故障及明確事故原因提供監(jiān)測(cè)手段，從而有效提高輸電線路運(yùn)行維護(hù)管理水平。

1 輸電線路故障定位原理

1.1 行波法原理

這種測(cè)距方法采用的是單端測(cè)距方案，可以用圖1來說明：

圖1中測(cè)距裝置裝在M端，在故障點(diǎn)f處產(chǎn)生的行波向兩端傳播，向M端傳播的行波先到達(dá)M端的裝置并被檢測(cè)出來，記下這個(gè)時(shí)刻t1，向N端傳播的行波在到達(dá)N端后發(fā)生反射，反射波回到故障點(diǎn)處又發(fā)生透射與反射，其中透射波到達(dá)M端并被裝置檢測(cè)到，再記下這個(gè)時(shí)刻t2，然后就可以根據(jù)行波在線路中的，波速v計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。設(shè)x為輸電線路中故障處與M端的距離，則參照?qǐng)D1中定位關(guān)系式可得：

這種方法依靠反射波來完成故障定位，設(shè)行波A最先到達(dá)M端，之后在故障點(diǎn)和M端依次反射，相比之下，在N端反射的行波B更晚抵達(dá)M端，因此需要辨別該行波是否為N端反射的行波。辨別方法可參照下述原理分析：通常情況下，線路母線段的波阻抗比線路波阻抗值低，根據(jù)折反射定理有行反射波相位將與入射波相位相反。同樣，行波在故障處發(fā)生反射時(shí)，行波相位也會(huì)變化，而透射不反相。從而行波A與行波B相位相反，并且行波A于M端和故障處共反射2次，從而相位與最先到達(dá)M端的行波相同。

從上述原理可將故障處以及M點(diǎn)處的反射波影響精度問題降低至最少?？偠灾?，A型測(cè)距原理的準(zhǔn)確度較高，設(shè)備需要量也較小，成本較低；主要問題為難以檢測(cè)反射行波，若在多線路走廊中實(shí)現(xiàn)該方法可能受相鄰線路影響較大[2]。

1.2 B型測(cè)距原理

B型測(cè)距原理與A型測(cè)距原理有一定相似度，而不同點(diǎn)在于采用雙端設(shè)備，與雙端測(cè)距法的設(shè)備分布類似，具體原理可參考圖2。

如圖2，在輸電線路MN段中，假設(shè)f處發(fā)生故障，故障可等效為在f點(diǎn)附加一故障電源，產(chǎn)生故障行波向M、N端傳播。當(dāng)行波到達(dá)M端時(shí)，M端有定位設(shè)備可精確檢測(cè)，同時(shí)依靠GPS精確授時(shí)技術(shù)，M端設(shè)備記錄時(shí)刻為t1。同樣，短暫延遲后，N端設(shè)備也檢測(cè)到從故障點(diǎn)發(fā)出的行波，此時(shí)系統(tǒng)傳輸一狀態(tài)信號(hào)至M端設(shè)備。該信號(hào)通過時(shí)間L/v后到達(dá)M端且被系統(tǒng)識(shí)別，則M端停止計(jì)時(shí)，通過GPS授時(shí)可得時(shí)間為t2。由于M、N兩端距離已知，波速已知，因此N端設(shè)備發(fā)送信號(hào)到M端的時(shí)間為t0已知，而根據(jù)故障發(fā)生點(diǎn)位置可知M端檢測(cè)到行波的時(shí)間比N端提前，設(shè)這兩個(gè)時(shí)刻的時(shí)間差為Δt，可得：

若Δt為負(fù)，說明行波先到達(dá)N端。則根據(jù)波傳播、衰減特性可推算出行波運(yùn)行速度v，也即推算出故障位置至M端的距離為

B型測(cè)距原理相比于A型測(cè)距原理，僅需檢測(cè)第一個(gè)抵達(dá)設(shè)備的行波波頭即可，因此無需再對(duì)此行波是否為其他線路反射波加以分析，數(shù)據(jù)處理上便捷。缺點(diǎn)在于，由于N、M兩段間存在信號(hào)傳輸，要求信道暢通且干擾很小，從而導(dǎo)致通信投資過高，成本較大，在工程實(shí)際中應(yīng)用較少。

2 輸電線路故障性質(zhì)辨識(shí)原理

輸電線路故障按性質(zhì)可分為雷擊故障和非雷擊故障。發(fā)生雷擊跳閘故障和非雷擊跳閘故障時(shí)，其輸電線路上的故障電流行波有著不同的電磁暫態(tài)特征。通過對(duì)線路上故障電流行波電磁暫態(tài)特征的分析，可以準(zhǔn)確地辨識(shí)輸電線路發(fā)生故障的性質(zhì)。

2.1 雷擊故障辨識(shí)原理

輸電線路遭受雷擊故障時(shí)，在輸電線路上監(jiān)測(cè)到的故障電流主要由兩部分疊加而成，一部分是雷電流分流后流入輸電線路的電流，另一部分是雷電流經(jīng)桿塔接地裝置流入大地后以反射波形式進(jìn)入輸電線路的電流。標(biāo)準(zhǔn)雷電流的波尾時(shí)間為50μs，由于流入導(dǎo)線部分的電流波極性與大地反射電流波極性相反，此兩種電流分量疊加后雷電流峰值衰減加快，使得行波電流波尾時(shí)間變短。因此，在輸電線路上監(jiān)測(cè)到的故障電流行波波尾時(shí)間必定小于50μs，實(shí)際監(jiān)測(cè)到的電流行波數(shù)據(jù)顯示其波尾時(shí)間一般在20μs以內(nèi)。

2.2 非雷擊故障辨識(shí)原理

輸電線路在遭受如污穢、樹障、冰災(zāi)、鳥害及外力破壞等原因引起的非雷擊故障時(shí)，由于監(jiān)測(cè)的是故障暫態(tài)行波電流，此故障電流的頻率要遠(yuǎn)高于工頻，因此可以認(rèn)為在采樣周期內(nèi)電源電壓保持恒定。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，其故障行波電流主要由該故障時(shí)刻的電源電壓決定，而電源電壓基本無變化，故障暫態(tài)電流呈現(xiàn)階躍狀，在采樣時(shí)間內(nèi)電流幅值由零增到峰值后緩慢衰減，因此，非雷擊故障電流行波波尾時(shí)間較長(zhǎng)，一般遠(yuǎn)大于50μs[3]。

2.3 診斷系統(tǒng)原理

采用分布式監(jiān)測(cè)方式，在輸電線路上布置若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端，將輸電線路分解成若干個(gè)區(qū)間，通過記錄工頻故障電流和電流行波，利用工頻故障電流先確定故障區(qū)間，然后再進(jìn)行區(qū)間內(nèi)的行波定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路故障的精確定位[4]。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，輸電線路故障診斷系統(tǒng)一方面可以精確定位故障點(diǎn)，使得查找和修復(fù)故障點(diǎn)的時(shí)間大為縮短：另一方面可以準(zhǔn)確辨識(shí)輸電線路故障原因，對(duì)運(yùn)行人員有針對(duì)性的對(duì)輸電線路進(jìn)行技術(shù)改造帶來指導(dǎo)，從而使線路故障跳閘率顯著降低[5]。

3 輸電線路故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

選取國(guó)家電網(wǎng)500kV忻石Ⅰ線近期發(fā)生的故障跳閘進(jìn)行診斷分析。

3.1 事故基本情況介紹

國(guó)家電網(wǎng)500kV忻石Ⅰ線全長(zhǎng)193.475km，屬國(guó)家電網(wǎng)山西省電力公司山西省檢修。在#211桿塔安裝了輸電線路分布式故障診斷終端，如圖3所示。

該線路在2015年11月23日至24日連續(xù)發(fā)生2次跳閘事故，故障記錄如表1所示。查詢輸電線路診斷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)2次故障記錄的工頻電流和行波電流基本一致，判斷該線路2次故障點(diǎn)在同一位置。選取08：14：17 002毫秒時(shí)刻診斷系統(tǒng)所記錄的線路故障波形進(jìn)行分析：

如圖4所示，輸電線路分布式故障診斷終端于2015-11-23 08：14：17于忻石Ⅰ線上監(jiān)測(cè)到工頻分閘電流波形，A相故障電流增大約兩個(gè)半周期后歸零，符合線路發(fā)生故障時(shí)工頻電流特征，因此系統(tǒng)判斷忻石Ⅰ線于2015-11-23 08：14：17發(fā)生跳閘故障。

如圖5故障跳閘時(shí)刻電流波形所示：該波形記錄的是故障行波電流在故障點(diǎn)與變電站反射造成，行波電流從故障點(diǎn)發(fā)出向線路兩端傳輸，負(fù)極性行波直接經(jīng)過#221桿塔終端，正極性行波經(jīng)變電站反射經(jīng)過#221桿塔終端。從圖6中可知，正負(fù)極性行波電流傳至#221桿塔的時(shí)間差為388微秒，則故障點(diǎn)與忻都站的距離約為 56.260公里，約等于忻都站桿塔與#132桿塔的距離。因此，此次忻石Ⅰ線故障點(diǎn)最終定位在#132桿塔附近。輸電線路故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果表2所示。

根據(jù)系統(tǒng)記錄的電流波形，故障時(shí)刻高頻電流行波波尾持續(xù)時(shí)間大于40微秒，符合非雷擊特征。因此，此次忻石Ⅰ線故障性質(zhì)最終確定為非雷擊故障。

3.2 巡線結(jié)果

故障發(fā)生后，工作人員根據(jù)故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果展開巡線工作，發(fā)現(xiàn)132號(hào)桿塔由于漂浮物導(dǎo)致相間異常放電，如圖7所示。將故障排除后，故障診斷終端顯示線路運(yùn)行恢復(fù)正常。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）兩次故障波形特征相同，故障行波波尾持續(xù)時(shí)間大于40微秒，故障性質(zhì)為非雷擊故障。（2）忻石Ⅰ線線路全長(zhǎng)193.475公里，僅安裝一套輸電線路分布式故障診斷終端，未達(dá)到理想配置原則即間隔30公里總共安裝7套終端。因此本次定位僅能做單端反射波定位，無雙端GPS結(jié)果驗(yàn)證，定位結(jié)果疑似#132桿塔。

參考文獻(xiàn)：

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[2]葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

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[5]葛耀中.新型繼電保護(hù)和故障測(cè)距的原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.