輸電線路故障分析技術(shù)發(fā)展綜述

李興楨

（國網(wǎng)山東郯城縣供電公司）

輸電線路故障分析技術(shù)發(fā)展綜述

李興楨

（國網(wǎng)山東郯城縣供電公司）

文章主要對輸電線路故障相關(guān)分析技術(shù)進(jìn)行了研究。首先分析了輸電線路故障原因并對原因進(jìn)行分類。接著介紹了輸電線路故障的防治技術(shù)，主要包括故障定位、鳥類排除及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。最后提出了輸電線路故障分析的建議。

輸電線路；故障定位；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

0　引言

電網(wǎng)安全事故中輸電線跳閘是一個很重要的原因，這一事故的發(fā)生會對設(shè)備安全、系統(tǒng)安全造成威脅，并給電網(wǎng)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。輸電線需要經(jīng)過復(fù)雜的環(huán)境比如翻越高山、叢林等，這些地方給輸電線構(gòu)成了威脅，比如動植物、覆冰、雷電等都會引起跳閘事故的發(fā)生。每次跳閘事故都會對系統(tǒng)構(gòu)成危害，如使導(dǎo)線、絕緣子被燒毀等。輸電線故障判斷是非常復(fù)雜的，在實際中若不準(zhǔn)確判斷出則會使防護(hù)措施針對性不強(qiáng)，同時由于故障定位不精準(zhǔn)，導(dǎo)致在故障發(fā)生后需要花費較多時間去尋找故障點，從而使得供電恢復(fù)時間延長帶來一系列經(jīng)濟(jì)損失。為了提高輸電線故障定位及故障原因的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)對輸電線故障診斷的技術(shù)研究是非常重要的。本文對輸電線故障起因及故障防治技術(shù)進(jìn)行了分析，通過分析這些技術(shù)的不足，提出了輸電線故障防治技術(shù)的研究方向。

1　輸電線故障原因分析

范新橋［3］在基于多點電流測量的輸電線路故障定位方法研究及宋國兵［4］在高壓直流輸電線路故障定位研究綜述中提出了輸電線路故障原因可以分為雷擊跳閘及非雷擊跳閘兩種故障。

1.1雷擊故障判斷

1）通過雷電相關(guān)定位系統(tǒng)測得雷的電流變化，該方法原理是根據(jù)電氣幾何數(shù)學(xué)模型，在實際中由于輸電線路的反擊雷水平及繞擊雷水平存在較大差異，由此可以通過精確測量出雷擊電流來判斷是反擊跳閘還是繞擊跳閘，電流波動幅度大的為反擊跳閘，反之為繞擊跳閘。但是該方法存在一定缺陷，主要有：①雷擊電流測量成本投入高，主要是因為現(xiàn)有雷電定位系統(tǒng)測量精度也不高以及維護(hù)困難。②通過對放電分散性研究，結(jié)果表明在雷電流很大時也存在繞擊現(xiàn)象，因此在實際中雷擊現(xiàn)象是繞擊和反擊現(xiàn)象的混合，這樣使得故障分析結(jié)果不易準(zhǔn)確。③電氣幾何模型在平原地段及山區(qū)地段應(yīng)用存在差異，平原地段中滿足電氣幾何模型而山區(qū)中則基本上不可能滿足電氣幾何模型，同時還有可能出現(xiàn)繞擊時的雷電流變得非常大。

2）通過對輸電線路中閃絡(luò)相別進(jìn)行判斷，工程技術(shù)人員在長期實踐中積累了大量經(jīng)驗，得到了雷擊故障識別的一種判斷規(guī)則，該技術(shù)是根據(jù)輸電線路閃絡(luò)相來識別。該技術(shù)規(guī)則如表1所示。

表1　經(jīng)驗規(guī)則

3）通過桿塔中不同部位的雷電流方向進(jìn)行判斷。

4）通過相鄰桿塔避雷線中電流的方向進(jìn)行判斷。

1.2非雷擊故障判斷

在輸電線路中除了雷擊故障外，其他外部因素同樣威脅著輸電線路，比如覆冰、鳥類撞擊、風(fēng)的吹動等都會引起輸電線路發(fā)生跳閘現(xiàn)象。早在20世紀(jì)90年代日本電力公司對輸電線路故障原因就進(jìn)行了深入研究，該公司采用自動波形分析及光電流傳感器用于監(jiān)控故障中電流的波動，通過分析故障閃絡(luò)前后相關(guān)波形的特征可以判斷故障類型。該研究結(jié)果表明鳥、動物、樹木等引起的故障在閃絡(luò)前后過程中都會出現(xiàn)高頻諧波；覆冰、污穢等所引起的故障在閃絡(luò)前會出現(xiàn)高頻諧波，而在閃絡(luò)結(jié)束后出現(xiàn)高頻諧波概率很小，僅存在工頻；碳棒、金屬棒所引起的故障在閃絡(luò)前會出現(xiàn)電流現(xiàn)象，高頻諧波則基本不出現(xiàn)，閃絡(luò)結(jié)束后高頻協(xié)同也基本不出現(xiàn)［5］。然而該研究在實際應(yīng)用中問題比較大不易形成產(chǎn)品用于市場，因此僅僅在理論上進(jìn)行了分析。

2　輸電線故障防治技術(shù)

2.1輸電線故障定位技術(shù)

故障定位最原始的方法是將測量線路中故障的阻抗值通過計算轉(zhuǎn)化為線路長度，因而該方法也叫故障測距。隨著輸電線路距離增加該方法在準(zhǔn)確性上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有技術(shù)。隨著通訊技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展及其在輸電線路中的應(yīng)用，使得故障定位技術(shù)有了新的突破。

就目前而言，輸電線路故障定位主要分為兩類：形波法及故障分析方法。行波法原理是根據(jù)行波傳輸理論進(jìn)行故障距離的測試，一旦輸電線路中發(fā)生故障時，故障點將會出現(xiàn)暫態(tài)波，該波沿輸電線路方向傳播，其傳播的速率近似于光速。將行波到達(dá)測量裝置的時間與光速到達(dá)的時間進(jìn)行計算，從而可以計算出故障點的位置。故障分析方法建立在輸電線路中相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型中，該模型核心算法是需要采集故障點的電流及電壓信號，通過建立數(shù)學(xué)模型并求解模型從而得到故障點位置。隨著新材料的不斷開發(fā)及信號處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了先進(jìn)的輸電線故障定位技術(shù)，這些技術(shù)主要有傳感器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。

（1）傳感器技術(shù)

不管是波形法還是故障分析法，輸電線路故障點的定位都是建立在能夠準(zhǔn)確獲取輸電線路上相關(guān)信號基礎(chǔ)上，在輸電線路中信號的準(zhǔn)確獲取需要通過傳感器、電流互感器及電壓互感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)定位功能。電流互感器（CT）、傳感器及電壓互感器（PT）存在誤差時會使得定位誤差變大，尤其是在電流互感器出現(xiàn)誤差時可使定位誤差達(dá)到5%～10%，從而使得定位失去意義。對于行波故障定位而言，一旦行波波頭使用了誤差大的傳感器或互感器，其結(jié)果是嚴(yán)重偏離定位致使定位不準(zhǔn)確。針對這一問題國外提出了一種新的方法：將電壓互感器及電容結(jié)合在獲取行波信號上,然而該方法使用了特殊的電壓傳感器用于捕獲故障點的高頻暫態(tài)信號，同時將傳感器和電壓互感器結(jié)合在一起，使得電力系統(tǒng)安全存在隱患，在中國推廣比較難。

（2）高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)

行波法與故障分析法由于定位原理不同，使得定位精確度也有所差異。當(dāng)前行波法測量故障點位置關(guān)鍵技術(shù)為如何準(zhǔn)確獲取故障行波與光速之間的時間差，這就需要提高數(shù)據(jù)采集速率。故障分法對于數(shù)據(jù)采集率在1～20kHz間相對容易實現(xiàn)。在輸電線路中行波的速率達(dá)到了3.0×106km/s,如果定位系統(tǒng)的采集速率為0.5MHz，則會導(dǎo)致定位誤差在150m 。將采集速率提高到10MHz則采集誤差在15m。使得定位更精確，國內(nèi)行波采集率在5～20MHz,已經(jīng)滿足定位要求，國外已經(jīng)出現(xiàn)了100～200MHz的采集裝置，故障定位更準(zhǔn)確。

高速數(shù)據(jù)采集涉及到的技術(shù)非常復(fù)雜，主要包括：數(shù)據(jù)存儲設(shè)備及通信、高速數(shù)字芯片、模擬通道的選擇及設(shè)備之間的兼容問題等。由于高頻信號的波長非常短，在高速數(shù)據(jù)采集中要考慮到電磁干擾問題，需要更進(jìn)一步解決。

2.2解決鳥類影響輸電線故障技術(shù)

為了使電力生產(chǎn)得到良好的保障，相關(guān)人員開始對電網(wǎng)涉鳥故障進(jìn)行研究,研究內(nèi)容主要有鳥害故障分析及防治措施等。在電網(wǎng)鳥故障研究中各地區(qū)都取得了一定的成績，并在技術(shù)層面上為鳥害的防治提供了一定經(jīng)驗：如河南省電網(wǎng)在研究鳥害時進(jìn)行了跨專業(yè)的研究，將鳥類學(xué)和電力學(xué)兩個學(xué)科結(jié)合在一起進(jìn)行研究，先從鳥類學(xué)中開始對鳥種類、生物習(xí)性、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域中全面了解出現(xiàn)鳥害的動機(jī)。再根據(jù)鳥害故障特征按區(qū)域劃分了鳥害等級分布圖，以科學(xué)方法提供了鳥害的防治措施。另外中國電力科學(xué)研究院和一些地方如江西電力科學(xué)研究院等協(xié)同合作對鳥害進(jìn)行攻關(guān)，做出了全國范圍內(nèi)的輸電線路涉鳥故障分級及分布圖繪制，這一研究成果為鳥害防治措施的制定提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以針對不同區(qū)域不同等級的鳥害提出相應(yīng)的防治措施，做到了因地制宜。李長看［5］在2013～2015年將近兩年時間內(nèi)以河南省高壓輸電線路為對象對其出現(xiàn)的鳥害現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在研究時采用了各種方法如樣點法、紅外相機(jī)陷阱法等檢測出在近兩年時間內(nèi)出現(xiàn)的鳥害現(xiàn)象達(dá)到64次，且鳥害現(xiàn)象具有很明顯的地域特征，如在豫中西部出現(xiàn)鳥害現(xiàn)象較為嚴(yán)重，達(dá)53次之多，所占比例在80%以上，而中東部地區(qū)鳥害現(xiàn)象則相對較輕，共出現(xiàn)11次鳥害現(xiàn)象，所占比例為17%。此外在這次鳥害檢測中還對經(jīng)常發(fā)生鳥害進(jìn)行分類，主要有四類即鳥糞類、鳥啄類、鳥巢類和鳥體短接類；根據(jù)鳥害造成的風(fēng)險嚴(yán)重程度將涉鳥故障劃分成四個等級的故障，并針對鳥害出現(xiàn)區(qū)域的不同繪制了相應(yīng)的涉鳥故障區(qū)域及等級分布圖，這些研究成果為鳥害防治措施提供了技術(shù)上的支持。另外李長看在2003～2013年10年間統(tǒng)計分析了河南地區(qū)的鳥害現(xiàn)象，并提出相應(yīng)的防治措施，即在當(dāng)前以“堵”為主的措施上進(jìn)行改進(jìn)，采取以引導(dǎo)型為主，將“疏”和“堵”兩種方式結(jié)合起來的防治措施。

2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很強(qiáng)的泛化能力和學(xué)習(xí)能力，是目前應(yīng)用較廣泛的分類器，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于故障分類可以提高故障的分類速度及準(zhǔn)確性。林圣提出了一種基于粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路故障分類方法，該方法主要是由10個獨立的粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別及分類輸電線路中故障類型。粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用了模糊神經(jīng)元及粗神經(jīng)元用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的神經(jīng)元，對提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度是非常有用的，同時也能減少網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練的樣本數(shù)量。通過對大量故障數(shù)據(jù)的分析，將時頻域中的13個不同特征量及故障發(fā)生后5ms內(nèi)的電流做為故障分類數(shù)據(jù)，從而提高了故障的分類準(zhǔn)確率。通過PSCAD/ EMTDC進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：該方法能夠很快識別各種故障同時準(zhǔn)確率也非常高，受過渡電阻、故障時刻及故障位置的因素影響較小。下圖為粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障分類模型。董天禎在研究現(xiàn)有架空輸電線路故障檢測系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸電線路故障檢測系統(tǒng)。該技術(shù)針對復(fù)雜的10kV輸電線路進(jìn)行了研究，將輸電線路上的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行相關(guān)數(shù)字轉(zhuǎn)化從而實現(xiàn)編碼，利用載波通信將信號數(shù)據(jù)傳送到總部；由總部對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及解碼處理；然后將數(shù)據(jù)通過反向傳播算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最終得到故障信息，該技術(shù)能準(zhǔn)確的測量輸電線路中的故障位置。

圖　粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障分類模型

3　結(jié)束語

輸電線路故障分析技術(shù)已經(jīng)研究了近40年，在國內(nèi)外學(xué)者的共同協(xié)作下取得了累累成果。在以后的發(fā)展中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在輸電線路故障分析上將是比較先進(jìn)的技術(shù)。

［1］周華敏，彭向陽.廣東輸電線路防雷運(yùn)行分析［J］.廣東電力，2009，22（5）：19-22.

［2］彭向陽，李鑫，姚森敬.輸電線路故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.廣東電力，2012，22（1）：8-11.

［3］范新橋.基于多點電流測量的輸電線路故障定位方法研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2012，（6）：1-10.

［4］宋國兵，蔡新雷，高淑萍等.高壓直流輸電線路故障定位研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：134-136.

［5］李長看，盧明，龐鍇，等.河南輸電線路涉鳥故障分布特征及分級研究［J］.高壓電器，2015（12）：49-54.

（2016-01-25）