基于故障高頻波形的架空線路故障診斷分析

申元++姜志博++馬儀++孟見剛++徐肖偉++馬御棠

【摘 要】本文基于短路故障特征量的監(jiān)測，采用了分布式行波測量技術(shù)，利用行波的傳播規(guī)律及特征進行故障定位和原因分析，成功的對一條220kV架空線路進行了故障精確定位與故障原因辨識，經(jīng)過現(xiàn)場巡線，論證了診斷結(jié)果的準確性，確認了短路故障特征量監(jiān)測方式的可行性，有效的克服的行波的衰減和畸變，大大的提高了故障定位的準確性及可靠性。

【關(guān)鍵詞】短路故障 架空線路原因辨識 架空線路故障定位 分布式監(jiān)測

高壓輸電線路走廊地形地貌復雜，導致線路各類故障頻發(fā)，故障發(fā)生后，巡線工作人員需要沿線逐級登塔排查，將會耗費巨大的人力、物力和時間成本。此外，故障原因的準確辨識對輸電線路的防護及改造提供了實際的數(shù)據(jù)支撐，對降低線路的跳閘率具有重要意義。本文以云南電網(wǎng)某條220kV輸電線路為研究對象，基于該線路上安裝的輸電線路分布式故障定位監(jiān)測終端，對線路故障性質(zhì)進行判斷，并對故障點進行定位，極大的提高故障巡線的效率。

1 輸電線路分布式故障診斷系統(tǒng)簡介

本文采用的架空線路分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)，可以對輸電線路故障進行精確定位和故障原因辨識功能。該系統(tǒng)架構(gòu)主要由現(xiàn)場監(jiān)測裝置、中心站和客戶端組成，每間隔20km布置一個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在ABC三相各安裝一臺監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置將采集的波形信號通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過分析上傳的波形信號進行故障診斷，客戶端可以通過Internet實時訪問數(shù)據(jù)中心，進行故障查詢，并及時安排故障巡線處理工作。

2 故障性質(zhì)辨識原理

基于各類故障原因的波形分析可知：雷擊故障時，雷云通過主放電通道對架空線路注入能量，經(jīng)絕緣子閃絡(luò)后形成傳輸?shù)墓收闲胁?；而在非雷擊故障時，可等效看成故障點注入了一個與系統(tǒng)電壓反向的直流電壓源。在以上兩種情況下，所形成的故障行波有著顯著的特征差異。標準雷電流的波形參數(shù)為2.6/40μs，其波尾半峰值時間只有40μs，由于大地反射波的極性相反，兩者疊加后使峰值衰減加快，波尾時間變短，因此，雷擊故障電流的行波波尾時間會小于40μs；而非雷擊故障波尾時間會大于40μs。

為了驗證以上結(jié)論，本文利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件搭建了輸電線路雷擊故障仿真模型和非雷擊故障的模型，進行了仿真驗證，輸電線路雷擊、非雷擊故障的典型行波波形如圖1（a）（b）所示。

因此，本研究提出了基于行波波尾特征來辨識雷擊故障，如果波尾時間小于40μs即為雷擊故障，大于40μs即為非雷擊故障。該方法物理概念極為清晰，判斷思路明確且無需大量計算，經(jīng)過細致全面仿真計算的驗證，可有效應用于輸電線路故障原因的辨識。

3 故障精確定位原理

本文采用分布式監(jiān)測方式，在輸電線路上布置若干個故障電流信號監(jiān)測裝置，將輸電線路分解成若干個區(qū)間，進行區(qū)間內(nèi)的行波定位，從而實現(xiàn)對輸電線路故障的精確定位。當輸電線路跳閘故障發(fā)生兩個電流信號監(jiān)測裝置之間時，故障點同側(cè)的信號監(jiān)測裝置記錄的工頻故障電流信號方向相同，故障點兩側(cè)記錄的工頻信號方向相反。假設(shè)兩個監(jiān)測點間的區(qū)間長度為L，故障發(fā)生在兩個監(jiān)測點之間的A點，A點距監(jiān)測點M的距離為L1，距監(jiān)測點M+1的距離為L2，如圖2所示。

從故障發(fā)生到監(jiān)測點M和監(jiān)測點M+1監(jiān)測到行波電流的時間分別為t1、t2，行波在線路中的傳播速度為V。則，可以得到故障點距監(jiān)測點1的距離及故障點距監(jiān)測點2的距離分別為：

（1）

（2）

通過GPS提供的準確相對時間t1、t2，即可以定位出故障點A距監(jiān)測點的距離，從而達到定位的目的。

當輸電線路故障發(fā)生在變電站和電流信號監(jiān)測裝置之間時，所有的裝置記錄的工頻故障電流信號方向相同，行波電流的傳播如圖3所示，利用公式（3）可以計算故障點位置。

（3）

其中為故障點距最近變電站的行波傳播距離，為監(jiān)測點監(jiān)測到的故障點傳的行波與最近變電站反射的故障行波的時間差，V為故障行波在介質(zhì)中傳播的速度。

4 應用實例

2015年8月29日，云南某條220kV輸電線路發(fā)生故障跳閘。輸電線路分布式故障定位監(jiān)測終端及時動作，監(jiān)測到故障時刻的高頻暫態(tài)電流波形，并確定為雷擊故障，定位故障發(fā)生點為53號桿塔。該線8月29日的跳閘故障的高頻暫態(tài)電流波形如圖4（a）所示，其波尾大概為10μs，小于40μs，符合雷擊故障特征，輸電線路分布式故障定位監(jiān)測終端判定為雷擊故障。該次故障的精確時間為14：24：21 319毫秒，查詢雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這一時刻在該線路走廊上有一次落雷，且雷電流幅值超過其耐雷水平，證明此次故障是雷擊故障。

如圖4（b）所示，安裝于#85桿塔上的終端監(jiān)測到的故障時刻電流行波波形。該波形記錄是由故障行波電流在故障點與變電站折反射造成，行波電流從故障點出發(fā)經(jīng)過#85號桿塔上的終端，經(jīng)過變電站和故障點的多次反射2次經(jīng)過#85號桿塔，#85桿塔位于變電站出口第一基，T1與T2時刻疊加表現(xiàn)為一個波頭，從圖中可知，行波電流從故障點傳至#85號桿塔的時間約為112μs，則故障點與#85號桿塔的距離約為16.2公里，約等于#53號桿塔到#85號桿塔的距離。因此，此次故障點最終定位在#53號桿塔附近。

雷電定位系統(tǒng)結(jié)果表1所示。查詢雷電定位系統(tǒng)在2015年8月29日14：24：21 319毫秒時刻的落雷，距其最近的桿塔標號為#51-#52，與分布式故障診斷系統(tǒng)定位的結(jié)果一致，證明分布式故障診斷系統(tǒng)定位結(jié)果的精確性。

根據(jù)現(xiàn)場故障排查發(fā)現(xiàn)該線#53塔小號側(cè)絕緣子碗口與該相跳線的放電痕跡，可以判定此次雷擊故障是由雷電繞擊引起。

5 結(jié)語

本文通過故障波形可解決生產(chǎn)實踐中對最為關(guān)鍵的問題：故障定位和原因識別。通過本文介紹的系統(tǒng)可解決故障定位精度不高、故障原因無法實時辨識的問題，并基于輸電線路分布式故障定位監(jiān)測終端一起雷擊跳閘故障實例進行了分析。分析結(jié)果表明了輸電線路分布式故障定位系統(tǒng)的應用價值，不僅大大幅度提高巡線效率，同時也為線路改造工作提供精確實測數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)經(jīng)濟可靠運行提供了堅強的技術(shù)支持。

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