基于輸電線路行波特征分析的典型故障原因辨識(shí)研究及應(yīng)用

孫迎雪 趙海龍 秦 力 龐松嶺 林桃貝

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 2.東北電力大學(xué)）

0 引言

輸電線路長(zhǎng)期處于露天環(huán)境運(yùn)行，受外部環(huán)境的影響較大，經(jīng)常面臨各種故障的困擾，2017年海南電網(wǎng)110kV及以上輸電線路故障跳閘總計(jì)156次，強(qiáng)迫停運(yùn)53次，嚴(yán)重影響供電可靠性。輸電線路常見(jiàn)故障類(lèi)型主要有雷擊、外力破壞、風(fēng)偏閃絡(luò)、樹(shù)閃、鳥(niǎo)害、山火等。

目前輸電線路故障原因的辨識(shí)主要還是依靠人工巡檢的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)［1-2］，該方法不僅需要大量的人力物力，并且故障原因預(yù)判斷在很大程度上依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)，巡檢時(shí)需攜帶大量工具，加上受巡視現(xiàn)場(chǎng)地形條件限制，效率并不高，可能無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)輸電線路上的故障點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)智能化管理水平要求。

為保證線路的安全運(yùn)行，故障在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，行波法是輸電線路故障監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用的方法之一［3］。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)從故障點(diǎn)產(chǎn)生向兩側(cè)以接近光速傳播的暫態(tài)電流行波，這種行波信號(hào)包含了豐富的信息，分析行波對(duì)于判斷線路故障的具體原因及定位有著重要的意義［4-6］。

1 線路分布式故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海南電網(wǎng)的分布式故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)終端、數(shù)據(jù)中心和工作站三部分組成，通過(guò)廣域網(wǎng)連接。將監(jiān)測(cè)終端裝置安裝于導(dǎo)線上，監(jiān)測(cè)故障發(fā)生時(shí)刻的故障行波電流與工頻故障電流及諧波電流，同時(shí)將這些信號(hào)上傳到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)終端是故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，兩個(gè)終端之間距離不宜超過(guò)30km，否則行波電流會(huì)明顯衰減，丟失一些關(guān)鍵特征。監(jiān)測(cè)終端安裝位置與變電站保持一定距離，盡量避免變電站對(duì)行波的影響。本系統(tǒng)自安裝以來(lái)，收集了大量的故障電流行波，為輸電線路故障原因研究提供了豐富的資源。

目前用于行波處理的方法有很多，包括小波分析、傅里葉分析、多小波理論、小波包能量譜、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、支持向量機(jī)、分形幾何理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法［7-8］?？焖俑道锶~算法FFT是離散傅里葉變換的特殊情況，F(xiàn)FT可以大大降低算法的復(fù)雜度，節(jié)約運(yùn)算量［9-11］。本文針對(duì)大量的故障行波樣本，運(yùn)用FFT進(jìn)行頻譜分析，對(duì)比時(shí)域特征和頻譜分析結(jié)果，能有效地識(shí)別故障電流行波特征。

2 電流行波時(shí)域特征和頻譜分析

輸電線路最常見(jiàn)的是單相接地故障，占到故障總數(shù)的90%以上，其中非雷擊故障占比很大，這類(lèi)故障的電流行波波尾時(shí)間較長(zhǎng)［12］。為了進(jìn)一步確定非雷擊故障的電流行波特征，本文分析了外力破壞、山火、樹(shù)閃三種典型故障。

2.1 外力破壞故障電流行波

輸電線路外力破壞是人們有意或無(wú)意造成的線路部件的非正常狀態(tài)，如毀壞線路設(shè)備、線路走廊內(nèi)違章作業(yè)、車(chē)輛沖撞等。其中以因違章施工導(dǎo)致吊車(chē)、塔吊及運(yùn)輸車(chē)輛等大型機(jī)械碰撞帶電導(dǎo)線對(duì)輸電線路的危害最大［13］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海南電網(wǎng)近五年110kV及以上線路發(fā)生外力破壞共計(jì)136次，占總數(shù)的20%左右，并呈逐年上升趨勢(shì)。裝置監(jiān)測(cè)到的外力破壞典型電流行波如圖1。

圖1 外力破壞典型電流行波

2.2 山火故障電流行波

山火的發(fā)生主要有環(huán)境及人為兩大因素，春秋兩季氣候干燥，受村民燒荒煉山和清明祭祖活動(dòng)影響，極易引發(fā)山火。一般認(rèn)為山火使周?chē)諝鉁囟壬?，造成空氣熱游離，空氣間隙被擊穿使得導(dǎo)線對(duì)地面物體或桿塔放電［14-15］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海南電網(wǎng)近五年110kV及以上線路發(fā)生山火共計(jì)62次，約占總數(shù)的9%左右。裝置監(jiān)測(cè)到的山火故障典型電流行波如圖2。

2.3 樹(shù)閃故障電流行波

形成樹(shù)閃的主要原因是由于架空輸電線路經(jīng)過(guò)的樹(shù)林茂密地區(qū)中的樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)快，部分樹(shù)木距離線路較近，因此導(dǎo)致了線路對(duì)樹(shù)木放電，引起線路故障跳閘。樹(shù)閃故障典型電流行波如圖3。

2.4 波形分析

通過(guò)MATLAB對(duì)大量的外力破壞、山火和樹(shù)閃故障行波進(jìn)行頻譜分析，將諧波分量求平均值，得到諧波分量對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖3 樹(shù)閃故障典型電流行波

圖4 不同故障類(lèi)型的諧波含量

圖中橫坐標(biāo)為各次諧波，縱坐標(biāo)為各次諧波分量與基波分量的比值，從圖中可見(jiàn)不同類(lèi)型故障的諧波分量有很大差異，樹(shù)閃的諧波分量全部高于外力破壞，其中三次諧波和七次諧波較為突出，山火的七次諧波明顯高于其他類(lèi)型故障。

通過(guò)分析可知，非雷擊故障行波的頻率主要集中在低頻，而且故障電流的波尾時(shí)間較長(zhǎng)，這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)的是暫態(tài)行波電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工頻周期，可以認(rèn)為采樣時(shí)間段內(nèi)電源電壓保持恒定。單相接地故障時(shí)，故障暫態(tài)行波電流主要取決于該故障時(shí)刻的電源電壓，而電源電壓基本不變，所以故障暫態(tài)電流應(yīng)呈現(xiàn)階躍狀，在采樣時(shí)間內(nèi)，由零突增至峰值后衰減很慢，因此其行波波尾時(shí)間較長(zhǎng)，一般遠(yuǎn)大于40μs。故障電流行波特征對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 故障電流行波特征對(duì)比

（續(xù)）

由電流行波和頻譜分析結(jié)果可區(qū)分外力破壞、山火、樹(shù)閃故障，另外分布式故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為故障原因辨識(shí)提供了自動(dòng)化手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障樣本的開(kāi)放式自學(xué)習(xí)。故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動(dòng)分析此次電流行波特征和閃絡(luò)前后高次諧波的頻譜特征，利用統(tǒng)計(jì)判別分析法與指紋庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷此次故障原因，待工作人員巡線后確認(rèn)或修改此次判斷結(jié)果，并將此次相關(guān)數(shù)據(jù)錄入指紋庫(kù)。隨著樣本的累積，將逐步清晰隱含層特征量的判據(jù)，修正誤差函數(shù)，構(gòu)建故障原因自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)故障原因的全面識(shí)別。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

監(jiān)測(cè)設(shè)備試掛網(wǎng)運(yùn)行以后，成功監(jiān)測(cè)到了大量故障行波并判斷故障原因，工作人員可根據(jù)平臺(tái)指導(dǎo)，攜帶相應(yīng)工具及時(shí)進(jìn)行故障搶修工作。下面分別列舉了外力破壞、山火和樹(shù)閃三種故障的案例，其對(duì)應(yīng)的故障現(xiàn)場(chǎng)及故障行波如圖5所示。

圖5 故障現(xiàn)場(chǎng)及故障行波圖

2015年12月，110kV南保創(chuàng)線C相故障跳閘，重合成功，平臺(tái)通過(guò)分析故障電流行波圖5（b），診斷為35號(hào)塔附近發(fā)生外力破壞，經(jīng)巡視發(fā)現(xiàn)35-36號(hào)桿塔之間導(dǎo)線有明顯放電痕跡，導(dǎo)線跨越三亞市某路橋施工區(qū)，有一輛大型挖掘機(jī)停在導(dǎo)線下方，如圖5（a）所示。

2017年3月，220kV大昌Ⅱ線A相故障跳閘，重合不成功，平臺(tái)通過(guò)分析故障電流行波圖5（d），診斷為193號(hào)塔附近發(fā)生山火故障，經(jīng)巡視發(fā)現(xiàn)193-194號(hào)塔走廊內(nèi)植被有大面積燃燒痕跡，如圖5（c）所示。

2016年4月，220kV鵝成Ⅲ線故障跳閘，重合成功，平臺(tái)通過(guò)分析故障電流行波圖5（f），診斷為94號(hào)塔附近發(fā)生山火故障，實(shí)際巡視發(fā)現(xiàn)94-95號(hào)塔之間C相導(dǎo)線弧垂下降與刺樹(shù)安全距離不足產(chǎn)生放電，如圖5（e）所示。

分布式故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海南電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供了幫助，能快速地進(jìn)行故障識(shí)別，為故障搶修節(jié)約了大量的人力物力，在搶修保電中，發(fā)揮了不可替代的重要作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于海南電網(wǎng)的分布式故障行波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)三種典型輸電線路故障，通過(guò)時(shí)域特征和頻譜分析相結(jié)合的方法，對(duì)其故障電流行波特征進(jìn)行了研究，以達(dá)到辨識(shí)故障原因的目的，主要結(jié)論如下：

（1）采用故障電流行波特征分析與統(tǒng)計(jì)判別分析相結(jié)合的方法，可以有效辨識(shí)外力破壞、山火、樹(shù)閃三種故障原因，正確率約在85%左右。

（2）通過(guò)對(duì)故障電流行波進(jìn)行快速傅里葉變換，將頻譜分析結(jié)果與時(shí)域特征相結(jié)合，可以為原因辨識(shí)增加判斷依據(jù)，提高了辨識(shí)準(zhǔn)確率。

（3）目前系統(tǒng)對(duì)其他故障原因的辨識(shí)準(zhǔn)確率有待提高，仍需要逐步積累故障電流行波樣本，完善指紋庫(kù)，以加強(qiáng)輸電線路常見(jiàn)故障的辨識(shí)能力。