分布式行波定位技術(shù)在35 kV輸電線路應(yīng)用研究

王乾龍，羅藝，晏凱

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

35 kV 是配電網(wǎng)重要組成部分，我國35 kV系統(tǒng)一般采用小電流接地運(yùn)行方式，其優(yōu)點(diǎn)在于單相接地故障后可以持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間而無需立即分閘，提升了供電的可靠性[1-3]。然而，由于其接地方式的影響，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流變化不明顯，另一方面，有大量35 kV 線路為T 接或混架組成的復(fù)雜線路，導(dǎo)致故障選線困難，更難以進(jìn)行精確定位，使得線路管理及故障排查工作量極大[4-6]。

近年來逐漸出現(xiàn)了多種技術(shù)用以解決35 kV輸電線路故障選線或者定位問題，其中零序無功功率方向法、零序電流比相法、零序電流比幅法等等可以用于故障選線，但無法精確的定位出故障所在位置，且在經(jīng)消弧線圈接地方式下無法適用[7-8]。基于零序電流有功分量法、5次或多次諧波法、殘流增量法、零序?qū)Ъ{法等等不受接入消弧線圈的影響，但因故障特征不明顯，故障點(diǎn)電弧難以持續(xù)燃燒所致，實(shí)際應(yīng)用情況欠佳[9-11]。

行波定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于110 kV 及以上電壓等級輸電線路，尤其近年來新興的分布式行波定位技術(shù)，更是將行波監(jiān)測與應(yīng)用發(fā)揮到了極致，在故障診斷效果上提升顯著[12-15]。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件功耗大幅降低以及取能單元效率的顯著提升，以往適用于110 kV 及以上電壓等級的分布式行波定位技術(shù)，目前已經(jīng)具備了在35 kV 及以下電壓等級上應(yīng)用的可能性，且在國內(nèi)電網(wǎng)上進(jìn)行了批量應(yīng)用。本文介紹了分布式行波定位技術(shù)系統(tǒng)原理、組成，并通過實(shí)際工程案例，說明了分布式行波定位技術(shù)定位的實(shí)施過程及其定位可靠性。

1 輸電線路故障行波定位原理

行波定位法是通過實(shí)時(shí)檢測輸電線路故障時(shí)刻產(chǎn)生的放電行波，結(jié)合行波傳輸路徑、輸電線路檔距參數(shù)、行波傳輸時(shí)間來進(jìn)行綜合定位。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了A、B…F 等6 類行波定位方法，其中A、C、E、F通過檢測行波來回折反射過程并識別主波及反射波時(shí)間差來進(jìn)行定位，不需要GPS 等時(shí)鐘同步，是一種單端定位方法，而B、D 型則是通過檢測行波達(dá)到雙端檢測點(diǎn)時(shí)間差來進(jìn)行定位，需要高精度同步授時(shí)時(shí)鐘，屬于雙端定位法[6,9]。

單端行波定位方法中，由于變電站母線、故障點(diǎn)等過渡阻抗不連續(xù)點(diǎn)均會(huì)產(chǎn)生反射，因此同一個(gè)行波中可能存在多個(gè)反射波，根據(jù)采用反射波的不同可以將單端定位分為基于變電站母線反射波的單端定位法和基于故障點(diǎn)反射波的單端定位法。其中基于故障點(diǎn)反射波的單端定位法定位原理示意圖如下圖1 所示。該方法適用于金屬性接地等過渡阻抗較小的故障，對于高阻故障，可能因故障點(diǎn)反射波不明顯而造成定位失效。如上圖1 所示，故障點(diǎn)發(fā)出的行波沿線路向變電站母線上傳輸時(shí)，首次到達(dá)站端檢測點(diǎn)的時(shí)刻為TM1，達(dá)到母線后，經(jīng)母線反射形成第一次反射波，該反射波從母線向故障點(diǎn)行進(jìn)，在故障點(diǎn)發(fā)生第二次反射，第二次形成的反射波達(dá)到站端檢測點(diǎn)的時(shí)刻為TM2，此時(shí)故障點(diǎn)離變電站母線距離XM可通過下式（1）給出：

圖1 單端定位原理示意圖

雙端行波定位法需要在故障點(diǎn)兩端均布置行波檢測裝置。故障發(fā)生后，行波從故障點(diǎn)沿線路向兩側(cè)傳播，由于故障點(diǎn)離兩側(cè)檢測裝置距離存在差異，因此達(dá)到檢測裝置的絕對時(shí)刻不同，通過對比兩裝置行波達(dá)到起始時(shí)刻的差異，可以計(jì)算出故障點(diǎn)的精確位置。其測距原理示意圖如下圖2 所示。

圖2 雙端行波定位示意圖

在圖2 中，設(shè)故障點(diǎn)位于F，行波達(dá)到M端和N 端的精確時(shí)刻為TM和TN，M 和N 之間線路全長為L，故障點(diǎn)與M 端距離為XM，與N端距離為XN，那么：

式（1）中計(jì)算定位需要用到反射波與主波時(shí)間差，通過檢測裝置內(nèi)部晶振時(shí)鐘即可讀取，無需主波和反射波的絕對時(shí)刻，因此不需要GPS 等精確授時(shí)。式（2）雖也是利用時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，但式（2）是通過兩端裝置采集的兩個(gè)不同波形來獲取時(shí)間差，因此GPS 精確授時(shí)是雙端定位應(yīng)用的一個(gè)前提。

2 分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)

分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測裝置（終端）、數(shù)據(jù)中心站（簡稱中心站）以及客戶端組成，其中監(jiān)測裝置根據(jù)安裝方式的不同可分為安裝于三相導(dǎo)線上的接觸式監(jiān)測裝置和安裝于桿塔上的非接觸式監(jiān)測裝置。裝置實(shí)時(shí)采集輸電線路工頻電流、工頻電壓突變量，以及行波電流和行波電壓，并將采集信號通過4G 等無線方式發(fā)送至中心站進(jìn)行統(tǒng)一處理。中心站主要由性能強(qiáng)大的服務(wù)器集群組成，通過預(yù)設(shè)的故障判斷算法、行波精確定位方法對上傳的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析診斷，并輸出精確定位結(jié)果，并通過實(shí)時(shí)短信方式發(fā)送至運(yùn)維人員手機(jī)上，運(yùn)維工作人員也可通過部署于內(nèi)網(wǎng)或外網(wǎng)服務(wù)器上的WEB 界面讀取故障分析結(jié)果，并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能。分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如下圖3 所示。

圖3 分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)主要功能分為以下幾個(gè)部分：

1）工頻和行波信號的采集：監(jiān)測裝置可對正常運(yùn)行線路工頻電流、電壓信號進(jìn)行定期采集，當(dāng)發(fā)生故障后，也能實(shí)現(xiàn)故障工頻及故障行波的采集，此外，當(dāng)線路上出現(xiàn)因雷擊、變電站操作等引起的大幅值擾動(dòng)行波時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄；

2）數(shù)據(jù)處理和診斷功能：中心站基于監(jiān)測裝置采集上傳的數(shù)據(jù)，可智能識別工頻分閘、重合閘成功及失敗、斷電以及送電等波形，并進(jìn)行標(biāo)記。具有雙端、單端定位算法，以及小波波頭提取算法等，可對故障行波進(jìn)行識別，并進(jìn)行定位分析；

3）通信功能：利用4G 等無線方式進(jìn)行通信，支持監(jiān)測裝置參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程升級、斷電重啟，自檢狀態(tài)上發(fā)、上報(bào)心跳、上傳監(jiān)測波形等等功能；

4）故障告警功能：系統(tǒng)判定線路發(fā)生故障后，及時(shí)通過短信將故障結(jié)果推送出來，方便人員第一時(shí)間內(nèi)掌握故障詳情，并指導(dǎo)盡快巡線，降低故障造成的損失。

3 工程應(yīng)用

某35 kV 線路為T 接架設(shè)，其中主線全長為26.7 km，總計(jì)95 基桿塔，T 接點(diǎn)桿塔編號為#31；支線全長為11.8 km，桿塔數(shù)為46。分布式故障監(jiān)測終端分別布置于主線#1、#95 桿塔對應(yīng)的三相導(dǎo)線上，也即首尾布置。與此同時(shí)，在支線首尾端，也即#1、#46 桿塔對應(yīng)三相導(dǎo)線上安裝了監(jiān)測終端。線路結(jié)構(gòu)及監(jiān)測終端布置示意圖如下圖4 所示。

圖4 監(jiān)測終端布置示意圖

某時(shí)刻該T 接線路發(fā)生了跳閘故障，安裝于主線及支線上的設(shè)備均對故障時(shí)刻故障工頻電流及行波電流進(jìn)行了全面的監(jiān)測，如圖5-圖8 所示。

圖5 主線上的監(jiān)測終端監(jiān)測到的故障工頻電流

圖6 主線上的監(jiān)測終端監(jiān)測到的故障行波電流

圖7 支線上的監(jiān)測終端監(jiān)測到的故障工頻電流

圖8 支線上的監(jiān)測終端監(jiān)測到的故障行波電流

根據(jù)分布式故障監(jiān)測終端故障區(qū)間判斷原則，當(dāng)兩端監(jiān)測終端測到的故障工頻極性相同時(shí)，故障位于區(qū)間外，反之位于區(qū)間內(nèi)。圖5 中，#1 和#95 桿塔對應(yīng)的故障工頻極性相反，因此判定故障點(diǎn)位于#1 和#95 監(jiān)測終端之間，可能位于主線上，也可能位于支線上。

圖6 中，通過監(jiān)測終端記錄的GPS 時(shí)鐘信息，行波波頭到達(dá)#1 監(jiān)測終端的時(shí)間比到達(dá)#95 早33.29 μs，行波波速取290 m/μs，通過雙端行波定位法判斷故障點(diǎn)位于#31 桿塔。結(jié)合主線上故障工頻特征，并考慮實(shí)際行波定位可能存在一定的偏差，因此進(jìn)一步判斷故障點(diǎn)可能在T 接點(diǎn)附近1 基桿塔內(nèi)，或者位于支線上。

圖7 中，根據(jù)支線上故障工頻極性相反特征，判斷故障點(diǎn)必然位于支線#1 和#46 之間，排除了故障點(diǎn)位于主線上的可能性。

圖8 中，故障行波波頭達(dá)到支線#46 桿塔時(shí)間比到達(dá)支線#1 桿塔早22.94 μs，通過雙端行波定位法定位出故障點(diǎn)位于#46 桿塔靠近T接點(diǎn)2.57 km 處，對應(yīng)的桿塔編號為#36，實(shí)際巡線時(shí)在#36 桿塔處發(fā)現(xiàn)了絕緣子污閃的痕跡，表明本次故障定位準(zhǔn)確，不僅實(shí)現(xiàn)了主支線故障的判斷，也精確的定位了故障所在位置。

4 結(jié)束語

分布式行波定位技術(shù)采用分段檢測方法，通過單端、雙端多種定位相互印證，提升了故障定位精度，實(shí)際應(yīng)用案例表明，該技術(shù)定位精確可靠，可以解決35 kV 輸電線路故障精確定位的難題。