基于分布式監(jiān)測系統(tǒng)的超高壓輸電線路故障診斷技術(shù)應(yīng)用

楊 軍

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

內(nèi)蒙古電網(wǎng)是一個以500 kV線路為骨干網(wǎng)架，220 kV線路為主體的大電網(wǎng)，承擔(dān)著內(nèi)蒙古自治區(qū)西部地區(qū)六市二盟的供電任務(wù)。電網(wǎng)自西向東網(wǎng)架延伸長達(dá)2500 km，主體部分南北寬度約400 km，是一個主體部分沿黃河流域分布的長距離鏈?zhǔn)酵馑碗娋W(wǎng)[1]。為構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，改善原500 kV電網(wǎng)架構(gòu)較松散的弊端，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)2023年近景規(guī)劃中，逐年新建500 kV輸變電工程，屆時將形成“四橫五縱”的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時將新增500 kV變電站26座。

現(xiàn)有的“三橫四縱”網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中500 kV輸電線路長度已超過6000 km，隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，輸電運(yùn)檢的工作量也相應(yīng)增加。內(nèi)蒙古地區(qū)幅員遼闊，部分線路跨越不同地形，或架設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，使得線路發(fā)生故障后巡查、搶修都面臨較大困難。得益于通信技術(shù)的發(fā)展和智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用[2-4]，內(nèi)蒙古電網(wǎng)于2014年開始在部分500 kV線路試點(diǎn)配置“輸電線路分布式監(jiān)測系統(tǒng)”，用于線路故障精確定位和原因辨識，以緩解故障巡查和搶修的壓力，提升輸電網(wǎng)供電可靠性。截至2020年7月，已累計(jì)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)15條500 kV輸電線路配置了138臺分布式故障監(jiān)測終端。目前監(jiān)測終端運(yùn)行情況良好，并成功完成了5次非雷擊故障的診斷。

本文研究了行波在輸電線路上傳輸衰減情況，介紹分布式監(jiān)測技術(shù)的原理和終端配置方案；對系統(tǒng)監(jiān)測到的3起典型故障進(jìn)行分析，驗(yàn)證分布式監(jiān)測系統(tǒng)的診斷結(jié)果，并對3起故障的定位誤差進(jìn)行分析，指出500 kV輸電線路雷擊故障的辨識依據(jù)。

1 行波傳輸?shù)乃p規(guī)律

行波在線路傳輸過程中會因電阻、電導(dǎo)、大地以及電暈等因素產(chǎn)生損耗，引起波形衰減。假設(shè)單位長度導(dǎo)線大地電阻為R0，絕緣泄漏、介質(zhì)損耗電導(dǎo)為G0，導(dǎo)線電容為C0，導(dǎo)線電感為L0，電壓幅值為U0。

以直角波為例進(jìn)行簡化分析，且假定等值線路各參數(shù)為常數(shù)。

電壓沿線傳輸過程中，在導(dǎo)線周圍空間產(chǎn)生電場能，單位長度電場能為其中，U為起始電壓幅值）；在存在對地電導(dǎo)情況下，單位長度距離傳輸消耗能量為其中，t0為電壓波傳播單位長度的時間）。消耗的部分電能會導(dǎo)致電壓波的衰減，電壓u衰減規(guī)律為：

式中：v—行波傳輸速度；t—總傳播時間；x—線路長度。

電流沿線傳輸過程中，在導(dǎo)線周圍空間產(chǎn)生磁能，單位長度磁能為其中，I為起始電流幅值）。在有電阻R0時，單位長度距離傳輸將消耗磁場能量為R0i2t0，消耗磁能也會導(dǎo)致電流波形衰減，電流i衰減規(guī)律為：

在輸電線路電與磁的傳輸過程中，假如磁能消耗比電能快，則空間電能密度會大于磁能密度，此時電能與磁能進(jìn)行交換以保證電磁波傳輸方向首端電壓波與電流波一直保持關(guān)系，傳播過程中，電壓波就會不斷發(fā)生負(fù)反射以減小波前電壓，電流波會發(fā)生正反射以增大波前電流，結(jié)果導(dǎo)致電壓波頭部變平、尾部變長。

在線路無畸變情況下，即R0/G0=L0/C0，線路上的磁能與電能比即為電阻和電導(dǎo)上產(chǎn)生的熱損耗之比，此時行波只產(chǎn)生衰減沒有變形發(fā)生。由于G0很小，因此衰減多是R0導(dǎo)致的，加上集膚效應(yīng)作用引起的電阻變化會造成部分波形傳輸衰減明顯。實(shí)際輸電線路也并不是理想狀況，因此行波經(jīng)線路傳輸不但會產(chǎn)生波形衰減，還會發(fā)生波形畸變[5]。

本文以實(shí)測波形為例（見圖1），解釋行波傳輸衰減規(guī)律。

圖1 行波傳輸衰減實(shí)測波形

行波傳輸至第一套監(jiān)測終端時，測量其幅值為215 mA；至第二套監(jiān)測終端時，幅值衰減至71 mA；傳輸至39 km時進(jìn)一步衰減到33 mA。較低幅值的波形使得其主要特征變得模糊，難以提取，對故障點(diǎn)的精確定位及波形類型辨識造成困擾。此外，當(dāng)故障行波傳輸后其幅值降低到30 mA以下，則容易與線路偶然強(qiáng)電暈放電特征造成混淆，難于提取。

2 分布式監(jiān)測技術(shù)原理

分布式監(jiān)測技術(shù)基于雙端行波定位原理，每隔20~30 km分布安裝1個監(jiān)測終端將線路分成若干區(qū)段，監(jiān)測終端具備工頻電流與高頻行波電流采集的功能，監(jiān)測技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 分布式監(jiān)測技術(shù)原理示意圖

線路發(fā)生故障時，首先利用工頻故障電流判斷故障相別和故障區(qū)間；然后選取該故障區(qū)間所對應(yīng)的兩臺監(jiān)測終端采集到的高頻行波電流進(jìn)行同步分析。以雙端波頭的準(zhǔn)確時刻進(jìn)行雙端行波定位，再以高頻行波電流的波形特征進(jìn)行故障類型識別。

2.1 故障區(qū)間判定

以常見的單相短路故障為例，線路發(fā)生故障后會產(chǎn)生短路電流，由于故障點(diǎn)兩側(cè)都會向故障點(diǎn)注入電流，因此故障發(fā)生后故障點(diǎn)兩側(cè)的電流相位相反，而故障點(diǎn)同側(cè)的短路電流相位相同，如圖3所示。因此，故障發(fā)生后，可對比故障線路上監(jiān)測終端的工頻電流，根據(jù)監(jiān)測到電流的相位實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段判定。

圖3 故障區(qū)間判定方法

2.2 通過雙端行波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障精確定位

若故障點(diǎn)確定在兩監(jiān)測終端之間，如圖4所示，故障點(diǎn)C產(chǎn)生的初始行波電流信號同時向兩側(cè)傳播，則可利用兩側(cè)終端監(jiān)測到的行波信號進(jìn)行初始行波的確定并分別標(biāo)定波頭時刻tM和tN。將兩波頭時刻代入雙端定位公式（3），即可準(zhǔn)確計(jì)算出故障點(diǎn)至監(jiān)測終端的距離LM和LN。由于監(jiān)測終端位置及終端（變電站）距離L已知，即可通過LM和LN進(jìn)行精確定位。

圖4 雙端精確定位示意圖

2.3 分析高頻行波電流的特征，進(jìn)行雷擊故障辨識

對于超高壓輸電線路來說，由于其耐雷水平較高，只有強(qiáng)烈的雷電活動才會引起線路絕緣子閃絡(luò)，進(jìn)而引發(fā)跳閘[6]。因此，在故障電流方面，無論是雷擊桿塔還是繞擊導(dǎo)線，都會產(chǎn)生幅值非常高的故障電流。根據(jù)放電理論可知，放電過程越強(qiáng)烈，擊穿電流波形的上升沿越陡，雷擊故障的暫態(tài)電流也會明顯變陡。綜合可知，超高壓輸電線路發(fā)生雷擊故障時，其故障電流幅值明顯升高，通?？蛇_(dá)數(shù)十千安，且暫態(tài)行波電流的波頭較陡，半峰值時間較短。

2.4 分布式監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)故障雙端行波測距技術(shù)，分布式監(jiān)測技術(shù)具有如下優(yōu)勢。

（1）行波電流實(shí)際傳輸超過一定距離時會產(chǎn)生衰減變形，此時的波形難以用來定位故障及辨識原因。采用分布式監(jiān)測技術(shù)可就近獲取更加理想的暫態(tài)行波電流特征，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)精確定位。該監(jiān)測技術(shù)還能減小弧垂、波速、波形衰減以及干擾信號等因素對定位準(zhǔn)確度的影響，定位精度更高[7-9]。

（2）在輸電線路上安裝監(jiān)測終端，還能減小行波傳輸折反射的干擾，監(jiān)測到的行波電流的電磁暫態(tài)特征相比變電站記錄到的波形更加準(zhǔn)確[10-12]，更利于波形的識別。

3 基于分布式監(jiān)測技術(shù)的故障診斷實(shí)例分析

3.1 故障案例1

故障案例1所在線路全長208.734 km，在該線路48號桿塔、84號桿塔、107號桿塔、160號桿塔安裝了故障監(jiān)測裝置。該線路于2019-03-16T13：25：49發(fā)生跳閘故障。

依據(jù)圖3方法，對該線路4套監(jiān)測終端采集到的工頻電流進(jìn)行對比，得到故障時刻48號桿塔及84號桿塔L2相的工頻電流波形如圖5所示。圖中異常電流突增2個周期后歸零，與線路發(fā)生故障時工頻電流特征一致，判斷該線路L2相發(fā)生跳閘故障，且48號桿塔與84號桿塔上分閘工頻短路電流相位角相反，因此可確定故障點(diǎn)位于48號桿塔與84號桿塔之間。

圖5 案例1故障時刻工頻電流波形

在48號至84號桿塔之間進(jìn)行雙端行波定位計(jì)算，根據(jù)故障時刻找出初始故障行波電流波形，如圖6所示。對兩波形的波頭時刻進(jìn)行標(biāo)定后，可知初始故障行波第一次到達(dá)48號桿塔的時刻，與第一次到達(dá)84號桿塔的時間差Δt=4μs。根據(jù)在線波速測定結(jié)果，行波在該線路的波速為290 m/μs，根據(jù)式（3）可算出故障點(diǎn)在距離48號桿塔8.474 km處。查閱線路檔距資料后，確定故障桿塔為66號桿塔。本次故障行波電流幅值較小且半峰值時間較長，判斷為非雷擊故障。

圖6 案例1故障時刻行波電流波形

3.2 故障案例2

故障案例2所在線路全長160.061 km，在線路2號、48號、169號、225號桿塔安裝了故障監(jiān)測裝置。該線路于2016-10-23T11：27：43發(fā)生跳閘故障。

對該線路4套監(jiān)測終端采集到的工頻電流進(jìn)行對比，得到48號和169號桿塔L2相的工頻故障電流波形如圖7所示，波形中電流在故障時刻突增，并在第二個周期后歸零，與線路發(fā)生故障時工頻電流特征一致，因此可判斷該線路L2相發(fā)生跳閘故障，且48號桿塔與169號桿塔上分閘工頻短路電流相位角相反，因此可確定故障點(diǎn)位于48號桿塔與169號桿塔之間。

圖7 案例2故障時刻工頻電流波形

確定故障區(qū)間后，在48號至169號桿塔之間進(jìn)行雙端行波定位計(jì)算，根據(jù)故障時刻找出初始故障行波電流波形，如圖8所示，對兩波形的波頭時刻進(jìn)行標(biāo)定，可知初始故障行波第一次到達(dá)48號桿塔的時刻，與第一次到達(dá)169號桿塔的時間差Δt=20μs，行波在該線路的波速為290 m/μs，根據(jù)式（3）可算出故障點(diǎn)在距離48號桿塔30.143 km處。查閱線路檔距資料后，確定故障桿塔為118號桿塔。本次故障行波電流幅值較小且半峰值時間較長，判斷為非雷擊故障。

圖8 案例2故障時刻行波電流波形

根據(jù)故障后的巡線結(jié)果，本次故障點(diǎn)發(fā)生在119號桿塔，定位誤差為-1基桿塔，在規(guī)定允許的范圍內(nèi)。由于故障案例2中48號桿塔與169號桿塔之間距離遠(yuǎn)超30 km，因此可以從圖中觀察到兩側(cè)波形有不一致情況，且波頭發(fā)生了一定的幅值衰減和畸變，但此次故障波頭較陡，波頭的突變點(diǎn)和峰值比較容易識別，因此定位仍然準(zhǔn)確。

3.3 故障案例3

故障案例3所在線路全長208.936 km，在該線路125號、163號桿塔安裝了故障監(jiān)測裝置。該線路于2019-02-02T13：36：04發(fā)生跳閘故障。

對該線路2套監(jiān)測終端采集到的工頻電流進(jìn)行對比，得到故障時刻125號和163號桿塔L3相的工頻電流波形如圖9所示，波形中電流在故障時刻突增，并在第二個周期后歸零，與線路發(fā)生故障時工頻電流特征一致。不同的是，本次故障125號桿塔與163號桿塔上分閘工頻短路電流相位角相同，因此判斷故障點(diǎn)位于125號桿塔至163號桿塔區(qū)間外。

圖9 案例3故障時刻工頻電流波形

由于故障點(diǎn)不在分布式監(jiān)測裝置的雙端區(qū)間內(nèi)，因此采用單端行波定位的方式。通過查看125號、163號桿塔終端的初始行波時刻，可知故障行波是由125號桿塔小號側(cè)發(fā)出，因此利用125號桿塔終端監(jiān)測到的行波進(jìn)行單端定位，如圖10所示。

故障時刻行波第一次到達(dá)125號桿塔的時刻為t1，反方向傳播經(jīng)變電站反射后，到達(dá)125號桿塔的時刻為t2，時間差Δt=170μs，行波在輸電線上傳播速度v為290 m/μs，已知125號桿塔與變電站之間距離L，則可以計(jì)算出故障點(diǎn)在距離125號桿塔小號方向28.91 km處。查閱線路資料后確定故障桿塔為67號桿塔。經(jīng)故障后巡線的實(shí)際結(jié)果核實(shí)故障點(diǎn)為67號桿塔，定位結(jié)果準(zhǔn)確。

由故障案例3可知，利用行波的折反射原理可以進(jìn)行單端定位，單端行波故障測距技術(shù)不需要精確對時，避免了雙端監(jiān)測終端由于硬件系統(tǒng)的原因?qū)е聲r間不同步給定位帶來的影響，在某些特定情況下具有較好的效果。當(dāng)故障點(diǎn)位于分布式的雙端監(jiān)測區(qū)間內(nèi)時，單端定位可作為輔助驗(yàn)證手段；當(dāng)故障點(diǎn)在區(qū)間外時，對某些故障仍可使用單端定位來覆蓋監(jiān)測盲區(qū)。

4 結(jié)論

本文研究了輸電線路上行波傳輸后的衰減規(guī)律，分析了分布式監(jiān)測技術(shù)的線路故障診斷原理及優(yōu)勢，分步驟對內(nèi)蒙古超高壓輸電線路的3起典型故障進(jìn)行了診斷，對故障案例的定位誤差進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下。

（1）行波在輸電線路上傳播存在衰減與畸變，在行波傳播超過20 km以上時可能造成波頭陡度變緩、波頭特征改變或消失，影響診斷結(jié)果，因此采取每20~30 km布置分布式監(jiān)測終端較為合理；在故障診斷時，可根據(jù)工頻電流確定故障區(qū)間，再利用高頻行波電流進(jìn)行精確定位和故障辨識。

（2）分布式監(jiān)測技術(shù)的定位精度與故障點(diǎn)相對位置、故障暫態(tài)電流大小有較大關(guān)聯(lián)，故障點(diǎn)距監(jiān)測終端越近、故障電流越大、行波暫態(tài)電流波頭越陡，定位的準(zhǔn)確性越高。

（3）超高壓輸電線路發(fā)生雷擊故障時，故障電流為千安級，通?？蛇_(dá)幾十千安；雷擊故障行波電流的波頭較陡，波頭時間較短，通常為微秒級，可以此作為雷擊故障的辨識依據(jù)。

（4）單端行波定位仍具有較高利用價值，當(dāng)故障點(diǎn)位于分布式監(jiān)測的雙端區(qū)間內(nèi)時，單端行波定位可作為雙端定位的輔助與驗(yàn)證手段；當(dāng)故障點(diǎn)所在位置不滿足雙端定位條件時，單端行波定位可作為后備定位手段，對于故障電流較大、波頭較明顯的故障仍具有較高定位精度。