基于地電位行波監(jiān)測(cè)的故障定位技術(shù)研究

劉國威 ，王琛，李成信，陳芳百，韋凱譽(yù)，玉聰，萬山明

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局，廣西 河池 547000；2.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

目前，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，面臨的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，通常在架空輸電線路上安裝分布式故障監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于雙端行波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障精確定位，其行波采集終端通常安裝在高壓輸電導(dǎo)線上，每間隔20～30 km安裝一套，采用耦合取能的供電方式，利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，終端之間依靠全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）同步對(duì)時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙端行波精確定位[1-2]。然而，該技術(shù)需將故障行波采集終端安裝于高壓導(dǎo)線上，安裝、維護(hù)需要結(jié)合線路停電計(jì)劃，存在一定的不便；另外，由于行波采集裝置位于高電位端，為達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)的目的，需要較高絕緣和電磁防護(hù)水平，增加了設(shè)備的成本[3-4]。

理論研究表明，輸電線路發(fā)生故障時(shí)，通過輸電桿塔入地的故障暫態(tài)電流，同樣可作為監(jiān)測(cè)和診斷線路故障的行波信號(hào)，因此可通過采集輸電線路桿塔地電位端的暫態(tài)行波信號(hào)，結(jié)合GPS同步對(duì)時(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)雙端行波定位。同時(shí)，由于行波采集終端安裝于輸電線路桿塔地電位端，使裝置帶電安裝與維護(hù)成為可能，減少運(yùn)維人員的工作量[5-6]。

綜上所述，本文基于地電位端暫態(tài)信息感知的分布式輸電線路故障精確定位技術(shù)，開發(fā)安裝于輸電桿塔地電位端的行波監(jiān)測(cè)終端，在保障輸電線路故障定位精度的前提下，實(shí)現(xiàn)裝置在地電位端的安裝與維護(hù)。

1 分布式行波采集裝置設(shè)計(jì)

本文提出一種基于地電位端暫態(tài)電流監(jiān)測(cè)的雙端行波故障定位方法，將監(jiān)測(cè)終端裝設(shè)于輸電線路鐵塔構(gòu)架上或地線上，監(jiān)測(cè)流過桿塔或地線地電位的暫態(tài)電流，每隔20～30 km安裝一套監(jiān)測(cè)終端。輸電線路發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)線中的故障電流向線路兩端傳播，同時(shí)也會(huì)在各桿塔地電位端感應(yīng)暫態(tài)行波電流，通過故障點(diǎn)兩端監(jiān)測(cè)到的行波電流，配合GPS或北斗系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)地電位端的雙端行波定位。

架空輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)必然會(huì)產(chǎn)生行波電流，以接近光速向故障點(diǎn)兩邊傳播[7-8]。由于導(dǎo)線與地線之間存在電磁耦合，發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)線上的行波電流會(huì)通過空間電磁感應(yīng)在地線中也激發(fā)行波電流，因此導(dǎo)線故障行波在沿線傳播的過程中會(huì)在各基桿塔地線產(chǎn)生暫態(tài)行波電流，地線中的行波電流通過輸電鐵塔入地時(shí)，可通過裝設(shè)在鐵塔構(gòu)架上的地電位行波監(jiān)測(cè)終端獲取，如果故障點(diǎn)兩側(cè)均裝設(shè)有監(jiān)測(cè)終端且終端間各桿塔檔距已知，結(jié)合終端之間的精確對(duì)時(shí)，則可通過雙端定位原理進(jìn)行精確定位，如圖1所示。

圖1 地電位行波雙端定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-ended positioning of ground potential traveling wave

監(jiān)測(cè)終端包含電流傳感器、電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。監(jiān)測(cè)終端采用太陽能電池供電，裝置之間通過GPS或北斗系統(tǒng)對(duì)時(shí)，通過無線通信系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)后臺(tái)。

地電位行波電流的幅值主要取決于監(jiān)測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)的距離，這是因?yàn)楣收宵c(diǎn)位置的地電位電流有時(shí)超過1 000 A，可是沿線路發(fā)送20 km以上可能會(huì)衰減到幾A，甚至更小；地電位行波電流幅值還受故障類型影響較大，雷擊時(shí)故障點(diǎn)行波幅值可達(dá)幾kA，線路經(jīng)高阻接地時(shí)僅為幾十A。因此，地電位行波電流幅值變化范圍較大，其要求行波傳感器具有較大的幅值和頻率范圍[9]。

電流傳感器可選用羅柯夫斯基線圈測(cè)量，可以很好地反映地電位行波電流的暫態(tài)過程。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮傳感器對(duì)1 A以上的暫態(tài)電流有效觸發(fā)，這樣可保證地電位行波傳播較遠(yuǎn)距離后（30 km內(nèi)）仍能被檢測(cè)，而對(duì)kA級(jí)的大電流，無需監(jiān)測(cè)完整波形，只需提取準(zhǔn)確的波頭時(shí)間即可。

2 仿真模擬

2.1 輸電線路鐵塔動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真建模

圖2為一典型的110 kV 1A-ZM1貓頭塔及其多波阻抗模型，該模型采用電磁暫態(tài)分析程序（electro-magnetic transient program，EMTP）中的J.Marti建立，其中，hi為桿塔各段對(duì)地高度；ZLi為桿塔支架波阻抗，ZAi為橫擔(dān)波阻抗，ZTi為桿塔塔基波阻抗，ZLi，ZAi，ZTi與桿塔實(shí)際幾何參數(shù)相關(guān)，i=1，2，3，…；Rg為桿塔工頻接地電阻。

圖2 110 kV貓頭塔及其多波阻抗模型Fig.2 110 kV tower and its multi-wave impedance model

本文采用2.6/50 μs雷電流作為激勵(lì)源，在桿塔地電位端安裝行波信號(hào)采集裝置，在線路發(fā)生故障時(shí)，故障入地電流的幅值與桿塔沖擊接地電阻緊密相關(guān)，因此，為研究桿塔地電位端的行波信號(hào)，需要建立桿塔沖擊接地電阻的模型。利用EMTP中的邏輯元件，搭建桿塔沖擊接地電阻的仿真模型。

輸電線路為110 kV單回線，導(dǎo)線采用LGJ-300，假設(shè)弧垂為3 m/100 m；地線采用JLB-70，弧垂按照2 m/100 m設(shè)置；線路檔距為400 m，結(jié)合圖2中1A2-ZM2型貓頭塔結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文研究的地電位暫態(tài)信息監(jiān)測(cè)裝置預(yù)期每20～30 km安裝1套，因此模型中共設(shè)置75基桿塔。

2.2 不同故障下鐵塔地電位端的響應(yīng)特性研究

本節(jié)通過研究不同故障下鐵塔地電位端的響應(yīng)特性，分析地電位端行波監(jiān)測(cè)與定位的可行性。

2.2.1 雷擊故障響應(yīng)特性

1）反擊閃絡(luò)。仿真模型中，設(shè)置幅值為80 kA的雷電流注入第6基桿塔，圖3為第5～10基桿塔地電位暫態(tài)電流波形圖，通過圖3可以知道，第6基桿塔地電位暫態(tài)電流為67 kA，該行波電流傳播到相鄰兩基桿塔的地電位暫態(tài)電流約為5 kA，第8～10基桿塔地電位暫態(tài)電流分別是856 A，216 A，92 A。因此，當(dāng)架空輸電線路發(fā)生反擊閃絡(luò)時(shí)，行波僅僅傳播1基桿塔便降低了0.9倍，離反擊閃絡(luò)位置越遠(yuǎn)的桿塔，行波降低的越多，可使趨勢(shì)變得平緩。圖4為第20～70基桿塔入地暫態(tài)電流波形圖，通過圖4可以知道，和圖3相比，流過第20基桿塔的入地電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第10基桿塔的入地電流，當(dāng)入地電流通過第70基桿塔時(shí)，入地電流僅僅為28 A，該桿塔距雷擊位置26 km，盡管該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷擊位置的入地電流，然而，通過現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置，能夠采集行波電流波形。同時(shí)，從圖4可以得到，隨著桿塔距雷擊位置越遠(yuǎn)，入地電流不斷降低，其波頭上升趨勢(shì)變緩。

圖3 雷電流80 kA時(shí)第5～10基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.3 Transient current of ground potential of the 5th to 10th base towers when the lightning current is 80 kA

圖4 雷電流80 kA時(shí)第20～70基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.4 Transient current of ground potential of the 20th to 70th base towers when the lightning current is 80 kA

2）反擊未閃絡(luò)。當(dāng)桿塔遭受雷擊，絕緣子沒有出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，可以把雷電流降低至40 kA，雷擊桿塔為第6基桿塔，其他條件不變。圖5和圖6依次模擬了第5～10基桿塔和第20～70基桿塔的入地暫態(tài)電流波形。和圖3一樣，圖5中雷電流主要在雷擊位置的桿塔入地，峰值為34 kA，其前后兩基桿塔入地電流僅僅為2.7 kA，不僅峰值大大降低，峰值上升速度也變慢。圖6和圖4的區(qū)別是入地電流峰值非常小，當(dāng)雷電流傳送至第70基桿塔，幅值急速降低，小于1 A，通過第20基桿塔的行波電流幅值為4.7 A，而通過第30基桿塔的行波電流幅值為2.2 A，降低了50%多，同時(shí)，行波電流最大值極性相反，這是由于架空輸電線路發(fā)生雷擊閃絡(luò)現(xiàn)象，雷電流經(jīng)由絕緣子傳送到導(dǎo)線，那么桿塔地電位暫態(tài)電流存在導(dǎo)線的感應(yīng)分量，經(jīng)過桿塔的接地網(wǎng)釋放，所以通過導(dǎo)線的雷電流降低變慢，由于入地分量在每基桿塔接地網(wǎng)泄放，導(dǎo)線中雷電流的衰減速度明顯較慢。于是，圖4中的行波電流峰值為正；可是圖6中雷電流沒有傳輸?shù)綄?dǎo)線，使得入地電流不存在感應(yīng)電流，流經(jīng)每基桿塔的行波電流峰值為負(fù)，并且降低的趨勢(shì)非常明顯。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M，可以知道，當(dāng)雷電流傳送到一定距離后，最大值將小于1 A。對(duì)于實(shí)際投運(yùn)的架空輸電線路，由于運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，存在非常多的外部干擾，行波電流衰減及畸變的情況將非常明顯，從而增加了行波波頭的采集難度，需要暫態(tài)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能更高。

圖5 雷電流40 kA時(shí)第5～10基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.5 Transient current of ground potential of the 5th to 10th base towers when the lightning current is 40 kA

圖6 雷電流40 kA時(shí)第20～70基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.6 Transient current of ground potential of the 20th to 70th base towers when the lightning current is 40 kA

3）繞擊閃絡(luò)。模擬實(shí)驗(yàn)中，雷擊位置選擇第6基桿塔，采用10 kA的負(fù)極性雷電流，如圖7所示，當(dāng)?shù)?0 μs時(shí)，雷電流注入A相。在圖7中，線路出現(xiàn)繞擊閃絡(luò)情況下，第6～10基桿塔的地電位暫態(tài)電流會(huì)產(chǎn)生明顯的入地電流，通過前面的分析可以知道，入地電流通常在故障位置的附近幾基桿塔快速下降，于是，第7～10基桿塔地電位暫態(tài)電流里導(dǎo)線的電流感應(yīng)分量比例越來越大，當(dāng)電流傳送至第10基桿塔時(shí)，負(fù)極性波峰大大降低。通過圖8可以知道，當(dāng)線路出現(xiàn)繞擊閃絡(luò)情況下，因?yàn)閷?dǎo)線電流中，主要成分是感應(yīng)分量，其波頭呈現(xiàn)正極性，由第20基發(fā)送至第70基的趨勢(shì)變緩，第70基桿塔的行波電流是10 A，能夠被監(jiān)測(cè)裝置采集。

圖7 雷電流10 kA繞擊時(shí)第6～10基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.7 Transient current of ground potential of the 6th to 10th base towers when the lightning current is 10 kA shielding strike

圖8 雷電流10 kA繞擊時(shí)第20～70基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.8 Transient current of ground potential of the 20th to 70th base towers when the lightning current is 10 kA shielding strike

4）繞擊未閃絡(luò)。取雷電流幅值為4 kA，繞擊線路第6基桿塔A相，如圖9所示。因?yàn)榫€路沒有出現(xiàn)雷擊閃絡(luò)的現(xiàn)象，于是通過第6基桿塔的入地電流比例非常少，其幅值小于雷電流的20%，從圖9中可以知道，第7～10基桿塔的地電位端電流導(dǎo)線的電流感應(yīng)分量比例越來越大。當(dāng)線路出現(xiàn)繞擊未閃絡(luò)現(xiàn)象，于是雷電流通過導(dǎo)線進(jìn)行發(fā)展，經(jīng)由第20基至第70基桿塔的地電位暫態(tài)電流逐漸降低，然而降低的幅度依然高于入地電流，末端感應(yīng)電流峰值接近19 A，如圖10所示。

圖9 雷電流4 kA繞擊時(shí)第6～10基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.9 Transient current of ground potential of the 6th to 10th base towers when the lightning current is 4 kA shielding strike

圖10 雷電流4 kA繞擊時(shí)第20～70基桿塔地電位暫態(tài)電流Fig.10 Transient current ground potential of the 20th to 70th base towers when the lightning current is 4 kA shielding strike

2.2.2 接地故障響應(yīng)特性

1）單相接地故障。設(shè)置第10基桿A相發(fā)生接地故障，故障時(shí)刻A相電壓為89.8 kV，故障接地電阻為1 Ω，故障發(fā)生時(shí)刻為20 μs。故障后線路三相電流如圖11所示。在圖12中，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了第10～20基桿塔地電位暫態(tài)電流I10～I(xiàn)20的波形，通過圖12可以知道，因?yàn)楣收衔恢迷O(shè)置在第10基桿塔，具有非常大的地電位暫態(tài)電流，該電流快速降低。這種地電位行波電流含有兩個(gè)部分，即故障桿塔入地傳播的入地分量和導(dǎo)線里故障電流的感應(yīng)分量。從第13基桿塔后，負(fù)極性波峰幾乎不存在，表示入地分量所占比例不斷降低，可是感應(yīng)分量降低的速度相對(duì)較小，I11的正極性波峰為33.1 A，I20的正極性波峰為9.9 A，大概降低了70%，降低的趨勢(shì)變緩。同時(shí)，波頭上升所需時(shí)間增加，其中第20基桿塔的波頭上升所需時(shí)間大概是2.54 μs。在圖13中，模擬了通過第30～70基桿塔的地電位行波電流I30～I(xiàn)70。通過圖13可以知道，電流波形中幾乎沒有負(fù)極性電流，代表入地分量大大降低，主要成分為導(dǎo)線的感應(yīng)分量，降低趨勢(shì)變緩，波峰增長(zhǎng)趨勢(shì)也在相應(yīng)地變緩。盡管第70基桿塔和故障位置是24 km，I70接近3.6 A，通過現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法，能夠容易得到監(jiān)測(cè)波頭，然而所需上升時(shí)間是6.78 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過I20的波頭上升時(shí)間，容易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)裝置的定位誤差，上升時(shí)間增加1 μs，相應(yīng)的定位誤差增加300 m，于是，采用地電位行波定位技術(shù)，必須分析行波衰減的影響。

圖11 單相接地故障時(shí)線路電流Fig.11 Line current when a single-phase ground fault occurs

圖12 單相接地故障時(shí)第10～20基桿塔地電位電流Fig.12 Ground potential current of the 10th to 20th base towers when a single-phase ground fault occurs

圖13 單相接地故障時(shí)第30～70基桿塔地電位電流Fig.13 Ground potential current of the 30th to 70th base towers when a single-phase ground fault occurs

2）故障接地電阻的影響。通過設(shè)置不同的接地電阻，模擬故障情況下地電位電流，設(shè)置的故障點(diǎn)接地電阻Rf依次為1 Ω，10 Ω，100 Ω，1 000 Ω，如圖14所示。因?yàn)榈?0基桿塔的地電位行波電流主要成分是感應(yīng)分量，當(dāng)接地電阻小于10 Ω，地電位電流波形比較接近，當(dāng)接地電阻提高至100 Ω，電流衰減的幅度非常大。當(dāng)接地電阻設(shè)置為1 000 Ω，地電位電流小于1 A，此時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置難以進(jìn)行行波波頭的識(shí)別。

3）兩相接地短路。當(dāng)輸電線路出現(xiàn)兩相接地故障，接地電阻選擇1 Ω，故障時(shí)刻為第20 μs。圖15和圖16依次模擬了第10～20基桿塔和第30～70基桿塔的地電位行波電流。這種情況下，當(dāng)桿塔逐漸遠(yuǎn)離故障位置，地電位電流越來越小，三相導(dǎo)線疊加感應(yīng)電流所占比例逐漸增加，因?yàn)锳，B相故障電流方向相反，降低了入地電流，I70的入地電流僅僅是1.78 A。

圖15 兩相接地故障時(shí)第10～20基桿塔地電位電流Fig.15 Ground potential current of the 10th to 20th base towers when a two-phase ground fault occurs

圖16 兩相接地故障時(shí)第30～70基桿塔地電位電流Fig.16 Ground potential current of the 30th to 70th base towers when a two-phase ground fault occurs

4）三相接地短路。當(dāng)輸電線路出現(xiàn)三相接地短路，選擇的接地電阻是1 Ω，故障時(shí)刻為第20 μs。圖17和圖18依次模擬了第11～20基桿塔和第30～70基桿塔的地電位行波電流。這種情況下，感應(yīng)電流疊加在一起，產(chǎn)生的行波電流不大，這一點(diǎn)與鐵塔電壓分布相對(duì)應(yīng)。圖17中地電位電流峰值為正值，在故障相鄰桿塔地電位電流峰值就在10 A以內(nèi)，而圖18中，I30的入地電流小于1 A，此時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置難以進(jìn)行行波波頭的識(shí)別。

圖17 三相接地故障時(shí)第11～20基桿塔地電位電流Fig.17 Ground potential current of the 11th to 20th base towers when a three-phase ground fault occurs

圖18 三相接地故障時(shí)第30～70基桿塔地電位電流Fig.18 Ground potential current of the 30th to 70th base towers when a three-phase ground fault occurs

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

通過在某110 kV線路桿塔及地線上安裝分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別安裝在5#桿塔和50#桿塔上，兩套裝置之間的距離是12.9 km。2020年7月15日18∶20∶10 851時(shí)刻該線路跳閘，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功進(jìn)行了故障信息的采集。5#桿塔和50#桿塔對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置獲得的跳閘電流數(shù)據(jù)如圖19所示。在圖19中，感應(yīng)行波電流數(shù)據(jù)首先被50#桿塔監(jiān)測(cè)裝置采集，50#桿塔和5#桿塔行波到達(dá)時(shí)間相差4.9 μs，依照雙端定位法可以得到，跳閘位置距離50#桿塔大號(hào)側(cè)7 160.5 m處，距離5#桿塔小號(hào)側(cè)5 739.5 m處。依照分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，查找故障位置，實(shí)際故障位置在5#桿塔小號(hào)側(cè)5 780 m處，誤差為0.7%，那么通過該技術(shù)，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)故障定位。

圖19 分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)波形Fig.19 Data waveforms collected by distributed monitoring system

4 結(jié)論

本文采用110 kV典型單回線路的桿塔和線路參數(shù)，分別對(duì)雷電反擊閃絡(luò)、雷電反擊未閃絡(luò)、雷電繞擊閃絡(luò)、雷電繞擊未閃絡(luò)、單相接地短路、兩相接地短路和三相接地短路共7種故障類型進(jìn)行了仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)了不同故障類型下鐵塔的暫態(tài)電壓分布、地電位端暫態(tài)電流的響應(yīng)波形及衰減規(guī)律，得到結(jié)論如下：

1）各桿塔地電位端暫態(tài)電流幅值變化較大，在傳播過程中沿線衰減且波頭上升時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，故障桿塔地電位電流幅值可達(dá)數(shù)十kA，而在遠(yuǎn)離故障桿30 km后可能下降到A級(jí)，甚至更低；同一基鐵塔電壓分布呈現(xiàn)自上而下微弱衰減的趨勢(shì)，桿塔不同段電壓波形基本相同。

2）對(duì)于雷擊故障，雷擊閃絡(luò)時(shí)，雷擊桿塔地電位暫態(tài)電流幅值超過雷電流的80%，閃絡(luò)位置附近的幾基桿塔，地電位暫態(tài)電流降低非常明顯，隨著桿塔逐漸遠(yuǎn)離閃絡(luò)位置，相應(yīng)的電流幅值降低，波頭增長(zhǎng)趨勢(shì)隨之變緩；除反擊未閃絡(luò)時(shí)，地電位行波電流含有兩個(gè)部分，為故障桿塔入地傳播的入地分量和導(dǎo)線里故障電流的感應(yīng)分量，桿塔距離故障位置越遠(yuǎn)，感應(yīng)分量所占比例不斷提高。

3）對(duì)于接地故障，在故障點(diǎn)附近幾基桿塔，地電位行波電流含有兩個(gè)部分，即故障入地電流分量與三相導(dǎo)線故障電流的感應(yīng)分量。隨著桿塔逐漸遠(yuǎn)離故障位置，故障入地電流分量不斷降低，地電位行波電流中感應(yīng)電流所占比例逐漸提高。單相接地短路時(shí)，地電位行波電流主要受接地電阻的影響；兩相接地短路時(shí)，地電位行波電流主要受兩相電流相角的影響；三相接地短路時(shí)，地電位行波電流受三相故障合成電流影響，此時(shí)，故障行波電流最小。

4）通過實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行表明，桿塔及地線上安裝分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障位置的確定。