高壓架空輸電線路的故障測距方法

賈亦敏

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 儀征市供電分公司，江蘇 儀征 211400）

0 引 言

架空線路是當(dāng)前供電的重要手段，但隨著架空線路的不斷增加，輸電線路的失效問題也越來越多，對電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響。輸電線路分布廣泛，穿越地形復(fù)雜，易發(fā)生故障。在架空線路發(fā)生故障時，如果逐一進(jìn)行檢查，則不僅效率低下，而且無法及時解決，很可能會引起一系列的連鎖效應(yīng)。采取有效的故障快速診斷方法能促進(jìn)故障的排除，對保證電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到關(guān)鍵的作用。采用高壓架空輸電線路的故障定位技術(shù)可以迅速地發(fā)現(xiàn)故障，便于故障的排除。

1 架空輸電線路故障概況及分析

高壓架空線路有單相、雙相等故障，從發(fā)生的次數(shù)來看，全部故障中的單相短路占65%，三相概率最低，約為5%[1]。在電力系統(tǒng)中，線路故障是由絕緣子受力及其他原因引起的。此外，由于天氣、地理等因素，如雷電、大風(fēng)等造成線路及電氣元件損傷，設(shè)備發(fā)生故障，同時腐蝕也是造成線路故障的主要原因，實際的線路保護(hù)中應(yīng)注意以下幾個問題。

2 高壓架空輸電線路對故障測距的要求

2.1 故障測距必須能夠適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)和配置的電力系統(tǒng)

在高壓架空輸電線路的故障定位中，通常有單端法和雙端法兩種方式。其中，單端法主要是用來測量導(dǎo)線一端的電壓和電流，不過這種方法會受到很大的阻力，所以在進(jìn)行測距時必須要有一個假設(shè)，才能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，當(dāng)對端系統(tǒng)的阻力發(fā)生改變時，單端方法的計算結(jié)果可能會有很大的誤差，從而影響精度。然而在實際應(yīng)用中，單端法也有其優(yōu)越性，它對下路兩端的系統(tǒng)要求不高，能夠在系統(tǒng)的弱點處進(jìn)行有效的定位。而在實際使用中，雙端法的電阻、性質(zhì)以及雙端系統(tǒng)均不會對雙端方法的測量結(jié)果造成任何影響，從而保證了測距精度。隨著技術(shù)的發(fā)展，兩個終端的數(shù)據(jù)也在不斷優(yōu)化，即使是在數(shù)據(jù)不同步的情況下，也不會因為偽根的存在而產(chǎn)生誤差，從而保證了系統(tǒng)的精度。

2.2 故障測距必須考慮采用合適的線路模型

在電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析中，必須在參數(shù)集上合理地運(yùn)用線路模型。根據(jù)這一模型可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸電線路很短時，采用參數(shù)集中的線路模式，測量結(jié)果的偏差不會太大，但隨著輸電距離的增大，測量誤差也會隨之增大，這就導(dǎo)致了某些遠(yuǎn)距離傳輸線的測量精度難以保證。在進(jìn)行故障定位時，必須充分考慮不同線路模式的線路長度[2]。

2.3 故障測距必須能夠適應(yīng)多種類型的故障

由于各種原因，高壓架空輸電線路容易產(chǎn)生不同的故障，其中包含了多種類型的故障，如短路故障，其故障類型有單相接地和兩相短路等。如果雙回線發(fā)生了故障，則也會引起一系列復(fù)雜的故障，如耦合的雙回線跨越。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于故障定位的新方法，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 基于工頻量的故障測距方法

基于工作頻率的測距技術(shù)是一種通過測量到的工頻故障電壓、電流流量以及線路故障距離與電壓、電流變化之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來確定其故障位置的一種新測距方法[3]。根據(jù)工作頻率的不同，采用單端和多端兩種方式進(jìn)行故障定位。

3.1 單端法故障測距

單端檢測是指當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，根據(jù)電壓、電流等參數(shù)的變化，判斷出線路的阻抗，以實現(xiàn)對故障點進(jìn)行檢測和識別。基于單端故障定位原理，本文介紹了實時對稱分量法、傅里葉變換法、零序電流相位修正法、零序電流修正法以及解二次方程法等多種測距技術(shù)。

單端故障定位技術(shù)由于不受通信技術(shù)限制，具有較好的理論分析和較好的物理含義，因此被廣泛用于國內(nèi)外高壓線路的故障定位，但在實踐中存在著一定的缺陷，即無法保證測量的準(zhǔn)確率，導(dǎo)致單端測量的精度不能得到保證。當(dāng)導(dǎo)線與其他介質(zhì)發(fā)生接觸時，所產(chǎn)生的過渡電阻將達(dá)到數(shù)百歐姆，嚴(yán)重影響了測量的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行單端故障定位時，必須先了解對端系統(tǒng)的阻抗參數(shù)，由于對端的阻抗參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，如果使用預(yù)先估計的參數(shù)來進(jìn)行計算，則必然會產(chǎn)生誤差[4]。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，分布電容中的電流會有較大的改變，且這種改變無法控制，如果不能合理地計算出分布電容的電流，就會產(chǎn)生一定的誤差。

3.2 多端法故障測距

多端法故障測距就是為了解決單端法測距誤差的問題，它的數(shù)學(xué)公式是確定的、冗余的，可以實現(xiàn)精確定位。但是由于多端法在不同側(cè)面上的信號采集不能同時精確地進(jìn)行，因此目前還處在理論上。隨著全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為多端法測距提供了技術(shù)依據(jù)，可以確保數(shù)據(jù)的同步。目前，在GPS技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，多終端測距技術(shù)已在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。多端測距技術(shù)有兩種，一是基于多端同步，二是基于多端非同步。采用同步采樣數(shù)據(jù)的方法雖然簡單，但是需要GPS技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的支持，可以精確地測量出故障點[5]。在不同步的情況下，采用非同步的方法進(jìn)行故障定位，對數(shù)據(jù)的同步性要求不高，但是對硬件系統(tǒng)的要求很高。盡管多端法測距技術(shù)可以達(dá)到精確測距，但其硬件建設(shè)成本高，難以推廣和使用。

4 高壓架空輸電線路的時域測距法

高壓架空輸電線路的時域測距法是利用時域微分方程建立線路模型，實現(xiàn)對線路的故障定位。由于時域法可以同時對任何一段數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，因而有較強(qiáng)的實用價值，成為今后高壓輸電系統(tǒng)發(fā)展的一個趨勢。當(dāng)前，常見的測距技術(shù)包括單回線時域測距、雙回線耦合時域測距以及直流輸電線路時域測距等，采用電感、電容、電阻等作為識別參數(shù)，利用導(dǎo)線上的電感、電容、電阻以及電荷量等獲得電壓分布，并對其進(jìn)行分析。直流輸電線路的時域測距技術(shù)是根據(jù)兩端電壓和電流的大小計算出各個端子的電壓分布，并根據(jù)故障點的電壓分布對其進(jìn)行定位。

5 高壓架空輸電線路的行波測距法

行波測距是高壓架空輸電線路的常規(guī)測量手段，利用行波傳輸?shù)幕驹?，通過電子、計算機(jī)、通信等技術(shù)準(zhǔn)確確定由故障產(chǎn)生的行波、電流行波信號。雖然20世紀(jì)40年代就出現(xiàn)了行波測距法，但在實踐中仍然存在著許多問題。首先，在距離檢測端較近的情況下，行波測距方法無法很好地識別故障。其次，行波設(shè)備具有一定的時延分布，從而極大地影響了系統(tǒng)的定位精度[6]。另外，由于地面電阻、架空線路布置、天氣等因素的影響，在傳輸線路中的行波率會有不同程度的變化，這會對測量的準(zhǔn)確性造成不利的影響。為保證測量的精確度，需要在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)微秒同步，這就需要在特定的區(qū)域進(jìn)行精確的測量。

5.1 行波波頭的識別

傳統(tǒng)的行波波頭探測技術(shù)包括導(dǎo)數(shù)法、相關(guān)法、匹配濾波法等，但由于其局限性，尤其是單端行波法的故障點反射波難以探測和識別，使得行波波頭的測距精度受到了很大影響。此外，由于行波信號中存在著大量的噪聲，因此不能很好地捕獲。

5.2 行波法存在的問題

5.2.1 線路兩端非線性元件的動態(tài)時延

電流互感器是一種用來抽取電流行波信號的耦合裝置，其二次側(cè)的時間常數(shù)一般在100 μs左右，但是由于鐵芯飽和和殘余磁場的存在，會使變壓器的動態(tài)延時增大，無論有無接觸，啟動裝置均有一定的分配時滯。新的B型測距方法中，1 μs的誤差最大可達(dá)到300 m，而由于耦合、起動等非線性因素，導(dǎo)致了離散動態(tài)延遲對測量精度的影響，至今還沒有定量分析。

5.2.2 參數(shù)的頻變和波速的影響因素

在對參數(shù)的頻譜特征進(jìn)行分析時，低質(zhì)量的混滲層是非均一的，而相模變換陣、特性阻抗、衰減常數(shù)以及波速等參數(shù)都是非線性的。波速是測量線路行波間距的重要參數(shù)，但它的計算與地面電阻、架空線路布置等有很大關(guān)系。由于高壓線路的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，在不同的地層中，電阻率ρ的取值存在一定的差別，而且與氣候關(guān)系密切。在輸電線中，70%～90%的故障都是由地模成分引起的，頻率變化會極大地影響到地面模波的速度。目前，在地模波測距中，還沒有選擇波速的問題，另外在架空接地中，高頻成分的衰減與失真很少被考慮。然而由于頻譜的變化以及波速的不確定性，使得其測量精度受到了很大的限制。利用GPS對終端或多個終端進(jìn)行同步，可使B級定位裝置的精度達(dá)到1 μs。

6 高壓架空輸電線路的智能化測距法

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化故障定位，測距法在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在借鑒其他領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者經(jīng)過多年的研究開發(fā)出了許多新的技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、紅外、卡爾曼濾波、模式識別以及光纖測距等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）技術(shù)是利用電網(wǎng)電壓、電流的基頻成分作為輸入信號，實現(xiàn)對線路故障類型的判定和定位。但是在電網(wǎng)發(fā)生故障后，由于對端系統(tǒng)的等值阻抗、對端系統(tǒng)等值電位的變化、近端系統(tǒng)等值阻抗、等值電位變化、故障距離、故障過渡電阻變化等因素的影響，會造成大量的采樣量，從而導(dǎo)致訓(xùn)練不能收斂。

7 故障測距方法比較及應(yīng)用趨勢分析

目前，高壓架空電線的故障定位方法主要是采用微分方程進(jìn)行時域分析。（1）通過利用電感、電容、電阻等參數(shù)以及線路兩側(cè)的電量求出線路上的電壓分布，從而達(dá)到對故障距離的檢測，精確定位高壓架空輸電線路的故障部位，提高故障診斷的效率，使線路盡早恢復(fù)正常工作。（2）計算機(jī)編程技術(shù)、智能自動化技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展為高壓線路的故障診斷提供了技術(shù)保障和支撐。例如，使用ANN技術(shù)可以將下路電壓和電流分量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，從而確定故障的位置和類型。另外，該專家系統(tǒng)還可以通過已有的數(shù)據(jù)庫和各種監(jiān)控設(shè)備采集到的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行故障類型的判斷，為今后的輸電線路故障分析和診斷提供了參考。而且智能技術(shù)是應(yīng)用在未來輸電線路中的一項重要技術(shù)，可以針對不同的線路進(jìn)行自動報警，從而達(dá)到提前排除線路故障的目的。

8 結(jié) 論

總之，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，電能得到了廣泛的應(yīng)用，高壓架空線則是一種重要的電力供應(yīng)方式。由于輸電線路的故障，往往會造成電力系統(tǒng)無法正常工作，從而造成嚴(yán)重的電力損耗。因此，文章從實際出發(fā)，分析了架空輸電線路的故障定位技術(shù)，并指出造成故障的主要原因，同時還分析了高壓輸電線路故障定位技術(shù)在今后的發(fā)展方向，以期為今后在輸電線路故障定位和故障診斷中的應(yīng)用提供借鑒。