架空輸電線路故障定位技術研究

楚雄供電局 張必朝

1 引言

隨著我國電網建設的迅速發(fā)展，架空輸電線的分布日益廣泛，但其工作條件受到多種因素的制約，發(fā)生故障的原因比較復雜。在電網出現短路時，如何迅速、精確地確定電網運行狀態(tài)是電網運行管理中需要深入研究的一個重要課題[1]。在實際工作中，迅速發(fā)現、解決問題是保證電力系統(tǒng)運行的先決條件。由于存在著某些隱性的問題，維護人員很難在短期之內找到問題所在，使維護人員面臨著繁重的工作負擔[2]。

現有的架空輸電線路的故障定位多以行波技術為主。行波技術是一種相對成熟的技術，利用這種技術開發(fā)的電力電纜故障診斷技術已廣泛地用于架空輸電線，從而有效優(yōu)化了線路的故障定位的技術支撐。

當發(fā)生故障行波后，線路的瞬態(tài)行波波形會逐漸減小，而且監(jiān)控設備的安裝間距與實際線路的長度有較大的差異。這是因為線路架在安裝時，會有一些弧垂，不同的拉力、不同的地形，都可能會造成不同的弧垂，而且在不同的季節(jié)、不同的氣溫、不同的天氣，不同的溫度，弧垂也都會發(fā)生不同的變化[3]。而架空輸電的參數與地質、氣候等因素有關，在氣候嚴酷的地方，導線參數小于規(guī)定的數值。所以在實際應用中，由于導線的長度和參數發(fā)生了改變，使定位故障的位置更加困難。

在架空輸電線出現故障的時候，由于線路的故障部位產生的行波，會沿著導線向兩側擴展延伸，但由于導線本身的損耗和接觸處，會使行波波頭產生畸變和衰減，從而造成行波波頭的錯誤，使故障的定位更加困難。此外，由于暫態(tài)行波的波速比真空速慢一些，采用真空速進行分析，在計算中如若存在很大的誤差，就可能會造成位置誤差。

2 故障定位裝置原理分析

本文介紹了基于雙端點定位技術的分布式故障檢測方法。在架空傳輸線發(fā)生雷擊、外破、鳥害等事故時，電網內會產生瞬時行波，即電壓、電流波，沿著輸電線路的兩端傳輸。

行波檢測方式最初是應用于輸電系統(tǒng)的失效位置，而行波定位技術是在20世紀四十年代提出的。在相關的科研工作中，行波信號的傳播比較穩(wěn)定，但是一旦發(fā)生故障，就會通過瞬態(tài)行波的傳輸和故障發(fā)生的距離來判斷。在電力系統(tǒng)中，應用行波法進行故障點的定位，是根據行波傳輸的原理，對高壓輸電線進行故障定位。在高壓輸電線上，故障行波是由電能來傳輸的，其傳輸的頻率與遙測技術相近。

由此可知，在其傳輸到母線上的過程中，可以根據信號的變化來進行判斷。在特定的故障點位置技術中，最基本的是判斷波頭的開始和位置，這能夠為相關的技術人員帶來了更多的技術上的支持，尤其是在測量波頭的時候，相關的工作人員必須具備較強的技術素養(yǎng)[4-5]。除此之外，在進行特定的故障點分析時候，由于對線路的變阻器和振幅進行了精確的控制，從而限制了行波頭的位置精度，限制了對其實際定位精度的進一步提升。

在被測試的兩條線路上各設置一組監(jiān)控設備，一旦某一部位出現短路，故障行波會將該故障信息傳遞給另一端，由監(jiān)控設備接收到該故障信息后，根據該設備所獲取的故障信息進行對比，從而得出該設備的故障部位。

雙端行波定位如圖1所示。

圖1 雙端行波定位

由圖1 可知，如果一條線路出現了問題，那么該故障的位置將一個故障的信號傳送到該線路上，該運行信號需要t1的一個時間，該運行周期需要t2的一個周期，一個故障的位置到一個監(jiān)控設備1 的位置是L1，一個檢測設備2的位置到一個監(jiān)控設備2的位置是L2，兩個監(jiān)控設備的間隔是L，得到方程式（1）。

本文詳細介紹了該系統(tǒng)的結構，包括監(jiān)控終端、數據中心和客戶端3 個模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括取電CT，羅氏線圈電流傳感器，GPS 授時模塊，采集模塊，4G 通信模塊等部分。在0.5～2000A 之間進行行波的測試，頻段在0.5kHz 到1MHz 之間，50MHz 采樣率。

分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成

3 故障定位技術優(yōu)化分析

根據線路長度、故障行波波速、故障行波波頭等因素對架空線路故障進行了故障診斷。假定架空傳輸線的理論長度是L，而實際上是αL，而α是與弧垂、波速、波頭有關的校正參數，如果在傳輸線某個地方出現了問題，那么，如果斷開位置與監(jiān)控設備1之間的間隔是x，那么這個問題與監(jiān)控設備2之間的間距是αL-x。

帶誤差模型雙端定位原理如3所示。

若故障瞬變行波的真實波速為v0，則從產生的地點至監(jiān)控設備1 的故障行波所需要的時間間隔t1=x/v0。

當故障的行波在發(fā)射期間會產生某種衰減，使t'1-t'2=t1-t2+Δt，Δt所表示的是兩個監(jiān)測裝置采樣故障行波之間的具體差值。

假定故障行波的理論速度是v，則故障地點與監(jiān)控設備1的真實距x'如式（2）所示。

由公式（3）可知：△x 為故障和監(jiān)控設備1 之間的真實距離與故障和監(jiān)控設備1 之間的理論間距差異。

因此，線路的故障位置與線路長度、波速、波頭的衰減密切相關。

3.1 線路長度的影響

假設架空輸電線路的弧垂等高，則塔間間距為l，導線的長度則等于塔柱間距的α，α>1，監(jiān)控設備間的間距L，則傳輸線的長度為：

（Ll）×αl=αL。

在故障線波波頭不受阻尼的情況下，真實的故障位置與監(jiān)控設備1之間的距離x'，為式（4）：

所以由式（4）可知，由于線路長度引起的定位誤差為式（5）：

因此，若獲得了修正系數α，則導線的故障位置與導線的路徑長度相關，且隨著導線間距的增加，其定位精度也會降低。

3.2 波頭衰減效應研究

由于監(jiān)控設備對故障行波進行采集的核心是波頭，而當瞬時故障行波通過終端傳遞時，行波波頭振幅減小，波頭速度減慢，若監(jiān)控設備所獲取的行波信號延時為1μs，則造成的位置偏差為300m左右。

所以，必須改進監(jiān)控設備的取樣準確率，以減少長距離傳輸時的行波干擾。檢測裝置之間的距離也需要縮短，在特定的情況下，可以在架空輸電線路內多加設一些監(jiān)測裝置。

3.3 波速的影響

輸電線路中的故障行波速度與光速C 相比較要低，是0.936～0.987C。如果導線的長度正確，而行波波頭不會衰減，則由圖3 可知，在導線故障時，故障點與監(jiān)控設備1 的理論間距為式（6）：

圖3 帶誤差模型雙端定位原理

在式（6）中，理論波速度為v，真實波速度為v0。因此，對理論波速度與實際速度的位置偏差為式（7）。

因而，若已知行波波速度，則對故障點的定位精度產生一定的誤差。在測量設備間距的同時，隨著測量儀器的理論速度和實測速度的變化關系，對設備的故障位置進行了精確的分析。當線路速度相同時，設備間距增大，則故障位置精度降低。若在線中部出現故障，則無錯誤的定位，且距中心線距離愈近，則定位精度愈差。在線波速度測試中，一般都會使用在線波速度的檢測方法，這樣可以減小波速度、線長等因素的干擾，從而改善故障的位置。

4 結語

本文分析了線路長度、波頭、波速等因素對線路故障定位的作用，提出了一種基于線路長度、波頭和波速的檢測方法，監(jiān)測裝置之間距離與線路相比較要小，能夠實現在線波速測量，提高定位的精準度，避免出現誤差。在架空傳輸線故障的情況下，隨著故障位置與監(jiān)控設備的接近，其故障位置的精度也相應提高。通過在線檢測波速度，可以更好地改善故障的位置精度。如果不能利用波速法對線路進行實時檢測，將會導致線路的故障位置出現偏差。隨著理論波速度與實測波速度的關系，故障位置精度較高。