高壓輸電線路故障定位技術(shù)分析

河南送變電建設(shè)有限公司 杜懷德

1 故障定位技術(shù)

1.1 行波反射法

行波反射法是本單位用于確定高壓線路異常問題時的常用方法，其技術(shù)方法類型較多。高壓電纜線路內(nèi)部含有多個接頭，且處于交叉連接狀態(tài)，極易出現(xiàn)多次反射脈沖現(xiàn)象：其一，脈沖電流法。在確定故障位置后進(jìn)行擊穿處理，反饋首次放電脈沖波形。此種故障分析法無法獲取后續(xù)反射的脈沖信息；其二，脈沖反射測定法。實際注入脈沖信號的浮動量不大，電纜接頭具有一定反射減弱功能，難以有效判斷故障點。為此，在實踐排查高壓線路的異常問題時，需要拆解故障接頭，改變其互聯(lián)形式，采取短接方式進(jìn)行測定，以此保證故障定位分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在接頭拆解重接的操作中會消耗一定時間，尚需改進(jìn)[1]。

1.2 智能法

1.2.1 故障診斷系統(tǒng)

在高壓電線工程使用期間可能會出現(xiàn)各類故障問題，本單位嘗試使用智能算法進(jìn)行故障排查。當(dāng)高壓線路有異常表現(xiàn)時，利用智能平臺進(jìn)行故障掃描、分析故障類型、判斷故障的形成過程，確定故障的成因，給出故障類型，找準(zhǔn)故障位置。為此，在高壓電路故障分析時需要確定故障類型，計算故障距離。針對高壓線路工程連接的一次、二次兩種設(shè)備，分別進(jìn)行故障分析。一次設(shè)備是直接參與高壓電線工程的各類設(shè)備，具體包括發(fā)電廠、中轉(zhuǎn)站等。二次設(shè)備是用于監(jiān)控、維護(hù)一次設(shè)備，如變電站。圖1是雙端線路故障的技術(shù)圖，其中F點表示線路故障位置，x表示F點與M點的距離。U、I分別表示電壓、電流。

圖1 雙端線路故障的技術(shù)圖

1.2.2 確定故障類型

智能故障分析平臺運行時需要確定故障類型，以此保證故障測距、故障分析結(jié)果的可用性。故障類型主要有兩種：其一是阻抗選相、其二是分量選相。第一種故障識別程序，主要是利用抗阻測量的各類設(shè)備，獲取其抗阻數(shù)據(jù)，綜合確定電力平臺的故障問題。當(dāng)高壓線路出現(xiàn)的故障問題較為單一時，故障識別系統(tǒng)能夠及時給出分析結(jié)果，可能會受到系統(tǒng)運行、過渡電阻的干擾。第二種故障分析程序，是借助正、零、負(fù)三種分量電流，綜合確定故障位置。此種故障識別程序，受到的負(fù)荷電流干擾較小，在各類高壓線路的系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)用中，均有優(yōu)異的應(yīng)用效果。

圖2中U表示電壓，fa、fx1表示故障定位的位置，M、N、x、x1均是線路的支線點位。其中，UM、UN表示M點、N點的電壓。L表示故障點與M、N點的距離。

圖2 故障定位技術(shù)圖

1.2.3 故障測距

高壓線路的覆蓋區(qū)域地勢變化具有一定復(fù)雜性。故障排查時需參考地勢變化因素，以此保證故障點排查結(jié)果的可用性。如果無法快速處理故障問題，致使高壓線路處于故障運行狀態(tài)，極易引發(fā)高壓線路事故。結(jié)合往期的事故問題來看，桿塔位置發(fā)生事故的概率較高。為此，在分析電路故障位置時，可參考兩級桿塔間距。如果需要更為精確的分析結(jié)果時，可利用線路參數(shù)定位技術(shù)，逐一排查各類干擾因素，保證分析結(jié)果準(zhǔn)確。在使用暫態(tài)行波定位技術(shù)時操作方法簡單、不易受其他因素干擾，適用于大米數(shù)輸電項目，可作為最佳的故障定位技術(shù)。

本單位對此種故障分析技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用于高壓線路項目中，進(jìn)行有效的故障甄別。故障測距的一般方法，是在原有方法基礎(chǔ)上，引入了三次樣條插值技術(shù)。此算法在實際分析中，需要設(shè)置一個邊界條件，利用[a，b]區(qū)間，確定三個樣條的數(shù)據(jù)信息[2]，表1為故障距離測量結(jié)果。

表1 故障距離測量結(jié)果

2 高壓單回線路異常問題的故障定位方法

2.1 交叉算法

在本單位電力工程中，使用的高壓單回線路存在一定分布電容，如果忽略其帶來的干擾，利用集中參數(shù)創(chuàng)建線路模型，獲取故障定位算法的結(jié)果，與實際故障位置存在的偏差量較大，則故障定位失敗。尤其在出現(xiàn)高阻接地短路問題時，分布電容帶來的干擾作用較為明顯。為此，從精確獲取故障位置的角度出發(fā)，創(chuàng)建大米數(shù)單回輸電線路模型后，利用分布參數(shù)線路模型確定異常問題的具體位置[3]。

假設(shè)現(xiàn)有故障線路為MN，MN線路總長為L，MN線路的故障點標(biāo)記為F，F(xiàn)距離M點的長度設(shè)為x，F(xiàn)與N點的距離為L-x。多數(shù)情況下，使用雙端故障定位設(shè)施，逐一獲取兩端的電壓、電流參數(shù)。假設(shè)線路參數(shù)完成測量，以分布參數(shù)模型為基礎(chǔ)，從雙端角度獲取分布電壓參數(shù)，具體算法如下：

式中：導(dǎo)數(shù)UML、UNL分別表示M、N兩個點位的電壓計算結(jié)果。導(dǎo)數(shù)UM、IM、UN、IN分別對應(yīng)M、N兩個位置的電壓、電流測量結(jié)果，γ表示線路傳播常數(shù)，ZC表示線路特性阻抗。由此可知：使用各類故障分量的任意參數(shù)開展故障定位分析，均可獲取故障位置結(jié)果。當(dāng)出現(xiàn)接地短路故障問題時，可利用零序分量獲取故障定位結(jié)果。當(dāng)發(fā)生不對稱短路異常問題時，可利用負(fù)序分量算法確定發(fā)生故障的具體位置。在實際故障定位分析中正序分量表現(xiàn)出較強的計算適應(yīng)性，可作為首選方法進(jìn)行故障分析[4]。

2.2 確定故障位置

本單位從實際項目入手，判斷故障分析技術(shù)的可用性，運行PSCAD 系統(tǒng)創(chuàng)建單回輸電線路的線上分析模型，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)資料如下：項目的電壓級別為500kV，L值為300km。運行MATLAB 程序，創(chuàng)建單回輸電線路分析模型后，假設(shè)故障點F發(fā)生在MN的中心，MF=NF=150km，兩端計算電壓變化量的結(jié)果見表2。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：M點電壓浮動值從4.02kV 逐步降至3.45kV，而N點電壓浮動值是從3.3kV 上升至3.68kV，M、N兩點應(yīng)存在故障米數(shù)的交點。在120m 至180m 之間，選擇中點150m，M、N兩點的電壓浮動值相同，均為3.63kV，確定此點應(yīng)是此線路的故障點[5]。

表2 兩端計算電壓變化量的結(jié)果

3 高壓T 型線路異常問題的故障定位方法

3.1 電路分析

T 型線路進(jìn)行故障定位分析時，需要考慮線路參數(shù)的偏差問題。以線路正常運行的各類數(shù)據(jù)為參考，運行分布參數(shù)模型，借助遺傳算法動態(tài)獲取電路的各類數(shù)據(jù)，以此逐步獲取最優(yōu)解。針對T 型電路故障分析的算法流程多、計算不全面等問題，給出了全新的計算方式，修正原有的故障定位流程。新算法是借助T 型線路的三個點，逐一獲取正、負(fù)、零三種類型的電壓，進(jìn)行T點序電壓幅值對比，更好地預(yù)判線路故障問題。當(dāng)前T 型線路獲得了較多使用，測量T節(jié)點位置的電氣量極易出現(xiàn)故障定位失誤問題。為此，一般使用的故障定位方法不可用于T 型線路。假設(shè)T 型線路的三個點分別為M、N、P，預(yù)判線路故障問題時需使用全新的故障定位分析算法，以此提高故障定位分析結(jié)果與實際情況的相符性。

3.2 確定線路參數(shù)

在實際電力項目中，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度等各類條件發(fā)生改變時，線路參數(shù)會相應(yīng)出現(xiàn)變動。在線路運行期間，針對各類環(huán)境因素形成的誤差問題，使用原有的故障定位分析方法極易出現(xiàn)計算失誤，無法保證計算結(jié)果的精確性。在輸電項目運行期間，未發(fā)生故障問題時變化的參數(shù)不會干擾分布電壓。為此，在線路無故障問題時的電壓、電流參數(shù)為參考，分別計算各個點的電壓值，有效利用遺傳算法提高參數(shù)校準(zhǔn)效果[6]。

3.3 故障識別

3.3.1 節(jié)點電壓變化量分析

在分析T 型線路故障位置前期，需要判斷其支路存在的問題?？墒褂镁€路發(fā)生故障前期的參數(shù)，用作故障校準(zhǔn)參數(shù)，分別獲取T節(jié)點的電壓參數(shù)。當(dāng)T 型線路出現(xiàn)故障問題時，三端電壓數(shù)據(jù)差異性較大，需對比T點電壓數(shù)據(jù)，間接確定存在故障的支路。假如，MT 支路存在故障問題，T2點與T3點的電壓方向一致、與T1點電壓方向不一致，此時可知：未出現(xiàn)故障問題的支路電壓方向一致，且電壓變化量相等。而存在故障的支路，與未發(fā)生異常的支路具有電壓方向不一致的特點，且電壓變化量不相同。在判斷NT 支路故障問題時，T2點的電壓方向與T3、T1不一致，而T3、T1兩個點的電壓方向相同。在判斷PT 支路是否存在故障問題時，獲得的電壓方向結(jié)果為：T1、T2兩個點的電壓方向相同，而T3點電壓的方向有差別。

3.3.2 電壓方向變化量判斷方法

結(jié)合上述分析發(fā)現(xiàn)：節(jié)點電壓變化量是判斷支路故障的關(guān)鍵依據(jù)?？山柚送扑阈问?，對比T點各個位置的電壓參數(shù)，綜合確定支路存在的故障問題。當(dāng)三個端點的電壓數(shù)據(jù)不一致、電壓方向不同時，可綜合確定故障位置。在故障判斷中需要注意兩個問題：當(dāng)出現(xiàn)高阻接地問題時，存在問題的支路、無故障支路兩個點位的電壓方向一致、但是電壓變化量不一致。為此，節(jié)點電壓故障問題的判斷方法如下：

3.3.3 電壓交叉時T 型線路的故障分析方法

當(dāng)獲取M、N兩點的電壓、電流測定結(jié)果后，依照式（1）計算L點的電流、電壓數(shù)據(jù)；當(dāng)獲取ML、TL之間的電壓變化量后，計算線路兩點之間的電壓坐標(biāo)，標(biāo)記為（0，UTL）。其中，（L，UML）與線路兩點測定的電壓坐標(biāo)標(biāo)記為（0，UM）、（L，UT），獲取的兩個點進(jìn)行連接，此時有兩條直線：一為Lmxl、二為Ltxl；判斷兩條直線的差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新修正。

綜上所述，當(dāng)前，原有的輸電線路逐步改進(jìn)，電力工程搭建的輸電線路具有樣式多、類型多等特點。應(yīng)對各類新型輸電線路架構(gòu)，使用全新的故障定位技術(shù)，能夠更好地判斷線路故障問題。本單位在實踐中，使用雙端不同步形式準(zhǔn)確獲取MN交點，高效確定了故障位置，具有一定實踐推廣價值。