110kV變電保護器的故障錄波分析與事件定位技術(shù)研究

國網(wǎng)鹽城供電公司 唐華青 國網(wǎng)南京供電公司 耿明昊

110kV 變電站作為電力系統(tǒng)中的重要節(jié)點，其運行的可靠性直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。變電保護器的故障錄波功能是確保電力系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠在故障發(fā)生時記錄關(guān)鍵的運行數(shù)據(jù)，為故障分析和處理提供依據(jù)。然而在實際運行中故障錄波裝置往往因各種因素，如設(shè)備性能、外部環(huán)境影響等，記錄到的數(shù)據(jù)可能存在不準確或不完整的問題，都會給故障的準確分析與快速定位帶來挑戰(zhàn)，進而影響到故障恢復的效率和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，如何通過技術(shù)手段提升變電保護器故障錄波的質(zhì)量，成為電力系統(tǒng)運維管理的一個重要課題。本文以本單位為例，對110kV 變電保護器的故障錄波分析與事件定位技術(shù)進行研究。

1 110kV 變電保護器故障錄波分析的挑戰(zhàn)與問題識別

1.1 故障錄波現(xiàn)狀分析

本單位110kV 變電站在運行過程中，依賴故障錄波裝置記錄重要的運行數(shù)據(jù)以監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)和響應(yīng)電力系統(tǒng)故障。該裝置能夠捕獲故障瞬間的電壓、電流等參數(shù)，為故障分析提供關(guān)鍵信息。盡管如此，在近期的運維檢查中，發(fā)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)在某些情況下出現(xiàn)精度不足或信息丟失的現(xiàn)象。以其中出現(xiàn)的一次線路短路故障為例，本單位記錄的電流波形出現(xiàn)了明顯的異常峰值，理論上該峰值應(yīng)當與短路電流計算值相符。短路電流的一般計算公式如下：

式中：U額定表示系統(tǒng)的額定電壓，Z系統(tǒng)表示系統(tǒng)阻抗，Z故障表示故障發(fā)生位置到變電站之間電路段的等效阻抗。

在該次故障事件中，本單位記錄到的電流峰值為15kA。在故障發(fā)生前，該段電路處于正常運行狀態(tài)時，實際測量到的Z系統(tǒng)（具體為10Ω）以及Z故障（具體為5Ω）值，代入數(shù)據(jù)后計算，可以得到I短路的理論電流值為≈6.2kA。

對比實際測量到的I短路電流值（15kA）以及理論層面計算所得的I短路值（約6.2kA）后發(fā)現(xiàn)，二者之間存在較大的差異。而這一顯著差異引起了本單位的高度關(guān)注。經(jīng)過深度分析后，推測導致該差異的可能原因是故障錄波裝置的采樣頻率不足、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）性能不穩(wěn)定或者參數(shù)設(shè)置不當。為了這個驗證假設(shè)，本單位進行了一系列的測試，包括檢查裝置的采樣頻率和ADC 精度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)錄波裝置的采樣率設(shè)置為1kHz，低于行業(yè)標準的2kHz。

綜上所述，本單位面臨的主要挑戰(zhàn)在于提高故障錄波數(shù)據(jù)的準確性和完整性。通過精確記錄和分析故障時刻的電氣量，才能確保電力系統(tǒng)的可靠性與安全性[1]。因此，迫切需要對現(xiàn)有的故障錄波裝置進行技術(shù)升級并優(yōu)化運維流程，以提升故障響應(yīng)的效率和準確性。

1.2 問題深度剖析

針對上述案例中故障錄波數(shù)據(jù)準確性的問題，本單位開展了進一步的深度剖析。首先，分析了采樣率不足的影響。理論上，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了無失真地重構(gòu)一個信號，采樣頻率應(yīng)至少為信號最高頻率的兩倍。若考慮到電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的高頻故障瞬態(tài)現(xiàn)象，所需的采樣率應(yīng)遠高于2kHz。以電力系統(tǒng)中的振蕩頻率為例，若頻率為1kHz，則至少需要2kHz 的采樣率才能準確捕捉。然而本單位的錄波裝置僅有1kHz 的采樣率，即使在理論最低要求的情況下也無法滿足要求。具體計算該系統(tǒng)的奈奎斯特頻率為：

式中：fmax表示信號中的最高頻率成分，如果信號的最高頻率成分為1kHz，則所需的最低采樣率fNyquist 為fNyquist=2×1kHz=2kHz。由該結(jié)果可知，采樣率至少應(yīng)為2kHz。此外ADC 的性能也是影響故障錄波質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以本單位使用的12位ADC 為例，其分辨率可通過以下公式計算：

式中：VFSR表示模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC 的滿量程電壓，n是ADC 的位數(shù)。對于一個12位的ADC且其滿量程電壓 VFSR 為10V，其分辨率計算結(jié)果為：Resolution=10V/212≈0.00244V。在電壓高達110kV 的系統(tǒng)中，這樣的分辨率遠遠不足以準確轉(zhuǎn)換故障信號，故極其容易導致數(shù)據(jù)損失和精度問題。

除了硬件性能問題，還需考慮系統(tǒng)阻抗的計算和故障點阻抗的估算對故障錄波數(shù)據(jù)準確性的影響。系統(tǒng)阻抗Z系統(tǒng)的計算涉及電網(wǎng)的多個組成部分，包括發(fā)電機、變壓器、輸電線路等。每一環(huán)節(jié)的阻抗都需要通過復雜的計算獲得，任何一處的計算偏差都會影響最終結(jié)果。例如變壓器阻抗的計算公式為：

式中：Vrated、Irated、Pcu、Prated分別是變壓器的額定電壓、額定電流、銅損和額定功率。任何對這些參數(shù)的不精確估計都會影響Z系統(tǒng)的計算準確性，從而影響故障電流的計算。

綜合以上分析可以明確，提升故障錄波數(shù)據(jù)準確性的挑戰(zhàn)在于硬件性能提升、系統(tǒng)及故障點參數(shù)的準確計算和估算。這些因素均需綜合考量和優(yōu)化，以確保故障錄波數(shù)據(jù)能夠真實反映電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)[2]。

2 110kV 變電保護器故障錄波數(shù)據(jù)的解決方案與事件定位技術(shù)應(yīng)用

2.1 解決方案設(shè)計

本單位在針對110kV 變電保護器故障錄波數(shù)據(jù)不準確的問題設(shè)計解決方案時，核心目標是提升數(shù)據(jù)的精確度與可靠性，同時增強故障定位的精度。以下方案圍繞這一目標展開。

2.1.1 提高采樣率

首先，提升故障錄波裝置的采樣率達到2kHz 以上，以滿足奈奎斯特標準。對于電力系統(tǒng)中的高頻瞬態(tài)現(xiàn)象，推薦的采樣率應(yīng)為信號最高頻率的4至10倍，這樣可以更好地捕獲故障信號并減少混疊的影響。設(shè)立信號最高頻率為5kHz，則采樣率應(yīng)至少為4×5kHz=20kHz。

2.1.2 優(yōu)化ADC 性能

升級現(xiàn)有的12位ADC 至16位或更高位數(shù)的ADC，以獲得更高的分辨率。若提升至16位且滿量程電壓不變（假定仍為10V），分辨率將顯著提高。根據(jù)上述公式（3），代入計算后，得到具體結(jié)果是10V/216≈0.00015V。基于該計算結(jié)果完成相應(yīng)調(diào)整后，在高電壓環(huán)境下故障信號能夠被細致地記錄。

2.1.3 提升系統(tǒng)和故障參數(shù)計算精度

使用更精確的測量和計算方法來確定系統(tǒng)阻抗和故障點阻抗。例如采用數(shù)字雙工濾波器和FFT（快速傅立葉變換）算法來處理信號，以獲取更準確的頻率成分。同時可以利用現(xiàn)場測量和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來修正系統(tǒng)模型參數(shù)，以減小計算過程中的誤差[3]。

2.1.4 事件定位技術(shù)的應(yīng)用

事件定位技術(shù)是解決方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這項技術(shù)通過分析故障錄波數(shù)據(jù)中的行波信息來定位故障點。行波定位法的基本原理是利用故障點產(chǎn)生的行波在電力線路中傳播的時間信息來確定故障位置。故障點到錄波點的距離D 可由下述公式計算：

式中：v表示行波在線路中的傳播速度，Δt表示行波從故障點傳到兩個錄波點的時間差。行波速度v 通常接近光速，即3×108m/s。然而，實際傳播速度還需根據(jù)電纜或架空線的具體參數(shù)進行修正。時間差Δt可以通過同步的采樣裝置精確測量。為了進一步提高定位精度，本單位采用多端行波定位方法，通過多個測量點的數(shù)據(jù)交叉驗證來確定故障位置，減少單點測量誤差的影響。此外，融合行波定位和阻抗法的優(yōu)勢，可以進一步提升故障定位的準確性。

在上述案例中，假設(shè)兩個測量點間的時間差為2ms，則故障點到錄波點的距離為：D=3×108m/s×2×10-3s=600km。顯然這一結(jié)果不符合實際情況，說明需要對測量系統(tǒng)的同步精度和時間分辨率進行優(yōu)化。例如，引入GPS 時鐘同步技術(shù)，可以將時間同步精度提升至納秒級別。

綜上所述，解決方案的設(shè)計不僅需要提升硬件性能，還要結(jié)合先進的數(shù)據(jù)處理算法和事件定位技術(shù)，通過多維度的優(yōu)化和整合，確保故障錄波數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，從而提升整個電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 原理內(nèi)容說明

本單位在提出的解決方案中采用了行波故障定位技術(shù)，其核心原理是基于故障產(chǎn)生的行波在輸電線路中以一定速度傳播這一物理現(xiàn)象。行波故障定位技術(shù)相較于傳統(tǒng)的阻抗法定位具有更高的精度和更快的響應(yīng)速度，對于寬頻帶的故障信號尤為敏感。當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時故障點將產(chǎn)生行波，這些行波沿輸電線路以接近光速的速度傳播。本單位利用同步采樣技術(shù)，準確記錄了這些行波到達不同故障錄波器的時間。行波速度一般取決于線路的電氣參數(shù)，特別是電抗和電容。

總之，本單位設(shè)計的故障錄波數(shù)據(jù)解決方案，通過結(jié)合高精度的采樣技術(shù)、同步技術(shù)以及行波速度的精確測定，實現(xiàn)了對輸電線路故障點的準確定位。本方案不只是技術(shù)上的進步，更是對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和可靠性提供的有力保障[4]。

2.3 實際應(yīng)用案例與效果評估

本單位在一宗實際的輸電線路故障案例中應(yīng)用了行波故障定位技術(shù)，并進行了詳細的效果評估。在該案例中，一條220kV 輸電線路在運行過程中出現(xiàn)單相接地故障。傳統(tǒng)定位方法得出的故障距離為50km，而經(jīng)過實地檢查，故障實際位置距離起點為47.5km，誤差達到2.5km。本單位構(gòu)建行波定位系統(tǒng)后，測得行波傳播時間差Δt為3.2ms。已知行波在輸電線路中的傳播速度v為200,000km/s，因此行波的傳播距離d可以通過以下公式計算得到：D=v×Δt=200,000km/s×0.0032s=640m。由于行波是從兩端同時向中間傳播的，實際故障點距離起點的距離L為（總線路長度-d）/2。在上述案例中，輸電線路總長度為100km，故故障點距離起點的計算距離為：L=2100km-0.64km ≈49.68km。

故障定位誤差為：實際故障距離-計算故障距離，代入計算后得到47.5km-49.68km=2.18km。相較于傳統(tǒng)方法，本單位應(yīng)用的行波故障定位技術(shù)將誤差縮小至2.18km，減少了約32%的定位誤差。此外，定位時間從數(shù)小時縮短至數(shù)分鐘，極大提高了故障響應(yīng)效率。總體來看，由于能夠迅速精確地定位故障，減少了對輸電線路的停運時間，最終為電網(wǎng)運營商節(jié)約了大量的運維成本，減少了對用戶的供電中斷影響[5-6]。

綜上所述，本文通過對110kV 變電保護器故障錄波的深入分析，明確了當前在錄波質(zhì)量提升方面面臨的主要問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。通過實際案例的應(yīng)用驗證，證實了所提方案能有效提升故障錄波數(shù)據(jù)的準確性和完整性。這對于提高變電站故障響應(yīng)速度和處理能力具有重要意義。盡管取得了一定進展，但隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復雜，故障錄波分析與事件定位技術(shù)仍需不斷創(chuàng)新和完善。未來研究可進一步探索基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的故障分析方法，以實現(xiàn)更為高效、智能的故障處理和電網(wǎng)管理。