基于地線分流實(shí)現(xiàn)直流輸電線路接地故障區(qū)段定位的方法

王 法 曾 東 許金明 張 勇

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314001 ）

高壓直流輸電的蓬勃快速發(fā)展，對(duì)直流輸電線路的運(yùn)維管理提出了新的要求。研究如何利用先進(jìn)科技手段來(lái)幫助運(yùn)維單位全面掌控輸電線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路隱患、快速查找和消除各類故障，提高運(yùn)維單位對(duì)沿線因?yàn)榄h(huán)境變化、通道異常、自然災(zāi)害、外力破壞等因素發(fā)生故障時(shí)的反應(yīng)能力和預(yù)控能力，是各運(yùn)維單位共同關(guān)注的話題。

目前，跨區(qū)直流輸電線路由沿線不同的單位分段運(yùn)維，各相鄰單位之間的責(zé)任明確，界線分明。線路故障定位裝置一般設(shè)置在兩側(cè)換流站內(nèi)，由于不同運(yùn)維單位還未完全實(shí)現(xiàn)信息共享，使各區(qū)段的線路運(yùn)維單位在獲取故障信息方面存在時(shí)延，故障信息即時(shí)內(nèi)容掌握程度有限，影響了運(yùn)維單位應(yīng)急能力。通常做法是保守地派出過(guò)剩人力進(jìn)行故障查找和處理，尤其是當(dāng)故障發(fā)生在不同運(yùn)維單位的分界點(diǎn)附近時(shí)，由于擔(dān)心存在信息傳遞誤差，往往需要臨近運(yùn)維單位同時(shí)派員查找或待命搶修，從而浪費(fèi)了人財(cái)物資源。

針對(duì)直流線路分段運(yùn)維的特點(diǎn)，研究出造價(jià)低、安裝靈活、定位準(zhǔn)確、且不影響線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的故障定位裝置，來(lái)指導(dǎo)運(yùn)維單位快速應(yīng)急能力，不失為一種行之有效的輔助措施。

1 常規(guī)故障定位方法比較

現(xiàn)實(shí)經(jīng)常采用的故障定位方法，按照工作原理可以分為行波法、阻抗法、故障分析法、智能化測(cè)距法等。其中行波法是根據(jù)行波理論實(shí)現(xiàn)的測(cè)距方法，行波測(cè)距裝置現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)；阻抗法和故障分析法本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，都是分析短路后的故障特征量，利用短路計(jì)算的逆運(yùn)算求解故障距離。故障分析法依據(jù)電壓電流的測(cè)量值，通過(guò)故障分析根據(jù)各種特征構(gòu)造各種原理（如阻抗與距離成正比，用兩端數(shù)據(jù)計(jì)算到的故障點(diǎn)電壓相等，過(guò)渡電阻的純阻性等）的測(cè)距方程，進(jìn)行故障測(cè)距[1]；智能化測(cè)距法是將各種智能技術(shù)之問(wèn)的交叉結(jié)合，如模糊專家系統(tǒng)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)等相繼提出，但大多數(shù)還處于研究階段，還有待于各種智能技術(shù)的發(fā)展和成熟[2-3]。

以上的故障定位方法若應(yīng)用在直流輸電線路的中間某區(qū)段定位，實(shí)現(xiàn)難度較大。首先，為確保線路安全運(yùn)行，故障信號(hào)采集設(shè)備不建議安裝在輸電線路的高電位（導(dǎo)線）上。其次，從性價(jià)比方面考慮，不主張采用體積龐大的電氣設(shè)備。并且，不同運(yùn)維單位所轄的直流輸電線路長(zhǎng)度一般只有30～200km，遠(yuǎn)小于故障行波波長(zhǎng)，故障行波的折反射時(shí)間太短，若在某區(qū)段安裝行波測(cè)量裝置，難以準(zhǔn)確測(cè)量得到故障行波的波頭，雙端時(shí)鐘的誤差也會(huì)使故障定位準(zhǔn)確性大打折扣。

2 基于地線分流實(shí)現(xiàn)故障定位的理論基礎(chǔ)

直流輸電線路的故障類型可分為雷擊、對(duì)地閃絡(luò)、高阻接地、與交流線路碰線和斷線5種類型[4]。其中高電阻接地、交流線路碰線和斷線故障類型在高壓直流輸電線路中發(fā)生的概率較小，此類故障信息可以通過(guò)兩側(cè)換流站的故障定位設(shè)備反饋而得。直流輸電線路一般以遭受雷擊、污穢、霧雨等環(huán)境因素所造成線路絕緣水平降低而產(chǎn)生的對(duì)地閃絡(luò)為主，本文主要針對(duì)此類故障進(jìn)行定位方法研究。

一般來(lái)說(shuō)，直流輸電線路的地線與桿塔采用非絕緣連接方式，閃絡(luò)接地的故障電流在桿塔地線上將會(huì)產(chǎn)生分流，若能找出分流規(guī)律，并在桿塔地線上安裝故障電流傳感器，檢測(cè)和采集故障電流方向，將信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸至后臺(tái)分析軟件，通過(guò)判斷電流方向?qū)崿F(xiàn)故障定位，并將定位結(jié)果結(jié)合輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適時(shí)向關(guān)人員短消息預(yù)警，從而指導(dǎo)應(yīng)急排查和搶修工作。

本文根據(jù)檢測(cè)故障點(diǎn)兩側(cè)地線上故障電流方向，當(dāng)故障電流方向相反時(shí)判斷為故障區(qū)段。

3 研究模型及分析

建立跨區(qū)直流輸電線路中間某段線路模型，假定某單位負(fù)責(zé)線路中間段某8基桿塔的運(yùn)維工作。在各桿塔的同一側(cè)同一根地線上安裝統(tǒng)一規(guī)格的電流傳感器（以符號(hào)“a”代表電流傳感器），用于采集故障電流的方向。通常，直流輸電線路接地故障可能有以下3種發(fā)生情況。

3.1 桿塔上發(fā)生接地故障

假設(shè)在#T5桿塔上發(fā)生導(dǎo)線接地故障，導(dǎo)線故障總電流方向I0假定流向故障點(diǎn)。根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）和桿塔電氣模型，I0一部分經(jīng)故障桿塔的接地裝置流入大地（ID0），另一部分IT5由地線向線路兩側(cè)進(jìn)行分流。當(dāng)然，各分流系數(shù)因?yàn)闂U塔的接地阻抗、地線阻抗、故障點(diǎn)位置等不同，難以做定量研究，但是，分析單根地線的故障電流方向可以得出定性的結(jié)論，模型如圖1所示。

圖1 #T5塔上發(fā)生接地故障時(shí)單根地線分流示意圖

根據(jù)以上電流方向的假設(shè)，桿塔#T5故障電流TT5向兩側(cè)地線分流（根據(jù)KCL可知I4電流方向往左，I5電流方向往右）。分析桿塔#T6，因?yàn)榈鼐€直接與桿塔連接，故障電流 I5一部分經(jīng)桿塔入地（IT6），另一部分由大號(hào)側(cè)兩根地線分流，即電流絕對(duì)值I5＞I6，且#T6大號(hào)側(cè)地線電流方向向右，以此類推。同樣方法可以分析小號(hào)側(cè)電流規(guī)律，從而得出定性結(jié)論：

1）#T5大號(hào)側(cè)故障電流方向一致向右，電流絕對(duì)值大小隨塔號(hào)的增加逐基遞減；

2）#T5小號(hào)側(cè)故障電流方向一致向左，電流絕對(duì)值大小隨塔號(hào)的減小逐基遞減；

a4與a5采集所得的電流方向相反，即塔T5兩側(cè)電流方向相反。

3.2 檔中央發(fā)生導(dǎo)線與地面物體放電故障

假定在#T4-#T5檔某處發(fā)生導(dǎo)線與地面物體放電故障，且假定故障總電流I0方向由導(dǎo)線流向大地。故障電流通過(guò)大地散流后，在相鄰兩側(cè)桿塔上產(chǎn)生分流IG4、IG5，其他桿塔因?yàn)榫嚯x故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，故障電流I0經(jīng)大地散流至桿塔上的電流很小，幾乎可以忽略。IG4、IG5分流與故障點(diǎn)在檔內(nèi)的位置、大地散流系數(shù)分布、地線與桿塔阻抗等有關(guān)，難以定量故障檔地線上電流I4大小和方向。就I4電流方向而言，總結(jié)起來(lái)，不外乎兩種情況：方向向左或者向左。

1）當(dāng)故障電流I4方向向左

此時(shí)其分流模型如圖2所示。

圖2 #T4－#T5檔中央發(fā)生對(duì)地面放電時(shí)單根地線分流圖（I4方向向左）

分析單根地線上的故障電流，根據(jù)3.1的同樣的分析原理，#T4小號(hào)側(cè)故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號(hào)的減小逐基遞減。#T5大號(hào)側(cè)故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號(hào)的增加逐基遞減。

a4與a5采集所得的電流方向相反，即#T5兩側(cè)電流方向相反。

2）當(dāng)故障電流I4方向向右

此時(shí)其分流模型如圖3所示。

圖3 #T4－#T5檔中央發(fā)生對(duì)地面放電時(shí)單根地線分流圖（I4方向向左）

分析單根地線上的故障電流，根據(jù)3.1的同樣的分析原理，#T4小號(hào)側(cè)故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號(hào)的減小逐基遞減。#T5大號(hào)側(cè)故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號(hào)的增加逐基遞減。

a3與a4采集所得的電流方向相反，即#T4兩側(cè)電流方向相反。

3.3 檔中央發(fā)生導(dǎo)線與地線碰觸故障

假設(shè)在#T4和#T5檔中央某處發(fā)生導(dǎo)線與地線碰觸接地故障，故障總電流I0方向由導(dǎo)線流向地線。接地電流I0在故障點(diǎn)完全由地線向兩側(cè)分流，建立分流模型如圖4所示。

圖4 #T4－#T5檔中央發(fā)生與地線碰觸單根地線分流圖

此類故障分析原理與3.1相同，結(jié)論如下：

（1）#T5大號(hào)側(cè)故障電流方向一致向右，電流大小隨塔號(hào)的增加逐基遞減。

（2）#T4小號(hào)側(cè)故障電流方向一致向左，電流大小隨塔號(hào)的減小逐基遞減。

a4與a5采集所得的電流方向相反，即#T5兩側(cè)電流方向相反。

4 故障定位方法

根據(jù)以上接地故障電流模型的分析，直流輸電線路接地故障可以根據(jù)相鄰電流傳感器的電流方向作為判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位（見(jiàn)模型圖中的橢圓形虛線框）。若相鄰電流傳感器采集所得電流方向一致，則說(shuō)明該定位單元內(nèi)未發(fā)生接地故障。反之，電流方向相反時(shí)，可判斷其接地故障位于該相鄰電流傳感器之間桿塔上或該相鄰檔內(nèi)，即故障電流方向相反時(shí)的相鄰電流傳感器之間發(fā)生了接地故障準(zhǔn)確判斷故障電流的方向是本方法實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位的關(guān)鍵。電流傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)能采集精確并且安裝便捷，選用統(tǒng)一規(guī)格的電流傳感器，其安裝位置位于同一側(cè)同一根地線上，且緊靠地線線夾出口處，其最小定位單元為兩相鄰電流傳感器安裝點(diǎn)之間的各段線路。

5 應(yīng)用情況

該方法在嘉興電力局所轄的±800kV復(fù)奉線#3585－#3674段線路上試應(yīng)用。研究人員在復(fù)奉線42km線路范圍內(nèi)每隔15基桿塔的同一根地線上安裝了同一規(guī)格的電流傳感器，共6套，目的是將42km線路縮小至 10km定位區(qū)段（今后逐步推廣在每基桿塔上安裝電流傳感器，實(shí)現(xiàn)最小定位單元為某一檔）?，F(xiàn)場(chǎng)電流傳感器故障數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)分析軟件，并在嘉興電力局輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中集成展示故障分析結(jié)果，通過(guò)短消息及時(shí)向有關(guān)人員預(yù)警，系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖如圖 5，故障定位在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)如圖6。

圖5 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

圖6 故障定位在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

因?yàn)榧闻d段±800kV復(fù)奉線運(yùn)行至今未曾發(fā)生過(guò)接地短路等故障，以上系統(tǒng)未能檢測(cè)到實(shí)際故障數(shù)據(jù)。但是，在研究過(guò)程中依據(jù)以上理論方法進(jìn)行大量的仿真試驗(yàn)，仿真模型為±800kV復(fù)奉線，模型中導(dǎo)線采用貝杰龍等效電路，兩端線路采用一般輸電線路的等效π模型，接地故障發(fā)生點(diǎn)在嘉興電力局所轄的某檔某極導(dǎo)線上。并通過(guò) ATP(Alternative Transient Program，一種EMTP仿真軟件)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析軟件進(jìn)行每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出一致的結(jié)論：故障點(diǎn)前、后定位區(qū)段地線上的故障電流方向相反，且同一續(xù)流時(shí)間下地線上故障電流絕對(duì)值大小隨著遠(yuǎn)離故障點(diǎn)方向逐基遞減。表1是#3594－#3595檔負(fù)極性導(dǎo)線上發(fā)生接地故障時(shí)，每隔4檔地線上電流傳感器采集的一組仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 #3594－#3595檔負(fù)極性導(dǎo)線發(fā)生接地故障時(shí)不同續(xù)流時(shí)間電流傳感器最大值

6 結(jié)論

直流輸電線路的地線一般直接與桿塔連接，通過(guò)設(shè)計(jì)電流傳感器，精確采集到地線故障電流的方向，判斷相鄰傳感器上電流方向是否一致，可以實(shí)現(xiàn)中間某段線路接地故障區(qū)段定位。本定位方法同樣適用于發(fā)生在桿塔或地線上的雷擊故障定位，原理同以上分析方法一樣。

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