分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用

沈 虹

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山528000）

0 引言

近年來，因雷擊、臺風(fēng)、外力破壞等引起的輸電線路跳閘故障頻繁發(fā)生，受到了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、運行和管理部門的高度重視。輸電線路的每一次跳閘，除給系統(tǒng)帶來沖擊外，都會給絕緣子、導(dǎo)線等電力設(shè)施帶來損壞而留下安全隱患，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。實際生產(chǎn)運行中，輸電線路故障跳閘原因復(fù)雜，影響因素眾多，由于缺乏必要、有效的輸電線路故障監(jiān)測技術(shù)和手段，而傳統(tǒng)輸電線路故障定位裝置的誤差較大，導(dǎo)致在發(fā)生故障后故障點查找困難；由于輸電線路管理上存在多條跨省和跨區(qū)線路分屬多個公司管理，運行維護時存在多個公司共同巡線查找故障點的現(xiàn)象，浪費了人力、物力，也影響了電網(wǎng)及時恢復(fù)供電。

本文以220kV線路為監(jiān)測對象，在省級電網(wǎng)公司設(shè)置監(jiān)測中心站，各地市局設(shè)置工作站的分層分布式監(jiān)測平臺，建設(shè)省級電網(wǎng)輸電線路故障監(jiān)測平臺，分析如何利用故障電流行波的電磁暫態(tài)特征準(zhǔn)確辨識雷擊與非雷擊故障，實現(xiàn)對輸電線路故障的智能監(jiān)測和診斷，為快速恢復(fù)故障及明確事故原因提供監(jiān)測手段，有效提升了輸電線路運行維護的管理水平。

1 輸電線路故障原因辨識原理

輸電線路故障原因的準(zhǔn)確辨識，是指導(dǎo)輸電線路采取針對性防護措施降低線路跳閘率的基礎(chǔ)。由于輸電線路在發(fā)生不同類型的跳閘故障時，其線路上的故障電流行波呈現(xiàn)出不同的電磁暫態(tài)特征，因此，通過在線監(jiān)測并提取輸電線路故障電流行波數(shù)據(jù)，分析其電磁暫態(tài)特征，可以達(dá)到對輸電線路雷擊與非雷擊故障原因準(zhǔn)確辨識的目的。

輸電線路遭受雷擊故障時，流經(jīng)線路的故障電流主要由兩部分疊加而成，一部分是雷電流分流后直接進入線路的電流，另一部分是雷電流經(jīng)桿塔入地后的反射波進入線路的電流。標(biāo)準(zhǔn)雷電流的波尾時間為50μs，由于與大地反射波極性相反，兩者疊加后其峰值衰減加快，波尾時間變短。因此，雷擊線路的故障電流行波波尾時間小于50μs，實測一般在40μs以內(nèi)。而輸電線路在遭受污穢閃絡(luò)、樹木閃絡(luò)等閃絡(luò)及外力破壞等非雷擊故障后，其閃絡(luò)過程與交流電流的變化密切相關(guān)，電弧呈現(xiàn)熄滅重燃、延伸收縮的變化，相比于雷擊故障其電流暫態(tài)行波頻率較低，這類故障的故障電流行波波尾時間較長，一般遠(yuǎn)大于40μs。

圖1與圖2分別為ATP程序仿真模擬得到的典型220kV單回線路發(fā)生雷擊與非雷擊故障時故障相的電流行波波形圖，對比可知，發(fā)生雷擊時故障電流行波波尾時間小于50μs，而非雷擊時故障電流行波波尾時間遠(yuǎn)大于50μs。

圖1 雷擊故障電流波形圖

圖2 非雷擊故障電流波形圖

根據(jù)上述雷擊、非雷擊行波的物理和仿真分析結(jié)果可知，通過采集輸電線路雷擊故障電流行波，分析其波形特征，可以有效地區(qū)分和辨別輸電線路的故障性質(zhì)是雷擊還是非雷擊。

2 分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)原理

電力系統(tǒng)故障定位的方法主要有阻抗法和行波法兩種。阻抗法由于受故障電阻、線路負(fù)荷、互感器誤差和電源參數(shù)等因素的影響較大，實際應(yīng)用效果不理想。目前電力系統(tǒng)中投入使用的多為行波法，即根據(jù)行波在傳輸線路上波阻抗不連續(xù)節(jié)點的反射特性來確定故障點距離。行波法原理簡單，理論上不易受系統(tǒng)運行方式、過渡電阻、線路分布電容的影響，測距精度較阻抗法高，但在實際應(yīng)用中由于受工程因素的制約，如導(dǎo)線參數(shù)、行波波速變化、行波在線路中傳播的衰減畸變等，該法的精度有所降低。

采用分布式監(jiān)測方式，在輸電線路上布置若干個現(xiàn)場監(jiān)測終端，將輸電線路分解成若干個區(qū)間，通過記錄工頻故障電流和電流行波，利用工頻故障電流先確定故障區(qū)間，然后再進行區(qū)間內(nèi)的行波定位，從而實現(xiàn)對輸電線路故障的精確定位。當(dāng)輸電線路跳閘故障發(fā)生在兩個設(shè)備安裝監(jiān)測點終端之間時，故障點同側(cè)的設(shè)備安裝監(jiān)測點終端記錄的工頻故障電流信號方向相同，故障點兩側(cè)記錄的工頻信號方向相反。

通過在輸電線路上布置若干個現(xiàn)場監(jiān)測終端和系統(tǒng)，將輸電線路劃分為若干個區(qū)間，分別監(jiān)測并記錄各區(qū)間的故障數(shù)據(jù)和信號。這種在線路中分散布局而非在兩端變電站集中布局的監(jiān)測方式，不僅對輸電線路長度、導(dǎo)線弧垂等影響測量誤差的固有參數(shù)進行了離散化監(jiān)測，同時由于每個監(jiān)測裝置監(jiān)測區(qū)段的縮短可有效減小行波波速變化以及傳播衰減畸變等因素對故障定位精度的影響，從而大幅提高輸電線路故障定位的精度。

3 分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)功能

輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成按照分層分布式體系設(shè)計，由現(xiàn)場監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)中心和工作站3部分組成，各部分之間通過互聯(lián)網(wǎng)相連，同時數(shù)據(jù)中心還提供了 WEB服務(wù)查詢功能。該系統(tǒng)作為輸電線路工況在線監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，與其他部分共享監(jiān)測信息。

現(xiàn)場監(jiān)測終端是輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，分布式地安裝于輸電線路的導(dǎo)線上，監(jiān)測并采集輸電線路故障發(fā)生時刻的故障電流行波與工頻故障電流及諧波電流信息，同時將采集到的信號上傳到數(shù)據(jù)中心?，F(xiàn)場監(jiān)測終端主要由傳感器線圈測量單元、數(shù)據(jù)采集分析單元、通信單元和電源系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)中心通過GPRS與現(xiàn)場監(jiān)測終端通信，接收上傳的監(jiān)測信息并對故障信息進行診斷，將上傳的監(jiān)測信息和故障診斷結(jié)果保存，同時下達(dá)相關(guān)控制信息。

分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)完整地記錄了每次故障電流暫態(tài)行波，軟件系統(tǒng)通過分析電流暫態(tài)行波的差異確定故障是否屬于雷擊故障，若是雷擊故障則進一步確定是繞擊還是反擊；并利用各現(xiàn)場監(jiān)測終端的行波數(shù)據(jù)與GPS時鐘數(shù)據(jù)計算故障點的精確位置，同時可獲取輸電線路的運行工況信息、雷擊頻度信息、故障信息，還具備短信報警功能；線路發(fā)生跳閘故障或現(xiàn)場監(jiān)測終端異常時，采用短信的方式將智能診斷分析結(jié)果發(fā)送給相關(guān)責(zé)任人，并在系統(tǒng)網(wǎng)站上公布該故障信息，方便電力系統(tǒng)生產(chǎn)管理人員運行維護。

4 分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

2013年，本局在所轄主網(wǎng)線路上安裝了輸電線路故障智能監(jiān)測終端，完成了各裝置的安裝與調(diào)試，建立起佛山供電局輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)和平臺。該系統(tǒng)在輸電線路故障精確定位、故障原因準(zhǔn)確辨識、故障規(guī)律統(tǒng)計分析、差異化防雷等方面發(fā)揮了巨大的作用。

4．1 輸電線路故障定位

分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)可在線路發(fā)生故障后精確定位故障點，減短查尋線路故障點所需時間，減輕巡線工作量，實現(xiàn)輸電線路發(fā)生故障后迅速恢復(fù)供電。具體應(yīng)用示例如下：

220kV陽康甲線是于2013年4月由220kV陽燕甲線、清康甲線改接而成，全段495基桿塔，約180km。佛山供電局管轄#357～#495塔，共138基，長度42．481km。

2013年8月20日20：21左右，220kV陽康甲線A相跳閘，重合不成功?？禈氛緶y距34．5km；8月20日21：08左右，線路強送成功，線路中斷供電約47min。輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測故障電流行波數(shù)據(jù)，得到行波與GPS反射波時間差約237μs，根據(jù)單端行波定位原理（圖3），系統(tǒng)自動診斷結(jié)果為#373桿塔。

圖3 電流行波反射波定位原理

故障發(fā)生后工作人員立即根據(jù)系統(tǒng)自動診斷結(jié)果展開巡線（圖4），發(fā)現(xiàn)220kV陽康甲線#372～#373塔A相導(dǎo)線上下子導(dǎo)線各有一處輕微放電痕跡，導(dǎo)線未發(fā)現(xiàn)斷股，其他桿塔未發(fā)現(xiàn)異常，進一步確認(rèn)知跳閘系違章施工泵車觸線所致。本次事故沒有造成人員傷亡。

圖4 現(xiàn)場巡線圖片

4．2 輸電線路故障原因辨識

輸電線路故障跳閘原因復(fù)雜，影響因素眾多，實際生產(chǎn)運行中往往由于輸電線路跳閘的原因無法得到準(zhǔn)確辨識，使得采取的措施缺乏針對性，技術(shù)經(jīng)濟性不高，不能切實提高線路的運行能力。輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)可在線路發(fā)生跳閘故障后自動診斷故障原因，是輸電線路跳閘故障鑒別的有力手段，有效地指導(dǎo)了線路生產(chǎn)運行維護工作。

2013年8月20日20：21左右220kV陽康甲線的跳閘故障中，故障監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測記錄得到了220kV陽康甲線故障電流行波（圖5），通過波形特征分析，給出了線路故障原因為非雷擊。

圖5 陽康甲線A相故障電流行波波形圖

4．3 輸電線路故障規(guī)律統(tǒng)計分析

輸電線路故障智能監(jiān)測系統(tǒng)可準(zhǔn)確記錄每一次線路跳閘的情況、分析辨識其故障原因。系統(tǒng)長期運行積累下來的數(shù)據(jù)是輸電線路運行維護中切實反映線路運行能力的十分寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4．4 加強輸電線路的屬地化管理

傳統(tǒng)輸電線路故障定位裝置的誤差較大，導(dǎo)致在發(fā)生故障后故障點不明確。多條跨省和跨區(qū)線路輸電線路分別由多個公司管理，在運行維護時多個公司共同巡線查找故障點，浪費了人力、物力。建立了分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)及平臺，各級工作人員均可通過該系統(tǒng)及時監(jiān)測、查詢、掌握線路的運行情況，線路發(fā)生故障后明確巡線及維護單位，有效提高了工作效率，加強了對輸電線路的屬地化管理，提高了輸電線路的運行管理水平。

（3）輸電線路分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式體系設(shè)計，由現(xiàn)場監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)中心和工作站3個部分組成，同時提供了WEB服務(wù)查詢功能。通過故障精確定位有效地幫助快速完成巡線及輸電線路故障查詢工作，還為故障原因的診斷提供了智能化工具。

5 結(jié)論

（1）分布式輸電線路故障精確定位及診斷系統(tǒng)，通過在輸電線路上每隔30km安裝一個監(jiān)測終端，就近監(jiān)測故障電流暫態(tài)行波，以完整反映故障電流的電磁暫態(tài)特征，同時通過區(qū)間定位的方法提高了故障定位的可靠性和準(zhǔn)確度，減小了弧垂、波速、波形衰減以及干擾信號的影響。

（2）通過監(jiān)測輸電線路上的故障電流行波，分析其電磁暫態(tài)特征，可以實現(xiàn)輸電線路雷擊與非雷擊、繞擊與反擊等故障性質(zhì)的準(zhǔn)確辨識。

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