電力系統(tǒng)輸電線路故障測距方法淺析

紅河供電局 云南紅河 661100

摘要：輸電線路故障測距用來解決線路故障定位問題。論文詳細分析了阻抗測距法和行波測距法的原理及優(yōu)缺點。目前云南電網(wǎng)行波測距大部分只用在500kV線路。由于行波測距應(yīng)用不廣泛，絕大部分運行人員對行波測距裝置不熟悉。論文旨在提高運行人員對行波測距認識，不斷提高對該裝置的管理水平。

關(guān)鍵詞：故障測距；阻抗測距；行波測距

輸電線路故障測距就是運用輸電線路故障時的一些電氣量通過計算來確定故障點與變電站的距離，簡單地說就是故障點定位。精確的故障測距能夠減輕人工巡線的工作量，縮短故障修復時間，減少停電損失，同時也能發(fā)現(xiàn)造成線路瞬時故障的絕緣薄弱點、線路走廊下的樹枝等事故隱患。目前，常用的故障測距方法主要有阻抗測距發(fā)和行波測距法。故障錄波器和保護裝置測距功能就是利用阻抗測距法，行波測距裝置是利用行波測距法。

1 阻抗測距法

阻抗測距法是根據(jù)輸電線路故障時測量到的電壓、電流計算出故障回路阻抗。由于輸電線路阻抗近似均勻分布，即線路單位長度阻抗可知，從而可以求出故障點到變電站的距離。變電站內(nèi)使用的線路保護裝置和故障錄波器都是運用阻抗測距法來實現(xiàn)測距功能。

新建線路投運前，線路施工人員都要對線路參數(shù)進行測試，測出線路長度L，線路阻抗R+jX等參數(shù)。并將測量出的線路長度和阻抗等參數(shù)作為定值置入線路保護裝置和故障錄波器。

圖1 輸電線路集中參數(shù)簡圖

輸電線路集中參數(shù)簡圖可表示為圖1。圖中M為變電站保護安裝處，K為故障點，Um和Im是故障時刻的保護安裝處的電流電壓。Zm=Um/Im即為故障時M到K點的阻抗值，由于輸電線路單位長度阻抗z=（R+jX）/L已知，不難得出故障點K到變電站M的距離：

Lk=Zm/z=Um·L/Im（R+jX）

研發(fā)人員只要將上述計算公式以程序的形式置入裝置，很容易就能得到故障點到變電站的距離。

在上述推倒過程中，我們考慮的是非串補線路且故障點接地電阻近似為0（金屬性接地）的情況。如果輸電線路帶串補電容器輸電線路阻抗將不再是均勻分布。如果故障點非金屬性接地帶，裝置計算出來的故障阻抗不再是變電站到故障點的阻抗，而是變電站到故障點阻抗加上接地點阻抗。由此可見，阻抗測距誤差大，受到故障點接地阻抗，電流、電壓互感器傳變誤差，分布電容以及線路走廊地形變化引起零序參數(shù)變化等因素的影響。

2 行波測距法

行波測距法是根據(jù)行波理論實現(xiàn)的輸電線路故障測距方法。行波類似聲波是波的一種，它具有波的物理特性，能夠在同一介質(zhì)中恒速傳播，遇到兩種介質(zhì)交界面時會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。輸電線路上的行波分為穩(wěn)態(tài)行波和暫態(tài)行波。穩(wěn)態(tài)行波就是工頻電流、電壓信號，暫態(tài)行波就是由短路、斷線、開關(guān)操作、雷擊及雷電等引起的高頻電流、電壓信號。

行波測距法就是利用故障行波在線路上的傳播時間測量故障距離。行波測距法可以分為單端測距法和雙端測距法。

2.1 單端測距法

輸電線路發(fā)生故障時，從母線向故障點傳播的行波經(jīng)過一段時間后又從故障點反射回來，這段時間間隔與故障距離成正比。檢測這個時間段就是單端行波測距的思想。

圖2 單端測距原理圖

圖2故障行波在故障點K和變電站M之間的傳播過程示意圖。線路發(fā)生故障，故障點激發(fā)一系列高頻行波，其中一列行波沿線路傳播到變電站M，遇到母線后由于阻抗不連續(xù)（兩種介質(zhì)的交接面）此列行波發(fā)生反射后繼續(xù)想K點傳播，到達K點后由于阻抗不連續(xù)，再次發(fā)生反射傳回變電站M。

圖中T1時刻的波形就是行波到達變電站M時行波測距裝置記錄的初始波，T2時刻的波形即為故障點反射波。利用行波在輸電線路上有相對穩(wěn)定的傳播速度v這一特點，通過測量故障行波脈沖在母線與故障點來回反射的時間差Δt測距實現(xiàn)故障定位。故障點距離即為：

ZMK = Δt·v/2 =（T2-T1）v/2

上式中波速v約為294km/ms。

從硬件上來看，單端測距只需要在線路一端安裝裝置，現(xiàn)場施工簡單，投資少；從原理來看，單端測距依賴行波到達母線的初始脈沖和反射脈沖，如果初始波頭和反射波頭能正確識別，則測距準確，精度高。事實上我們得到的波形并不像原理圖中經(jīng)典波形那樣一目了然。實際上裝置記錄的波形是多列波形疊加所得到的，波形毛刺較多，非常不規(guī)則，分析困難，在反射波不明顯的情況下，容易導致測距失敗。此外現(xiàn)場的開關(guān)操作、雷擊、相鄰線路故障等暫態(tài)過程也會產(chǎn)生行波易受干擾，很容易造成裝置誤啟動。

2.2 雙端行波測距法

雙端測距是利用故障點產(chǎn)生的行波第一次到達兩端變電站的時間差來測量距離。圖3為雙端行波測距原理圖。

雙端測距需要在線路兩側(cè)的變電站都安裝行波測距。利用兩臺裝置分別記錄下行波到達的時刻（絕對時間）TM TN，實現(xiàn)故障點的測距。圖3中M、K、N三點有如下的數(shù)學關(guān)系：

圖3 雙端測距原理圖

LMK+LNK=LMN

LMK-LNK=（TM-TN）·v

由上述兩式推倒得：

LMK=（TM-TN）·v/2+ LMN/2

LNK=（TN -TM）·v/2+ LMN/2

從上述兩式可以看出，雙端行波測距只需要知道行波初始波到達兩側(cè)變電站的時間就可以計算故障距離，不存在折反射波性質(zhì)識別的問題，而且初始行波一般幅值較大，奇異性較強，較容易識別。缺點就是故障線路的兩端均裝設(shè)行波故障測距裝置。云南電網(wǎng)目前不允許兩個變電站的行波測距裝置有通信，故只能采用電話獲取對方初始行波時間采用人工雙端測距。此外，現(xiàn)場的開關(guān)操作、雷擊、相鄰線路故障等暫態(tài)過程也會產(chǎn)生行波，很容易造成裝置誤啟動。

2.3 行波信號的收集與測量

上世紀八十年代經(jīng)過研究人員的實驗研究，電流互感器能夠傳變行波信號。這一研究結(jié)果頁促使了行波測距的巨大發(fā)展。早期行波裝置采用電容分壓器測量電壓行波。目前電容電壓互感器CVT的廣泛引用，由于CVT電磁單元中隔離變壓器原邊串有相位補償電抗器（如圖4所示），阻擋了高平行波傳輸。所以，現(xiàn)在行波測距采用電流互感器收集電流行波。

值得注意的是行波測距接入電流互感器二次繞組，并不是為了采集工頻電流信號，僅僅為了收集故障時刻行波信號并記錄到達的時刻。未來的行波測距裝置發(fā)展方向很可能增加工頻錄波功能。

圖4 CVT結(jié)構(gòu)簡圖

3 結(jié)束語

輸電線路行波測距就是為了能夠快速定位故障點。阻抗測距法和行波測距法都有各自的優(yōu)缺點。阻抗測距法使用輸電線路的集中參數(shù)來表征分布參數(shù)，導致該方法測距不準，不適用于T接線路俄和串補線路，當目前阻抗測距法應(yīng)用是比較廣泛的。行波測距從原理來說測距非常準確，但是波形的過濾和采集是一個難點。針對500kV線路而言，兩種測距方法都在使用，互為校驗。通過兩種測距結(jié)果綜合判斷來確定一個更加精確地故障范圍。