架空輸電線路故障定位技術研究

陶 軍，付子峰，夏 雄，熊 磊，方思劍

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，架空輸電線路的分布范圍越來越廣，然而線路的運行環(huán)境受多方面的影響，引起線路跳閘的因素包含很多方面。當輸電線路發(fā)生故障跳閘后，如何快速準確定位成為電力系統(tǒng)重點關注的方向之一［1-3］。通過快速查找故障位置，排除故障原因是確保電網(wǎng)安全的前提條件［4-6］。針對一些隱蔽故障，運維單位難以在較短時間內(nèi)查找到故障位置，給運維單位造成很大的壓力［7-9］。目前，架空輸電線路主要采用在線監(jiān)測的方式進行故障定位，其中行波法使用范圍比較廣，該技術較為成熟，使用該技術設計的分布式故障診斷系統(tǒng)，大量應用于架空輸電線路，提高了輸電線路的故障定位精度［10-12］。

故障行波隨著時間和距離的推移，這種輸電線路的暫態(tài)行波波形會不斷降低，并且監(jiān)測裝置之間設置的距離和實際線路長度存在一定的偏差［13-15］。這是由于線路架設過程中，存在一定的弧垂，桿塔之間張力和地形的差別，使得桿塔之間的弧垂大小不一樣，并且，隨著季節(jié)和溫度的變化，弧垂處于不斷的變化之中［16-18］。同時，架空輸電線路的參數(shù)和地質、氣候有關，不同的地質條件，大地電阻率不同，對于氣候惡劣的高寒地區(qū)，線路參數(shù)低于給定值。由于線路長度與參數(shù)的變化，客觀上增加了故障定位的難度［19-21］。

當架空輸電線路發(fā)生故障跳閘時，故障位置形成的行波，沿著線路往兩端發(fā)展，然而，線路自身的線損和連接點引起行波波頭的畸變與衰減，導致行波波頭誤差，進一步增加了故障定位的難度［22-24］。而且，暫態(tài)行波的波速低于真空速度，如果兩者的偏差較大，分析時采用真空速度，使得故障定位不準確［25-27］。

1 故障定位裝置原理分析

當架空輸電線路出現(xiàn)故障時，例如雷擊、外破、鳥害等，電力系統(tǒng)中會出現(xiàn)暫態(tài)行波，這種行波是沿輸電線路向兩端發(fā)送的電壓、電流波［28-30］。分布式故障診斷系統(tǒng)主要采用行波定位技術，依照雙端定位法，如圖1 所示。在被測線路的兩端分別安裝一套監(jiān)測裝置，當線路某個位置發(fā)生故障跳閘時，故障行波向兩端發(fā)送故障信號，監(jiān)測裝置得到故障信號后，通過比較兩套裝置采集故障信號的時間差，計算故障發(fā)生位置。

圖1 雙端行波定位示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-ended traveling wave positioning

在圖1中，當線路發(fā)生故障，故障點向線路兩端發(fā)送故障信號，行波信號發(fā)送到監(jiān)測裝置1 所需時間為t1，行波信號發(fā)送到監(jiān)測裝置2 所需時間為t2，故障點和監(jiān)測裝置1的距離為L1，故障點和監(jiān)測裝置2的距離為L2，兩套監(jiān)測裝置之間的距離為L，則有：

分布式故障診斷系統(tǒng)架構如圖2 所示，包括監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)中心以及客戶端3 個部分。監(jiān)測終端包含取電CT、羅氏線圈電流傳感器、GPS授時模塊、采集模塊、4G通信模塊等，監(jiān)測終端主要技術參數(shù)如下：采樣率為50 MHz；行波測量范圍為0.5 A～2 000 A；帶寬為0.5 kHz～1 MHz。

圖2 分布式行波監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of distributed traveling wave monitoring system

2 故障定位技術優(yōu)化分析

由于架空輸電線路故障定位受線路長度、故障行波波速和故障行波波頭的作用，通過設置一種誤差模型進行分析，如圖3所示。在圖3中，假設架空輸電線路理論長度為L，實際長度為αL，α為修正參數(shù)，該參數(shù)和弧垂、波速、波頭有關，當輸電線路某點發(fā)生故障，故障點和監(jiān)測裝置1 的距離為x，則故障點和監(jiān)測裝置2的距離為αL - x。

圖3 帶誤差模型雙端定位原理圖Fig.3 Schematic diagram of double-ended positioning with error model

式（4）中，Δx為故障位置和監(jiān)測裝置1的實際距離與故障位置和監(jiān)測裝置1 的理論距離差。因此，架空輸電線路故障定位和線路長度、波速和波頭衰減有關。

2.1 線路長度的影響

假設架空輸電線路的弧垂相等，桿塔之間的距離相等為l，線路長度為桿塔距離的α倍，α ＞1，監(jiān)測裝置之間的距離為L，那么輸電線路長度是(L l)×αl=αL。如果故障行波波頭沒有衰減，根據(jù)圖3，實際故障點和監(jiān)測裝置1的距離x′為：

那么，由于線路長度引起的定位誤差為：

于是，如果得到修正系數(shù)α，那么架空輸電線路故障定位精度和線路走廊長度有關，監(jiān)測裝置距離越遠，定位準確度越低。

2.2 波頭衰減的影響

由于監(jiān)測裝置采集故障行波的關鍵是波頭，而隨著暫態(tài)故障行波向兩端傳輸?shù)倪^程中，行波波頭幅值降低，波頭變緩，如果監(jiān)測裝置采集行波延遲1 μs，那么，帶來的定位精度差距約為300 m，因此，需要提高監(jiān)測裝置的采樣精度，避免行波在遠距離傳送過程中產(chǎn)生的誤差，此外，盡量縮短監(jiān)測裝置之間的距離，必要時，架空輸電線路中可以多點布置監(jiān)測裝置。

2.3 波速的影響

輸電線路中故障行波的波速小于光速C，范圍是0.936C至0.987C，假設線路長度準確，并且行波波頭沒有衰減，根據(jù)圖3 可得，當架空輸電線路發(fā)生故障時，故障點和監(jiān)測裝置1之間的理論距離為：

在式（7）中，v 為理論波速，v0為實際波速。于是，理論波速和實際波速的定位誤差為：

因此，如果行波波速已知，那么故障定位準確度僅僅受故障位置的影響。當監(jiān)測裝置之間的距離確定，理論波速和實際波速越接近，故障定位越準確。如果行波波速一樣，監(jiān)測裝置之間的距離越大，故障定位準確度越低。如果故障發(fā)生在線路中間位置，那么故障定位沒有誤差，故障點離線路中間點越遠，定位準確度越低。為了消除波速對于故障定位的影響，通常采用在線波速測量技術，可以有效減少波速和線路長度的影響，提高故障定位精度。

3 結語

本文通過分析線路長度、波頭和波速對于架空輸電線路故障定位的影響，為了提高故障定位準確度，監(jiān)測裝置之間的距離小于線路實際長度，并且測量在線波速，可以有效減小定位誤差。研究發(fā)現(xiàn)：

1）當架空輸電線路發(fā)生故障時，故障點和監(jiān)測裝置距離越近，故障定位準確度越高。

2）采用在線測量波速的方法，可以提高故障定位準確度；如果故障行波沒有采用在線測量波速方法，則故障定位存在一定的誤差。

3）理論波速和實際波速越接近，故障定位準確度越高，當架空輸電線路故障點位于線路中點時，定位誤差最小。

［參考文獻］（References）

［1］ 黃福高，玉聰，莫小向，等.基于PSCAD的110 kV架空線路接地故障下地電位行波仿真研究［J］.電工技術，2020，（09）：38-41.HUANG Fugao，YU Cong，MO Xiaoxiang，et al.Study on simulation of earth potential travelling wave along 110 kV overhead transmission line under ground fault based on PSCAD［J］.Electric Engineering，2020，（09）：38-41.

［2］ ZHOU Chengke，YI Huajie，DONG Xiang.Review of recent research towards power cable life cycle management［J］.High Voltage，2017，2（03）：179-187.

［3］ 周宇，韋建城，陳芳百，等.雷擊故障下架空線路地電位行波特征仿真研究［J］.電氣技術與經(jīng)濟，2019，（06）：20-24.

［4］ TANG Zeyang，ZHOU Chengke，JIANG Wei. Analysis of significant factors on cable failure using the cox proportional hazard model［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29（02）：951-957.

［5］ 周承科，李明貞，王航，等.電力電纜資產(chǎn)的狀態(tài)評估與運維決策綜述［J］.高電壓技術，2016，42（08）：2353-2362.ZHOU Chengke，LI Mingzhen，WANG Hang，et al.Review of condition assessment and maintenance strategy of power cable assets［J］.High Voltage Engineering，2016，42（08）：2353-2362.

［6］ Warening J.B.The effects of lightning on overhead lines［C］.Lightning Protection for Overhead Line Systems（Ref. no.2000/137），2000.

［7］ 李成信，劉國威，王琛，等.基于地電位端暫態(tài)電流的雙端行波故障定位方法及系統(tǒng)：CN201911260167.0［P］.2020-04-02.

［8］ Corbett J.，Dudurych I. M.，Escudero M. V.，et al. EMTP analysis of the lightning performance of a HV transmission line［J］. IEE proceedings. Generation，transmission，and distribution，2003，150（04）：1-6.

［9］ 黃榮輝，李勛，張宏釗，等.線纜混合輸電線路故障組合行波測距方法及影響因素研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（05）：73-81.HUANG Ronghui，LI Xun，ZHANG Hongzhao，et al.Research on combined traveling wave fault location method of overhead line-cable hybrid line and influencing factors［J］. Power System Protection and Control，2018，46（05）：73-81.

［10］ Abe M.，Otsuzuki N.Development of a new fault location system for multi-terminal single transmission lines［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（01）：159-168.

［11］ 張波，薛惠中，金祖山，等.遭受雷擊時輸電桿塔及其接地裝置的暫態(tài)電位分布［J］.高電壓技術，2013，39（02）：393-398.ZHANG Bo，XUE Huizhong，JIN Zushan，et al.Transient potential distribution of transmission tower and its grounding device under lightning［J］.High Voltage Engineering，2013，39（02）：393-398.

［12］ Eriksson A J.The incidence of lightning strikes to power lines［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1987，3（02）：859-870.

［13］ Mallst S，Hwang W L.Singularitu detection and processing with wavelets［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1992，38（02）：617-643.

［14］ 寧一，王大志，江雪晨，等.基于零模行波波速特性的配電網(wǎng)單相接地故障測距方法［J］.中國電機工程學報，2015，35（S1）：93-98.

［15］ Reza Iravani，Abner Ramirez I.，Adam Semlyen.Modeling nonuniform transmission lines for time domain simulation of electromagnetic transients［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2003，18（03）：968-974.

［16］ 尹項根，林福昌，曾祥君，等.電力線路保護方法及用于該方法的行波傳感器：CN00131128.X［P］.2001-04-03.

［17］ 鄧豐，李欣然，曾祥君，等.基于波形唯一和時-頻特征匹配的單端行波保護和故障定位方法［J］.中國電機工程學報，2018，38（05）：1475-1487.DENG Feng，LI Xinran，ZENG Xiangjun，et al.Research on single-end traveling wave based protection and fault location method based on waveform uniqueness and feature matching in the time and frequency domain［J］.Proceedings of the CSEE，2018，38（05）：1475-1487.

［18］ 李振興，吳李群，田斌，等.不同步雙端數(shù)據(jù)修正波速的單端行波測距算法研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2017，45（08）：16-22.LI Zhenxing，WU Liqun，TIAN Bin，et al.Single-terminal traveling wave location algorithm based on amending wave velocity［J］.Power System Protection and Control，2017，45（08）：16-22.

［19］ JIAO Xiangqing，LIAO Yuan. Accurate fault location for untransposed/transposed transmission lines using sparse wide-area measurements［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2016，31（04）：1797-1805.

［20］ 伍國興，徐曙，李勛，等.一種架空線—電纜混合線路的組合行波測距方法［J］.水電能源科學，2017，35（07）：186-188，162.WU Guoxing，XU Shu，LI Xun，et al.A combined traveling wave fault location method of overhead line-cable hybrid line［J］.Water Resources and Power，2017，35（07）：186-188，162.

［21］ Roberto Benato，Sebastian Dambone Sessa，Michele Poli，et al.An online travelling wave fault location method for unearthed-operated high-voltage overhead line grids［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2018，33（06）：2776-2785.

［22］ 楊曉麗，舒勤.基于單-雙端行波測距原理的配網(wǎng)多端故障定位［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2018，30（04）：

91-96.YANG Xiaoli，SHU Qin.Distribution network fault location based on single-and double-end traveling wave distance measurement principle［J］.Proceedings of the CSU-EPSA，2018，30（04）：91-96.

［23］ 柏亭瀟，張斌，董洪智，等.行波法在高壓輸電線路故障定位檢測中的應用［J］.電工技術，2020，（20）：46-47，49.BAI Tingxiao，ZHANG Bin，DONG Hongzhi，et al.Application of traveling wave method in fault location and detection of high voltage transmission line［J］. Electric Engineering，2020，（20）：46-47，49.

［24］ 齊鄭，杭天琦，林健雄，等.含單相配電支路的配電網(wǎng)單相接地故障行波測距技術［J］.電力系統(tǒng)自動化，2018，42（20）：144-149，176.QI Zheng，HANG Tianqi，LIN Jianxiong，et al.Technology of traveling wave fault location on single phase-to-ground fault in distribution network with single-phase power supply lines［J］.Automation of Electric Power Systems，2018，42（20）：144-149，176.

［25］ 周超凡，鄢發(fā)齊，周良松，等.T接輸電線路故障精確定位方法研究［J］.湖北電力，2017，41（07）：21-26，51.ZHOU Chaofan，YAN Faqi，ZHOU Liangsong，et al.Research on fault location method of t-connected power transmission line［J］.Hubei Electric Power，2017，41（07）：21-26，51.

［26］ 戴海燕，李志東.行波故障測距技術在500 kV 輸電線路中的應用［J］.湖北電力，2009，33（02）：61-63.DAI Haiyan，LI Zhidong.The application of travelling wave fault distance measure technology in 500 kV transmission line［J］.Hubei Electric Power，2009，33（02）：61-63.

［27］ 黃河，郭冰.輸電線路雷擊故障分析及雷電定位系統(tǒng)應用［J］.湖北電力，2004，28（03）：56-57.HUANG He，GUO Bing.Lightning fault analysis and the application of its locating system for transmission line［J］.Hubei Electric Power，2004，28（03）：56-57.

［28］ 張友軍，李鵬，徐迪飛，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸電線路故障定位方法［J］.湖北電力，2003，27（06）：15-16.ZHANG Youjun，LI Peng，XU Difei，et al.A fault location algorithm based on ANN for transmission line［J］.Hubei Electric Power，2003，27（06）：15-16.

［29］ 劉韜文，龔慶武，龍志君，等.高壓輸電線路故障定位裝置研究［J］.湖北電力，2002，26（03）：24-27.LIU Taowen，GONG Qingwu，LONG Zhijun，et al.Study on fault locator for high voltage transmission line［J］.Hubei Electric Power，2002，26（03）：24-27.

［30］ 許志武，周學明，畢如玉，等.輸電線路單相接地故障過渡電阻研究［J］.湖北電力，2020，44（02）：27-32.XU Zhiwu，ZHOU Xueming，BI Ruyu，et al. Study on transition resistance of single phase grounding fault in transmission line［J］.Hubei Electric Power，2020，44（02）：27-32.