帶電作業(yè)故障距離識(shí)別技術(shù)研究

寧夏送變電工程有限公司 周宇杰

近年來(lái)，電力設(shè)備得到了批量化生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。目前，電力系統(tǒng)輸電距離較遠(yuǎn)，規(guī)模較大，電壓等級(jí)也較高，雖然輸電能力得到了極大的提升，但是也帶來(lái)了新的問(wèn)題，在惡劣的外部環(huán)境中輸電線路故障率較高，為了提升電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行檢修和維護(hù)，及時(shí)檢測(cè)出輸電線路運(yùn)行狀態(tài)，以及故障類(lèi)型和故障位置，采取有效措施對(duì)故障進(jìn)行解除。

為了保持在故障檢測(cè)和維修過(guò)程中，電力系統(tǒng)仍然能夠保持正常供電，降低電力企業(yè)損失，需要在帶電情況下開(kāi)展故障識(shí)別和故障定位，這種檢修方式稱之為帶電作業(yè)。帶電作業(yè)故障檢修具有一定的危險(xiǎn)性，為了促進(jìn)電力事業(yè)發(fā)展，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展對(duì)該方面研究，并提出了一些帶電作業(yè)故障距離識(shí)別技術(shù)思路。常用的識(shí)別技術(shù)主要為基于人工智能的故障距離識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)是利用人工智能算法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中算法計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)計(jì)算誤差，從而導(dǎo)致對(duì)故障距離識(shí)別也存在較大的誤差，已經(jīng)無(wú)法滿足輸電線路帶電作業(yè)故障距離識(shí)別精度方面需求，為此提出此次課題研究。

1 帶電作業(yè)故障距離識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)

此次在識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用行波法理論，引入行波法理論對(duì)輸電線路故障時(shí)域特征進(jìn)行分析，根據(jù)電磁波發(fā)射時(shí)間信號(hào)與反射時(shí)間信號(hào)確定故障距離。考慮到帶電作業(yè)故障識(shí)別需求，此次利用電流互感器對(duì)輸電線路故障信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)行波信號(hào)處理和分析確定輸電線路運(yùn)行狀態(tài)和故障類(lèi)別，并以此為依據(jù)進(jìn)行故障距離識(shí)別，下文將分別對(duì)電流互感器采集故障信號(hào)、帶電作業(yè)故障分析和識(shí)別故障距離三個(gè)部分技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 電流互感器采集故障信號(hào)

行波法理論是將輸電線路發(fā)生故障時(shí)所產(chǎn)生的電壓和電流走向作為行波信號(hào)，因此在對(duì)故障距離進(jìn)行計(jì)算之前，需要獲取到輸電線路故障信號(hào)，即故障電路電壓和電流。考慮到該技術(shù)需要滿足帶電作業(yè)要求，此次采用電流互感器進(jìn)行非接觸式采集待檢輸電線路的故障數(shù)據(jù)。為了滿足故障距離識(shí)別實(shí)際需求，此次選擇的互感器為型號(hào)為GUYD電流互感器，該互感器體積較小，線圈采用的是銅芯線圈[1]。電流互感器是將金屬線作為測(cè)量導(dǎo)線，將其均勻地纏繞在非磁性材料的框架上形成磁鏈，磁鏈包括內(nèi)磁鏈和外磁鏈，其用公式表示為：

1.2 帶電作業(yè)故障分析

根據(jù)采集到的輸電線路運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)和故障類(lèi)型進(jìn)行分析，根據(jù)行波法原理，含有故障點(diǎn)的輸電線路上的電壓和電流會(huì)沿著線路以接近光的速度進(jìn)行傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)故障點(diǎn)N時(shí)，電流與電壓會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象與反射現(xiàn)象，將故障點(diǎn)前端的輸電線路設(shè)定為線路A，將故障點(diǎn)后端的輸電線路設(shè)定為線路B，故障點(diǎn)為線路電壓與電流行波阻抗點(diǎn)，如果在該輸電線路上確實(shí)存在故障，根據(jù)行波反射與折射原理，可以得到線路A與線路B上電壓行波、電流行波與波阻抗之間的關(guān)系，用公式表示為：

公式（2）中，u1表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的故障電壓行波；u1z表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的入射電壓行波；u1f表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的反射電壓行波；i1表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的故障電流行波；i1z表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的入射電流行波；i1f表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)前端線路A的反射電流行波；u2表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)后端線路B的故障電壓行波；u2z表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)后端線路B的反射電壓行波；i2表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)后端線路B的故障電流行波；i2z表示被測(cè)輸電故障點(diǎn)后端線路B的反射電流行波[3]。將采集到的輸電線路運(yùn)行數(shù)據(jù)代入到上述公式中，如果符合該關(guān)系，則判定該輸電線路存在故障[4]。線路A與線路B是被故障點(diǎn)分隔開(kāi)來(lái)的同屬于同一條輸電線路，因此其故障電壓與電流行波具有一致性關(guān)系，假設(shè)被測(cè)輸電線路的行波入射系數(shù)為α，被測(cè)輸電線路的行波反射系數(shù)為β，這兩個(gè)系數(shù)存在以下關(guān)系：

根據(jù)公式（2）和公式（3），可以推導(dǎo)出以下結(jié)論：

結(jié)論1：當(dāng)故障點(diǎn)前端線路的波阻抗與故障點(diǎn)后端線路的波阻抗相等時(shí)，此時(shí)被測(cè)輸電線路的行波入射系數(shù)為1，行波反射系數(shù)為0，不存在任何反射波；結(jié)論2：當(dāng)故障點(diǎn)前端線路的波阻抗大于故障點(diǎn)后端線路的波阻抗時(shí)，此時(shí)被測(cè)輸電線路的行波入射系數(shù)大于1，行波反射系數(shù)大于0，電壓暫態(tài)行波在故障點(diǎn)N處發(fā)生正反射；結(jié)論3：當(dāng)故障點(diǎn)前端線路的波阻抗小于故障點(diǎn)后端線路的波阻抗時(shí)，此時(shí)被測(cè)輸電線路的行波入射系數(shù)小于1，行波反射系數(shù)小于0，即入射波小于反射波，電壓暫態(tài)行波在故障點(diǎn)N處發(fā)生負(fù)反射。

基于以上得出結(jié)論和實(shí)際輸電線路運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)輸電線路故障類(lèi)型進(jìn)行分析。輸電線路故障主要為短路和斷路以及金屬性接地故障。如果是短路故障，電流與電壓流經(jīng)到故障點(diǎn)，受故障影響無(wú)法正常傳播，電流與電壓向相反方向傳播，此時(shí)形成反射電壓與反射電流，根據(jù)結(jié)論1可得，反射電流行波與入射電流行波具有同極關(guān)系，故障點(diǎn)的電流值是入射電流值的兩倍，電壓值為0[5]。

如果是斷路故障，被測(cè)輸電線路的電壓行波與電流行波傳播到斷路點(diǎn)時(shí)，受斷路影響故障點(diǎn)后端的波阻抗為零，此時(shí)輸電線路反射電壓行波與入射電壓行波相反，根據(jù)結(jié)論2可得故障點(diǎn)電壓值為零，入射電流行波是反射電流行波的兩倍。如果是金屬性接地故障，被測(cè)輸電線路的故障暫態(tài)行波傳播到故障點(diǎn)時(shí)，受故障影響故障點(diǎn)后端的波阻抗會(huì)逐漸增大，根據(jù)結(jié)論3可得，被測(cè)輸電線路入射電流行波與反射電流行波逐漸增大，攝入電壓行波與反射電壓行波會(huì)逐漸減小，最后為0。根據(jù)以上分析確定故障類(lèi)型。

1.3 識(shí)別故障距離

根據(jù)故障初始行波信號(hào)達(dá)到線路兩端的時(shí)間差識(shí)別出輸電線路故障距離。根據(jù)線路電壓行波與電流行波的反射規(guī)律可知，由于輸電線路兩端存在邊界元件，輸電線路電壓行波輸送到故障點(diǎn)時(shí)發(fā)生反射現(xiàn)象，形成反射行波，反射行波達(dá)到輸電線路邊界元件后在此發(fā)生反射現(xiàn)象，形成新的反射行波，其傳播過(guò)程如圖1所示。

圖1 故障暫態(tài)行波傳播圖

如圖1所示，存在故障的輸電線路電壓、電流反射行波與正常行波存在較大的區(qū)別，因此可以根據(jù)故障暫態(tài)行波時(shí)域特征識(shí)別出故障距離。根據(jù)圖1，可得故障點(diǎn)前端線路電壓行波時(shí)域：

公式（4）中，Ru表示輸電線路故障電壓暫態(tài)行波傳播時(shí)間；n表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)輸電線路前端邊界元件的反射次數(shù)；m表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)前端線路入射次數(shù)；g表示故障點(diǎn)前端線路的波阻抗；v表示故障點(diǎn)后端線路的波阻抗；e（t）表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)輸電線路前端邊界元件多次反射后的反向行波；r（t）表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)輸電線路前端邊界元件多次反射后的前向行波；n1表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)輸電線路后端邊界元件的反射次數(shù)；m1表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)的反射次數(shù)；k表示故障電壓行波經(jīng)過(guò)多次反射后在故障點(diǎn)透射到的反向電壓行波傳播時(shí)間；f表示故障電壓反射行波經(jīng)過(guò)多次反射后在故障點(diǎn)透射到的前向電壓行波傳播時(shí)間；q（t）表示故障電流行波經(jīng)過(guò)多次反射后在故障點(diǎn)透射到的反向電流行波傳播時(shí)間；h（t）表示故障電流行波經(jīng)過(guò)多次反射后在故障點(diǎn)透射到的前向電流行波傳播時(shí)間。將其與正常狀態(tài)輸電線路電壓行波傳播時(shí)間比較，得出時(shí)間差，再根據(jù)行波傳播速度可以識(shí)別出故障距離，其公式為：

公式（5）中，γ表示輸電線路故障距離；R表示正常狀態(tài)輸電線路電壓行波傳播時(shí)間；s表示行波在輸電線路上的傳播速度。利用上述公式識(shí)別出故障距離，從而實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)故障距離識(shí)別。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

試驗(yàn)以某高壓輸電線路為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該輸電線路長(zhǎng)度約10000m，輸電線路存在老化現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生短路、斷路等故障，試驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行帶電作業(yè)故障距離識(shí)別。試驗(yàn)中將電流互感器工作電壓設(shè)定為220V，動(dòng)作時(shí)間設(shè)定為0.15s，信號(hào)發(fā)射頻率設(shè)定為1.23Hz，利用電流互感器采集到故障信號(hào)共15.26GB，采集時(shí)間為5h。試驗(yàn)中檢測(cè)到輸電線路斷路故障55個(gè)，短路故障24個(gè)，金屬性接地故障18個(gè)，故障距離識(shí)別情況如下表所示。

表1 帶電作業(yè)故障距離識(shí)別情況

試驗(yàn)共識(shí)別80次，每識(shí)別10次后統(tǒng)計(jì)兩種技術(shù)識(shí)別誤差，以識(shí)別誤差作為檢驗(yàn)兩種技術(shù)可靠性指標(biāo)，《高壓輸電線路帶電作業(yè)故障距離識(shí)別技術(shù)規(guī)范》GB/T16544-2010規(guī)定，識(shí)別結(jié)果最大誤差不能超過(guò)0.25m，根據(jù)該技術(shù)要求對(duì)兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種技術(shù)識(shí)別誤差對(duì)比（m）

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)技術(shù)平均誤差為0.009m，最大識(shí)別誤差僅為0.012m，按照《高壓輸電線路帶電作業(yè)故障距離識(shí)別技術(shù)規(guī)范》GB/T16544-2010規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)技術(shù)可以達(dá)到其要求；而傳統(tǒng)技術(shù)平均誤差為1.136m，最大識(shí)別誤差為1.485m，不僅沒(méi)有滿足技術(shù)規(guī)范要求，而且還遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)技術(shù)，因此試驗(yàn)證明了在識(shí)別精度方面，設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，識(shí)別結(jié)果與真實(shí)情況基本一致，值得被廣泛應(yīng)用到帶電作業(yè)故障距離識(shí)別中。

3 結(jié)語(yǔ)

本次以行波法理論作為理論依據(jù)，結(jié)合帶電作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種新的輸電線路故障識(shí)別技術(shù)，有效提高了帶電作業(yè)故障距離識(shí)別精度，能夠真實(shí)地反映出輸電線路具體故障信息，能夠?yàn)檩旊娋€路故障維修提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，有效提高輸電線路故障檢測(cè)、識(shí)別、維修效率，具有良好的現(xiàn)實(shí)研究意義。