架空输电线路故障定位技术研究

楚雄供电局 张必朝

随着我国电网建设的迅速发展，架空输电线的分布日益广泛，但其工作条件受到多种因素的制约，发生故障的原因比较复杂。在电网出现短路时，如何迅速、精确地确定电网运行状态是电网运行管理中需要深入研究的一个重要课题[1]。在实际工作中，迅速发现、解决问题是保证电力系统运行的先决条件。由于存在着某些隐性的问题，维护人员很难在短期之内找到问题所在，使维护人员面临着繁重的工作负担[2]。

现有的架空输电线路的故障定位多以行波技术为主。行波技术是一种相对成熟的技术，利用这种技术开发的电力电缆故障诊断技术已广泛地用于架空输电线，从而有效优化了线路的故障定位的技术支撑。

当发生故障行波后，线路的瞬态行波波形会逐渐减小，而且监控设备的安装间距与实际线路的长度有较大的差异。这是因为线路架在安装时，会有一些弧垂，不同的拉力、不同的地形，都可能会造成不同的弧垂，而且在不同的季节、不同的气温、不同的天气，不同的温度，弧垂也都会发生不同的变化[3]。而架空输电的参数与地质、气候等因素有关，在气候严酷的地方，导线参数小于规定的数值。所以在实际应用中，由于导线的长度和参数发生了改变，使定位故障的位置更加困难。

在架空输电线出现故障的时候，由于线路的故障部位产生的行波，会沿着导线向两侧扩展延伸，但由于导线本身的损耗和接触处，会使行波波头产生畸变和衰减，从而造成行波波头的错误，使故障的定位更加困难。此外，由于暂态行波的波速比真空速慢一些，采用真空速进行分析，在计算中如若存在很大的误差，就可能会造成位置误差。

本文介绍了基于双端点定位技术的分布式故障检测方法。在架空传输线发生雷击、外破、鸟害等事故时，电网内会产生瞬时行波，即电压、电流波，沿着输电线路的两端传输。

行波检测方式最初是应用于输电系统的失效位置，而行波定位技术是在20世纪四十年代提出的。在相关的科研工作中，行波信号的传播比较稳定，但是一旦发生故障，就会通过瞬态行波的传输和故障发生的距离来判断。在电力系统中，应用行波法进行故障点的定位，是根据行波传输的原理，对高压输电线进行故障定位。在高压输电线上，故障行波是由电能来传输的，其传输的频率与遥测技术相近。

由此可知，在其传输到母线上的过程中，可以根据信号的变化来进行判断。在特定的故障点位置技术中，最基本的是判断波头的开始和位置，这能够为相关的技术人员带来了更多的技术上的支持，尤其是在测量波头的时候，相关的工作人员必须具备较强的技术素养[4-5]。除此之外，在进行特定的故障点分析时候，由于对线路的变阻器和振幅进行了精确的控制，从而限制了行波头的位置精度，限制了对其实际定位精度的进一步提升。

在被测试的两条线路上各设置一组监控设备，一旦某一部位出现短路，故障行波会将该故障信息传递给另一端，由监控设备接收到该故障信息后，根据该设备所获取的故障信息进行对比，从而得出该设备的故障部位。

双端行波定位如图1所示。

图1 双端行波定位

由图1 可知，如果一条线路出现了问题，那么该故障的位置将一个故障的信号传送到该线路上，该运行信号需要t1的一个时间，该运行周期需要t2的一个周期，一个故障的位置到一个监控设备1 的位置是L1，一个检测设备2的位置到一个监控设备2的位置是L2，两个监控设备的间隔是L，得到方程式（1）。

本文详细介绍了该系统的结构，包括监控终端、数据中心和客户端3 个模块。该监控系统包括取电CT，罗氏线圈电流传感器，GPS 授时模块，采集模块，4G 通信模块等部分。在0.5～2000A 之间进行行波的测试，频段在0.5kHz 到1MHz 之间，50MHz 采样率。

分布式行波监测系统组成如图2所示。

图2 分布式行波监测系统组成

根据线路长度、故障行波波速、故障行波波头等因素对架空线路故障进行了故障诊断。假定架空传输线的理论长度是L，而实际上是αL，而α是与弧垂、波速、波头有关的校正参数，如果在传输线某个地方出现了问题，那么，如果断开位置与监控设备1之间的间隔是x，那么这个问题与监控设备2之间的间距是αL-x。

带误差模型双端定位原理如3所示。

若故障瞬变行波的真实波速为v0，则从产生的地点至监控设备1 的故障行波所需要的时间间隔t1=x/v0。

当故障的行波在发射期间会产生某种衰减，使t"1-t"2=t1-t2+Δt，Δt所表示的是两个监测装置采样故障行波之间的具体差值。

假定故障行波的理论速度是v，则故障地点与监控设备1的真实距x"如式（2）所示。

由公式（3）可知：△x 为故障和监控设备1 之间的真实距离与故障和监控设备1 之间的理论间距差异。

因此，线路的故障位置与线路长度、波速、波头的衰减密切相关。

3.1 线路长度的影响

假设架空输电线路的弧垂等高，则塔间间距为l，导线的长度则等于塔柱间距的α，α>1，监控设备间的间距L，则传输线的长度为：

（Ll）×αl=αL。

在故障线波波头不受阻尼的情况下，真实的故障位置与监控设备1之间的距离x"，为式（4）：

所以由式（4）可知，由于线路长度引起的定位误差为式（5）：

因此，若获得了修正系数α，则导线的故障位置与导线的路径长度相关，且随着导线间距的增加，其定位精度也会降低。

3.2 波头衰减效应研究

由于监控设备对故障行波进行采集的核心是波头，而当瞬时故障行波通过终端传递时，行波波头振幅减小，波头速度减慢，若监控设备所获取的行波信号延时为1μs，则造成的位置偏差为300m左右。

所以，必须改进监控设备的取样准确率，以减少长距离传输时的行波干扰。检测装置之间的距离也需要缩短，在特定的情况下，可以在架空输电线路内多加设一些监测装置。

3.3 波速的影响

输电线路中的故障行波速度与光速C 相比较要低，是0.936～0.987C。如果导线的长度正确，而行波波头不会衰减，则由图3 可知，在导线故障时，故障点与监控设备1 的理论间距为式（6）：

图3 带误差模型双端定位原理

在式（6）中，理论波速度为v，真实波速度为v0。因此，对理论波速度与实际速度的位置偏差为式（7）。

因而，若已知行波波速度，则对故障点的定位精度产生一定的误差。在测量设备间距的同时，随着测量仪器的理论速度和实测速度的变化关系，对设备的故障位置进行了精确的分析。当线路速度相同时，设备间距增大，则故障位置精度降低。若在线中部出现故障，则无错误的定位，且距中心线距离愈近，则定位精度愈差。在线波速度测试中，一般都会使用在线波速度的检测方法，这样可以减小波速度、线长等因素的干扰，从而改善故障的位置。

本文分析了线路长度、波头、波速等因素对线路故障定位的作用，提出了一种基于线路长度、波头和波速的检测方法，监测装置之间距离与线路相比较要小，能够实现在线波速测量，提高定位的精准度，避免出现误差。在架空传输线故障的情况下，随着故障位置与监控设备的接近，其故障位置的精度也相应提高。通过在线检测波速度，可以更好地改善故障的位置精度。如果不能利用波速法对线路进行实时检测，将会导致线路的故障位置出现偏差。随着理论波速度与实测波速度的关系，故障位置精度较高。

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