基于地线分流实现直流输电线路接地故障区段定位的方法

2012-09-22许金明

电气技术 2012年11期

王法曾东许金明张勇

（嘉兴电力局，浙江嘉兴 314001 ）

高压直流输电的蓬勃快速发展，对直流输电线路的运维管理提出了新的要求。研究如何利用先进科技手段来帮助运维单位全面掌控输电线路的实时运行状态，如何及时发现线路隐患、快速查找和消除各类故障，提高运维单位对沿线因为环境变化、通道异常、自然灾害、外力破坏等因素发生故障时的反应能力和预控能力，是各运维单位共同关注的话题。

目前，跨区直流输电线路由沿线不同的单位分段运维，各相邻单位之间的责任明确，界线分明。线路故障定位装置一般设置在两侧换流站内，由于不同运维单位还未完全实现信息共享，使各区段的线路运维单位在获取故障信息方面存在时延，故障信息即时内容掌握程度有限，影响了运维单位应急能力。通常做法是保守地派出过剩人力进行故障查找和处理，尤其是当故障发生在不同运维单位的分界点附近时，由于担心存在信息传递误差，往往需要临近运维单位同时派员查找或待命抢修，从而浪费了人财物资源。

针对直流线路分段运维的特点，研究出造价低、安装灵活、定位准确、且不影响线路安全稳定运行的故障定位装置，来指导运维单位快速应急能力，不失为一种行之有效的辅助措施。

1 常规故障定位方法比较

现实经常采用的故障定位方法，按照工作原理可以分为行波法、阻抗法、故障分析法、智能化测距法等。其中行波法是根据行波理论实现的测距方法，行波测距装置现已广泛应用于电力系统；阻抗法和故障分析法本质上没有区别，都是分析短路后的故障特征量，利用短路计算的逆运算求解故障距离。故障分析法依据电压电流的测量值，通过故障分析根据各种特征构造各种原理（如阻抗与距离成正比，用两端数据计算到的故障点电压相等，过渡电阻的纯阻性等）的测距方程，进行故障测距[1]；智能化测距法是将各种智能技术之问的交叉结合，如模糊专家系统，模糊神经网络，神经网络专家系统等相继提出，但大多数还处于研究阶段，还有待于各种智能技术的发展和成熟[2-3]。

以上的故障定位方法若应用在直流输电线路的中间某区段定位，实现难度较大。首先，为确保线路安全运行，故障信号采集设备不建议安装在输电线路的高电位（导线）上。其次，从性价比方面考虑，不主张采用体积庞大的电气设备。并且，不同运维单位所辖的直流输电线路长度一般只有30～200km，远小于故障行波波长，故障行波的折反射时间太短，若在某区段安装行波测量装置，难以准确测量得到故障行波的波头，双端时钟的误差也会使故障定位准确性大打折扣。

2 基于地线分流实现故障定位的理论基础

直流输电线路的故障类型可分为雷击、对地闪络、高阻接地、与交流线路碰线和断线5种类型[4]。其中高电阻接地、交流线路碰线和断线故障类型在高压直流输电线路中发生的概率较小，此类故障信息可以通过两侧换流站的故障定位设备反馈而得。直流输电线路一般以遭受雷击、污秽、雾雨等环境因素所造成线路绝缘水平降低而产生的对地闪络为主，本文主要针对此类故障进行定位方法研究。

一般来说，直流输电线路的地线与杆塔采用非绝缘连接方式，闪络接地的故障电流在杆塔地线上将会产生分流，若能找出分流规律，并在杆塔地线上安装故障电流传感器，检测和采集故障电流方向，将信号通过无线传输至后台分析软件，通过判断电流方向实现故障定位，并将定位结果结合输电线路在线监测系统适时向关人员短消息预警，从而指导应急排查和抢修工作。

本文根据检测故障点两侧地线上故障电流方向，当故障电流方向相反时判断为故障区段。

3 研究模型及分析

建立跨区直流输电线路中间某段线路模型，假定某单位负责线路中间段某8基杆塔的运维工作。在各杆塔的同一侧同一根地线上安装统一规格的电流传感器（以符号“a”代表电流传感器），用于采集故障电流的方向。通常，直流输电线路接地故障可能有以下3种发生情况。

3.1 杆塔上发生接地故障

假设在#T5杆塔上发生导线接地故障，导线故障总电流方向I0假定流向故障点。根据基尔霍夫电流定律（KCL）和杆塔电气模型，I0一部分经故障杆塔的接地装置流入大地（ID0），另一部分IT5由地线向线路两侧进行分流。当然，各分流系数因为杆塔的接地阻抗、地线阻抗、故障点位置等不同，难以做定量研究，但是，分析单根地线的故障电流方向可以得出定性的结论，模型如图1所示。

图1 #T5塔上发生接地故障时单根地线分流示意图

根据以上电流方向的假设，杆塔#T5故障电流TT5向两侧地线分流（根据KCL可知I4电流方向往左，I5电流方向往右）。分析杆塔#T6，因为地线直接与杆塔连接，故障电流 I5一部分经杆塔入地（IT6），另一部分由大号侧两根地线分流，即电流绝对值I5＞I6，且#T6大号侧地线电流方向向右，以此类推。同样方法可以分析小号侧电流规律，从而得出定性结论：

1）#T5大号侧故障电流方向一致向右，电流绝对值大小随塔号的增加逐基递减；

2）#T5小号侧故障电流方向一致向左，电流绝对值大小随塔号的减小逐基递减；

a4与a5采集所得的电流方向相反，即塔T5两侧电流方向相反。

3.2 档中央发生导线与地面物体放电故障

假定在#T4-#T5档某处发生导线与地面物体放电故障，且假定故障总电流I0方向由导线流向大地。故障电流通过大地散流后，在相邻两侧杆塔上产生分流IG4、IG5，其他杆塔因为距离故障点较远，故障电流I0经大地散流至杆塔上的电流很小，几乎可以忽略。IG4、IG5分流与故障点在档内的位置、大地散流系数分布、地线与杆塔阻抗等有关，难以定量故障档地线上电流I4大小和方向。就I4电流方向而言，总结起来，不外乎两种情况：方向向左或者向左。

1）当故障电流I4方向向左

此时其分流模型如图2所示。

图2 #T4－#T5档中央发生对地面放电时单根地线分流图（I4方向向左）

分析单根地线上的故障电流，根据3.1的同样的分析原理，#T4小号侧故障电流方向一致向左，电流大小随塔号的减小逐基递减。#T5大号侧故障电流方向一致向右，电流大小随塔号的增加逐基递减。

a4与a5采集所得的电流方向相反，即#T5两侧电流方向相反。

2）当故障电流I4方向向右

此时其分流模型如图3所示。

图3 #T4－#T5档中央发生对地面放电时单根地线分流图（I4方向向左）

a3与a4采集所得的电流方向相反，即#T4两侧电流方向相反。

3.3 档中央发生导线与地线碰触故障

假设在#T4和#T5档中央某处发生导线与地线碰触接地故障，故障总电流I0方向由导线流向地线。接地电流I0在故障点完全由地线向两侧分流，建立分流模型如图4所示。

图4 #T4－#T5档中央发生与地线碰触单根地线分流图

此类故障分析原理与3.1相同，结论如下：

（1）#T5大号侧故障电流方向一致向右，电流大小随塔号的增加逐基递减。

（2）#T4小号侧故障电流方向一致向左，电流大小随塔号的减小逐基递减。

a4与a5采集所得的电流方向相反，即#T5两侧电流方向相反。

4 故障定位方法

根据以上接地故障电流模型的分析，直流输电线路接地故障可以根据相邻电流传感器的电流方向作为判断依据，实现故障区段定位（见模型图中的椭圆形虚线框）。若相邻电流传感器采集所得电流方向一致，则说明该定位单元内未发生接地故障。反之，电流方向相反时，可判断其接地故障位于该相邻电流传感器之间杆塔上或该相邻档内，即故障电流方向相反时的相邻电流传感器之间发生了接地故障准确判断故障电流的方向是本方法实现故障区段定位的关键。电流传感器的设计应能采集精确并且安装便捷，选用统一规格的电流传感器，其安装位置位于同一侧同一根地线上，且紧靠地线线夹出口处，其最小定位单元为两相邻电流传感器安装点之间的各段线路。

5 应用情况

该方法在嘉兴电力局所辖的±800kV复奉线#3585－#3674段线路上试应用。研究人员在复奉线42km线路范围内每隔15基杆塔的同一根地线上安装了同一规格的电流传感器，共6套，目的是将42km线路缩小至 10km定位区段（今后逐步推广在每基杆塔上安装电流传感器，实现最小定位单元为某一档）。现场电流传感器故障数据通过GPRS实时传输至后台分析软件，并在嘉兴电力局输电线路在线监测系统中集成展示故障分析结果，通过短消息及时向有关人员预警，系统总结构图如图 5，故障定位在线监测平台如图6。

图5 系统总结构图

图6 故障定位在线监测平台

因为嘉兴段±800kV复奉线运行至今未曾发生过接地短路等故障，以上系统未能检测到实际故障数据。但是，在研究过程中依据以上理论方法进行大量的仿真试验，仿真模型为±800kV复奉线，模型中导线采用贝杰龙等效电路，两端线路采用一般输电线路的等效π模型，接地故障发生点在嘉兴电力局所辖的某档某极导线上。并通过 ATP(Alternative Transient Program，一种EMTP仿真软件)电力系统电磁暂态仿真分析软件进行每组试验数据的分析，得出一致的结论：故障点前、后定位区段地线上的故障电流方向相反，且同一续流时间下地线上故障电流绝对值大小随着远离故障点方向逐基递减。表1是#3594－#3595档负极性导线上发生接地故障时，每隔4档地线上电流传感器采集的一组仿真试验数据。