移频测试高压输电线路离线故障检测

郑伟，拜润卿，智勇，杨勇，石立光，万健如

（1.甘肃电力科学研究院，兰州 730000；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

移频测试高压输电线路离线故障检测

郑伟1，拜润卿1，智勇1，杨勇1，石立光2，万健如2

（1.甘肃电力科学研究院，兰州 730000；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072）

在新建输电线路或改造工程中的输电线路中，其二次系统的继电保护装置无法满足输电线的离线检测。为此，提出了一种基于移频测试原理的高压输电线路离线故障检测方法，拟采用40 Hz和60 Hz两种频率的异频电源对传输线进行参数测试，能有效避免工频干扰；以新建线路的单相接地短路故障为例，采用正序和零序电阻解方程法。通过仿真分析表明，该方法能够快速、精确地查找大线路的故障点。

高压输电线；移频测试；离线检测；故障测距；故障点

高压输电线路故障检测在输电系统中起着越来越重要的作用，输电线的在线故障检测与定位是研究的热点，二次系统的继电保护装置检测故障后发出报警信号，直接将故障部分隔离、切除。目前，常用的故障定位方案包括暂态行波定位法和线路参数定位法。暂态行波法的原理简单，但是其检测与定位需投入较大的设备，且接收电压和电流行波的仪器需要较高的精度；而线路参数定位法设备投入少，虽然其算法易受线路的分布参数、运行方式、运行阻抗及负载电流的影响，但在实际应用中较多。

随着新能源技术的发展，风力发电、太阳能发电以及核电等需要远距离高压输电。然而在这些输电线路中存在着接地短路或开路的故障隐患。为此快速检测输电线路是否故障，并准确查找到线路的故障点，能够提高施工人员的工作效率，给电网公司带来最大利润。

本文根据输电线路投入输电时的安全要求，提出了一种基于移频测试原理的高压输电线路离线故障检测法，拟采用异频电源进行40Hz和60Hz两种频率的数据采集和计算分析，能够有效避免工频感应电压的干扰。重点针对输电线路的易产生的单相接地故障采用正序阻抗及零序阻抗的两种解方程算法进行了系统分析[1]。

1 移频测试输电线参数

工频法测量输电线路参数时易受临近线路的干扰，故采用输出40 Hz和60 Hz两种频率的异频电源对传输线进行参数测试，能够有效地避开现场的工频干扰。

1.1 移频法工作原理

移频法测试接线如图1所示。

图1 移频法测试接线Fig.1Wiring for frequency shift tests

采用异频电源代替传统的工频电源作为测试电源，施加到被测试输电线路上，通过数据采集卡，将异频电压与电流信号滤波处理，然后计算机处理算法进行合理的折算，由此得到线路的工频参数，确定线路是否故障，以及故障点位置[1，2]。

1.2 测量注意事项

在试验开始前需要首先了解线路长度、导线型号，试验过程中必须先将被测试线路的测试端三相短路接地，再接入测试仪表、测试电源，完成测试接线，最后断开测试端短路接地线进行测量。

2 测距算法

由文献[3]的分析可知，虽然迭代法的可靠性很高，但其收敛至伪根甚至不收敛都是不可避免的。因此，针对这一问题，本文采用将测距问题转化为一个求解二次方程解的问题，得到二次方程的两个根中总有一个根近似为真实的故障距离。通过将正序阻抗解方程法与零序阻抗解方程法相结合，得到两者的一个近似解，可以去除伪根，得到真正准确的故障距离。

2.1 单端测试数学模型

假设输电线为均匀传输线，其线路参数恒定。采用图2所示的两端系统，其线路总长为L，故障点到测距点M的距离百分比为λ。在单相接地故障时，故障网络可分为三序网络，为了比较精确地测距，采用正序、零序等效网络[4]，则其M端的电压如下。

正序方程为

式中：If为流经Rf上的故障电流；IFM为流经测距装置的电流；且有

式中，ZM1、ZN1、ZL1为两侧系统及线路的正序阻抗。在本文中只考虑了单相接地故障，而对于线路的不同故障，Uma、Ia、IFM有不同的表达式[4]。

零序方程为

式中：If0为流经Rf上的零序故障电流；Im0为流经测距装置的零序电流；且有

式中，ZM0、ZN0、ZL0为两侧系统及线路的零序阻抗。

图2 单端故障测试系统Fig.2Testing system for single ended fault tests

2.2 正序与零序阻抗解方程法

正序阻抗解方程法包括基于瑞典通用电气公司的故障定位算法ASEA（Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget）算法[5]和正序解方程法；零序阻抗解方程法包括基于零序电流相位修正法和零序解方程法[3]。本文采用ASEA算法和零序解方程法进行仿真计算，在所得的结果中保留近似的根，去除不相等的根，通过求取平均数，能够实现故障位置的准确定位。

2.2.1 ASEA算法

由基本方程式（1），将表达式分为实部、虚部，消去过渡电阻Rf后化简，以λ为变量，得到二次方程为

2.2.2零序解方程法

用式（3）按照第2.2.1节的推导方法可解得故障距离的二次方程为

当用于单回线故障测距时，若输电线路无故障，则输出实际的输电线路的工频参数；一旦判断输电线路出现接地故障，则根据上述两种算法分别算出两个二次方程的解，必有一解近似相同，求取平均数即为实际输电线路的故障点所在位置。

3 仿真分析

本文通过电力系统电磁暂态计算软件PSCAD（power systems computer aided design）对单相接地故障检测定位的正序与零序电阻解方程法进行了仿真实验。

仿真参数如下：线路全长300 km，过渡电阻Rf=100 Ω，在线路F点处发生短路故障。M端系统阻抗为ZM1=j6.1 Ω，ZM0=j7.1 Ω；输电线路的等效正序阻抗为ZL1=（17.1+j359.1）Ω；输电线路的等效零序阻抗为ZL0=（396+j845.4）Ω；线路单位长度的正序电容c1=0.012 μF/km；输电线路单位长度的零序电容c0=0.001 μF/km。

PSCAD仿真模型如图3所示。仿真计算结果如表1所示。

图3 PSCAD仿真模型Fig.3PSCAD simulation model

表1 单相接地短路故障仿真结果Tab.1One-phase grounding fault simulation results

4 结语

通过采用异频电源，对输电线路进行40 Hz和60 Hz两种频率的数据采集，有效地避免了工频电压的干扰，为故障检测与定位提高了准确性。

结合ASEA算法和零序解方程法求解二次方程的根，取两方程根的平均数。通过PSCAD仿真验证了该种方法的准确性。

本文方法可以有效实现高压输电线路的离线故障检测，提高施工人员的工作效率。

[1]马明，戴瑞海，王文敏（Ma Ming，Dai Ruihai，Wang Wenmin）.基于异频法的架空输电线路工频参数测量与分析（Measuring and analyzing of power frequency parameters for overhead transmission lines based on non power frequency method）[J].电力学报（Journal of Electric Power），2008，23（4）：333-335.

[2]孙柯，岳志刚，刘苍松（Sun Ke，Yue Zhigang，Liu Cangsong）.高压输电线路工频参数的移频测量方法（Shiftfrequency measure method of HV transmission line power frequency parameters）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2007，33（9）：203-204，210.

[3]胡帆，刘沛，程时杰（Hu Fan，Liu Pei，Cheng Shijie）.高压输电线路故障测距算法仿真研究（Investigation of the high voltage transmission line fault location by digital simulation）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），1995，15（1）：67-72.

[4]吴萍，张尧（Wu Ping，Zhang Yao）.基于单端电气量的故障测距算法（Location using one-terminal data for transmission line）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2003，15（4）：5-7，31.

[5]Eriksson L，Saha M M，Rockefeller G D.An accurate fault locator with compensation for apparent reactance in the fault resistance resulting from remote-end infeed[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1985，104（2）：424-436.

Off-line Fault Detection on High Voltage Transmission Line Based on Frequency Shift Test

ZHENG Wei1，BAI Run-qing1，ZHI Yong1，YANG Yong1，SHI Li-guang2，WAN Jian-ru2
（1.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730000，China；
2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

For traditional transmission fault detection，on-line recognition and location are applied in the second power system relay protection device initially.However，these applications are far from the off-line fault detection in case of transmission line building or rebuilding.In this paper，a kind of off-line fault detection on high voltage transmission line based on frequency shift test scheme was proposed.The parameters of transmission line are tested through the frequency power with 40 Hz and 60 Hz，which can effectively avoid the interference of power frequency.With one-phase grounded short circuit of new built lines as an example，the methods using positive and zero sequence to solve the equation are introduced in detection solution.The simulation results verify that the fault point of long line is searched fast and accurately.

high voltage transmission line；frequency shift test；off-line detection；fault location；fault point

TM726

A

1003-8930（2013）03-0040-03

郑伟（1973—），男，高级工程师，研究方向为电力系统分析。Email：lzzw_12345@163.com

2012-05-03；

2012-05-11

国家自然科学基金资助项目（60874077）；国家质检总局公益性行业科研专项资助项目（200910097）

拜润卿（1984—），男，工程师，研究方向为电力系统分析。Email：bairunqing@126.com

智勇（1973—），男，高级工程师，研究方向为电力系统分析与继电保护。Email：zhiyong_lz@163.com