基于行波理论的电力线路绝缘故障预警系统

赵庆喜，蔡夏诗，盛从兵，邵 震，曾祥君

（1.国网河南省电力公司 濮阳供电公司，河南 濮阳 457000；2.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

电力系统的装机容量以及电压等级在不断提高，电网之间的互联也日益紧密［1-2］，因此，一旦发生故障，波及范围广、危害大、损失重［3-4］。而输电线路故障大部分由绝缘故障造成，电力网架结构复杂，高压线路输送距离长，可能穿越高山密林或污秽地区。因线路绝缘子老化、雷击闪络、鸟粪污闪等各种类型绝缘故障时有发生，易导致线路出现停电事故，据统计，中国110kV线路发生不明原因闪络所占比例为故障率的22%［5-8］，造成巨大的经济损失。

目前，绝缘子的检测方法分为电量检测法和非电量检测法两大类。文献［9］利用绝缘子出现局部放电或泄露电流时发热产生的红外线来判断绝缘故障，测量设备体积小、重量轻、操作简单，适合现场应用，但温度测量很容易受阳光、风雨、大气温度等因素的影响而导致可靠性不高，且设备造价普遍高。文献［10］提出用超声波检测法检测绝缘子内部裂痕方面，操作简单、测量准确，但不适合检测现场运行的绝缘子。文献［11］采用电场测量法来反映绝缘子的绝缘故障十分直接，但伞裙破裂等故障并不影响绝缘子的电场分布，故该法不能检测绝缘子的所有故障。

因此，笔者提出一种新的绝缘子故障检测方法，即将成熟运用于电网短路等故障定位的行波定位技术应用于线路绝缘故障在线监测及精确定位，通过预警系统发出告警，预防跳闸发生，指导设备运维单位及时消除设备隐患，合理安排检修，这对电力线路保持安全稳定运行具有非常意义。

1 绝缘故障行波特性分析

1.1 行波的产生

电力系统出现扰动（如断路器开合闸、线路短路、绝缘子闪络等）时，扰动处会产生突变的行波信号，沿线路向电网传播，该行波信号包含了大量故障特征量，如故障种类、地点、发生的时间、程度等。在变电站容性设备中，接地线、互感器二次侧等位置可以检测到该行波信号，从而进行故障定位、保护等操作［12-14］。

行波产生的原理如图1所示，F处出现金属性短路事故，则故障瞬间时F点电势降为零，可以看作正常时该点电势Uf与故障产生的反电动势-Uf的叠加（图1（d）），反电动势-Uf激发行波，沿导线传播。

图1 故障线路的等效分解示意Figure 1 Equivalent dissociation diagram of faulted transmission line

一般情况下，线路发生短路时，短路点会有过渡电阻，不会发生完全金属性短路故障，描述线路经过渡电阻R接地的故障分量示意如图2所示，其产生的初始电压行波与电流行波传播到线路上的大小表示为

式（1）～（4）中 θ为故障初相角，其大小与故障发生的时间有关；ZC是线路波阻抗（一般架空线路波阻抗为300Ω，电缆线路波阻抗为200Ω），其大小与故障线路单位长度的电感L和电容C有关；R为故障过渡电阻，其大小与故障情况有关。

图2 线路故障等效电路Figure 2 Equivalent circuit of faulted transmission line

由式（2）、（3）可知，扰动激发的初始行波幅值与θ，ZC以及R有关，并且扰动激发的行波幅值与R成反比，R越大，行波幅值越小，故线路经高阻短路与金属性短路相比，前者激励的行波幅值较小。绝缘未完成击穿时产生的行波信号也可用式（2）、（3）表示，与短路故障的区别在于其过渡电阻R值不同而已，即绝缘未击穿时，R值较大，产生的行波信号较弱，如果绝缘进一步恶化，发展到短路状态，其R值急剧下降，行波信号较强。架空线路的波阻抗为350～500Ω，对于220kV线路来说，其行波电流小于1 100kA，而绝缘子污闪电流往往只有几十毫安至几安。

1.2 绝缘子故障行波特性分析

在大气环境中，在线运行的绝缘子受到工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，表面逐渐沉积一层污秽物，当遇到潮湿天气时，在绝缘子表面会形成一层导电水膜。绝缘子的闪络分为4个阶段：绝缘子积污、绝缘子湿润、局部放电和闪络。局部放电是闪络的前兆，在潮湿天气下，轻度污秽绝缘子串可能间歇性地发生局部放电，但不形成贯通性的闪络接地故障；重度污秽绝缘子串极易发生贯通性接地闪络，造成跳闸事故。绝缘子表面污秽由轻变重，发生污闪的几率由小变大，绝缘子在故障程度逐渐加深的过程中，故障产生的行波幅值也会越来越大，故障产生行波的时间间隔会越来越短。绝缘故障产生的行波主要有2个特点：

1）由于作用在电力线路绝缘子上的运行电压是周期性的，在绝缘发生闪络或击穿前，由绝缘降低引起的故障行波往往发生在电压峰值附近，是周期性的，并且越临近闪络或击穿点，绝缘故障产生的行波幅值会越来越大，产生行波的时间间隔会越来越短，因此，可以根据产生行波的时间间隔以及产生的行波幅值来判断绝缘子的性能下降程度。

2）一般电力线路故障为各类接地短路或是相间短路故障，故障电流大，产生行波信号幅值大。笔者研究电力线路绝缘故障预警问题，需要在没有形成贯通性闪络接地时，通过输电线路上故障行波实现初始闪络定位，并根据故障行波特征量的变化分析出线路绝缘情况，此时故障电流小，产生的绝缘故障行波幅值小。因此，必须提高行波检测装置的检测精度，才能捕捉到绝缘故障产生的行波信号，该文采用专门研制的穿芯式行波传感器。

2 电力线路绝缘故障预警方案

2.1 系统的整体设计

电力线路绝缘故障预警系统需要在绝缘子没有形成贯通性闪络接地时，通过输电线路上绝缘子局部放电产生的故障行波实现初始闪络定位，并根据故障行波特征量的变化分析出线路绝缘情况，跟踪预判绝缘子性能。系统主要由硬件提取行波信号、在线修正的ns级卫星同步时间等来实现电力线路绝缘故障精确定位预警。系统工作原理如图3所示。

当电力线路上绝缘子因表面积污等原因发生轻微闪络时，线路产生由故障点向线路两端传播的高频暂态行波，安装在线路两端的穿芯式行波传感器能抑制高频信号，只传播10kHz～2MHz之间的高频突变信号，将其套接在CVT接地线上，并准确、无时延地传变故障行波波头，经高频屏蔽电缆送至行波采样单元的前置模块；前置模块进行暂态突变信号检测，把突变的电压行波信号的波头变成一个一定幅值、宽度的脉冲信号，输出到行波采样单元的高精度计时模块锁定脉冲信号突变时刻的绝对时间；时间由高精度GPS时钟提供，行波到达时间及波形由高速GPRS无线通道送至行波定位模块，完成定位计算实现预警并显示绝缘预警主机界面，工作人员直接通过主机界面进行定位结果、线路故障历史等信息查询。

图3 绝缘故障预警系统Figure 3 Insulation faults pre-warning system

2.2 电力线路绝缘预警方法

电力线路绝缘故障预警方法（流程）如图4所示，包括步骤：

1）在线路两端电容式电压互感器（CVT）接地线上安装穿芯式行波传感器；

2）记录行波传感器二次侧输出信号，检测信号的暂态突变，并记录电压行波信号出现的ns级卫星同步时间；

3）判断电压行波信号的频带大小，若U高频带＞U低频带，则触发卫星模块记录同步时间，否则返回步骤2；

4）将两端突变的时间信息传送到绝缘故障精确定位模块，进行精确定位计算（找出故障绝缘子所在杆塔）；

5）输出定位结果，实现预警，同时返回步骤2；

图4 线路绝缘故障预警流程Figure 4 Flow chart of insulation faults pre-warning system

3 电力线路绝缘预警系统

基于行波理论的电力线路绝缘故障预警系统主要由3个部分构成：穿芯式行波传感器、分布式行波测距装置和绝缘预警主机。穿芯式行波传感器用于将一次侧电流行波传变成二次侧电压行波；分布式行波测距装置记录行波波形和数据通过GPRS无线传送到绝缘预警主机；预警主机对数据进行分析计算，得到故障距离、杆塔号等结果。工作人员可通过主机界面对故障线路、故障位置、故障历史等进行查询。具体模块有行波高速采集模块、高精度GPS卫星时钟模块、定位预警模块及人机交互模块。

3.1 行波高速记录模块

穿芯式行波传感器套接在杆塔CVT的地线上能有效检测闪络等轻微故障产生的电压行波，不失真地传变电力系统一次测暂态信号，利用CVT接地线提取的电流行波信号，将电流转变成电压信号通过高屏蔽电缆传送给分布式行波测距装置，直接利用硬件提取，不需要高速采集，电压行波波头提取延时小于20ns，结构简单，造价低。

3.2 高精度GPS卫星时钟模块

GPS时钟与高精度晶振时钟比对产生高精度卫星同步时间对采集到的数据进行时标配准［15-16］，实现对系统扰动情况异地同步记录，提高绝缘定位精度。在电力线路绝缘故障定位预警系统中，由安装在线路两端的装置记录电压行波从局部放电的绝缘子沿电力线路传输到达测量点的准确时刻，卫星同步时钟误差小于50ns，可实现精确定位计算。

3.3 精确定位预警模块

由以上2个模块采集到的暂态电压行波信号和记录的ns级卫星同步时间，通过GPRS无线通道传送至定位预警模块，根据D型双端定位公式精确定位计算，定位误差小于150m，通过分析行波幅值大小以及行波产生的时间间隔判断预警程度，预警程度可分为一般预警和严重预警。

3.4 人机交互模块

工作人员通过预警系统主机界面即可对电力线路性能发生下降的绝缘子局部放电的时间、绝缘子位置以及线路局部放电历史事件进行查询，通过历史时间反映绝缘闪络的发展过程，预测绝缘闪络放电的发展趋势，合理安排检修。

4 电力线路绝缘预警系统实验验证

为了保证预警系统能广泛地应用于不同电压等级的输电网，必须测试电力线路绝缘故障预警系统对不同电压等级线路绝缘子绝缘故障的灵敏性，该次实验测试不同片数的绝缘串在轻度绝缘故障放电条件下预警系统的响应特性。

实验方法：首先对绝缘子串进行加污加湿处理，然后加入工频电压，逐渐升压，直到有局部火花放电现象出现（没有沿面闪络），模拟绝缘故障放电现象，观察预警系统能否检测到行波信号，如果预警系统能检测到行波信号，则可证明该预警系统具有足够的灵敏度，能检测到该电压下绝缘子串故障产生的行波。一旦系统检测到故障行波，绝缘预警主机上会出现行波到达的时间记录；如果预警系统没有检测到行波信号，则绝缘预警主机上不会出现行波到达的时间记录。重复实验5次，保证实验结果可靠性，分别对2，4，7片绝缘子进行实验。

4.1 实验接线原理

电力线路上绝缘子故障时，在工频电压作用下，会出现局部放电现象，产生行波。为了模拟该现象，实验中将工频高压电源和绝缘子高压端相连，绝缘子低压端接地，这与绝缘子实际运行情况相符，并且在电源处并联电容值为400PF的电容器，在电容器接地线上套接行波传感器，便可检测绝缘子故障放电时产生的行波，然后送入电力线路绝缘故障预警系统中进行分析处理。这里用400PF电容器等效变电站母线上CVT，模拟在CVT接地线上采集缘故障行波过程。系统灵敏性测试实验接线原理如图5所示。

图5 系统灵敏性测试实验接线原理Figure 5 Experimental elementary diagram for systemsensitivity testing

4.2 实验数据

1）实验现象。观察实验现象可知，电压逐渐升高，2，4，7片绝缘子电压分别升高到10，18，28kV左右，绝缘子首先会出现电晕现象，发出响声，随着电压升高，响声越来越大，最后形成局部火花放电现象。在出现局部火花放电时，预警装置便能检测到行波，在此之前，预警装置无动作。

2）实验绝缘子串局部火花放电。实验中绝缘子串局部火花放电现象如图6所示，亮光处为放电部位（黑色圆圈内）。

3）实验波形。绝缘子串实验波形如图7所示，从波形图可以看出，绝缘子发生局部放电时，预警装置能灵敏检测到故障行波。

图6 绝缘子串局部火花放电示意Figure 6 Partial discharge picture of insulator

图7 绝缘子串实验波形Figure 7 Insulators experimental waveforms

4）电压数据。绝缘子电压数据如表1～3所示。

表1 2片绝缘子放电的电压数据Table 1 Voltage data of two pieces insulators discharging

表2 4片绝缘子放电电压数据Table 2 Voltage data of four pieces insulators discharging

表3 7片绝缘子放电电压数据Table 3 Voltage data of seven pieces insulators discharging

4.3 实验结论

在发生局部火花放电现象情况下，绝缘系统灵敏性测试实验分别测试了绝缘子串片数为2，4，7片时绝缘预警主机能否记录行波，即测试绝缘预警系统对35，110kV电压等级的绝缘故障的灵敏性，由实验结果可知：

1）绝缘预警系统能有效检测35，110kV电压等级下绝缘子串发生故障时产生的故障行波，能应用于35，110kV电压等级电网的绝缘故障预警；

2）绝缘预警系统在正常运行情况下不会误动，只有在发生绝缘故障时才会动作，绝缘预警系统可靠性高。

3）实验数据略分散是由于绝缘子盐污处理程度不同。

5 结语

电力线路绝缘预警系统以精确行波定位技术为基础，将成熟应用于输电线路行波定位技术嵌入到轻微绝缘故障预警，提出了电力线路轻微故障检测和预警方法，专门研制的行波传感器检测灵敏度高、系统定位误差小，实验结果表明预警系统灵敏性高，能准确预判线路绝缘子绝缘性能。

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