分布式输电线路故障精确定位及诊断系统研究与应用

2014-10-15沈虹

机电信息 2014年18期

沈虹

（广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000）

0 引言

近年来，因雷击、台风、外力破坏等引起的输电线路跳闸故障频繁发生，受到了电力系统生产、运行和管理部门的高度重视。输电线路的每一次跳闸，除给系统带来冲击外，都会给绝缘子、导线等电力设施带来损坏而留下安全隐患，严重影响电网的安全稳定运行。实际生产运行中，输电线路故障跳闸原因复杂，影响因素众多，由于缺乏必要、有效的输电线路故障监测技术和手段，而传统输电线路故障定位装置的误差较大，导致在发生故障后故障点查找困难；由于输电线路管理上存在多条跨省和跨区线路分属多个公司管理，运行维护时存在多个公司共同巡线查找故障点的现象，浪费了人力、物力，也影响了电网及时恢复供电。

本文以220kV线路为监测对象，在省级电网公司设置监测中心站，各地市局设置工作站的分层分布式监测平台，建设省级电网输电线路故障监测平台，分析如何利用故障电流行波的电磁暂态特征准确辨识雷击与非雷击故障，实现对输电线路故障的智能监测和诊断，为快速恢复故障及明确事故原因提供监测手段，有效提升了输电线路运行维护的管理水平。

1 输电线路故障原因辨识原理

输电线路故障原因的准确辨识，是指导输电线路采取针对性防护措施降低线路跳闸率的基础。由于输电线路在发生不同类型的跳闸故障时，其线路上的故障电流行波呈现出不同的电磁暂态特征，因此，通过在线监测并提取输电线路故障电流行波数据，分析其电磁暂态特征，可以达到对输电线路雷击与非雷击故障原因准确辨识的目的。

输电线路遭受雷击故障时，流经线路的故障电流主要由两部分叠加而成，一部分是雷电流分流后直接进入线路的电流，另一部分是雷电流经杆塔入地后的反射波进入线路的电流。标准雷电流的波尾时间为50μs，由于与大地反射波极性相反，两者叠加后其峰值衰减加快，波尾时间变短。因此，雷击线路的故障电流行波波尾时间小于50μs，实测一般在40μs以内。而输电线路在遭受污秽闪络、树木闪络等闪络及外力破坏等非雷击故障后，其闪络过程与交流电流的变化密切相关，电弧呈现熄灭重燃、延伸收缩的变化，相比于雷击故障其电流暂态行波频率较低，这类故障的故障电流行波波尾时间较长，一般远大于40μs。

图1与图2分别为ATP程序仿真模拟得到的典型220kV单回线路发生雷击与非雷击故障时故障相的电流行波波形图，对比可知，发生雷击时故障电流行波波尾时间小于50μs，而非雷击时故障电流行波波尾时间远大于50μs。

图1 雷击故障电流波形图

图2 非雷击故障电流波形图

根据上述雷击、非雷击行波的物理和仿真分析结果可知，通过采集输电线路雷击故障电流行波，分析其波形特征，可以有效地区分和辨别输电线路的故障性质是雷击还是非雷击。

2 分布式输电线路故障精确定位及诊断系统原理

电力系统故障定位的方法主要有阻抗法和行波法两种。阻抗法由于受故障电阻、线路负荷、互感器误差和电源参数等因素的影响较大，实际应用效果不理想。目前电力系统中投入使用的多为行波法，即根据行波在传输线路上波阻抗不连续节点的反射特性来确定故障点距离。行波法原理简单，理论上不易受系统运行方式、过渡电阻、线路分布电容的影响，测距精度较阻抗法高，但在实际应用中由于受工程因素的制约，如导线参数、行波波速变化、行波在线路中传播的衰减畸变等，该法的精度有所降低。

采用分布式监测方式，在输电线路上布置若干个现场监测终端，将输电线路分解成若干个区间，通过记录工频故障电流和电流行波，利用工频故障电流先确定故障区间，然后再进行区间内的行波定位，从而实现对输电线路故障的精确定位。当输电线路跳闸故障发生在两个设备安装监测点终端之间时，故障点同侧的设备安装监测点终端记录的工频故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的工频信号方向相反。

通过在输电线路上布置若干个现场监测终端和系统，将输电线路划分为若干个区间，分别监测并记录各区间的故障数据和信号。这种在线路中分散布局而非在两端变电站集中布局的监测方式，不仅对输电线路长度、导线弧垂等影响测量误差的固有参数进行了离散化监测，同时由于每个监测装置监测区段的缩短可有效减小行波波速变化以及传播衰减畸变等因素对故障定位精度的影响，从而大幅提高输电线路故障定位的精度。

3 分布式输电线路故障精确定位及诊断系统功能

输电线路故障智能监测系统构成按照分层分布式体系设计，由现场监测终端、数据中心和工作站3部分组成，各部分之间通过互联网相连，同时数据中心还提供了 WEB服务查询功能。该系统作为输电线路工况在线监测系统的一部分，与其他部分共享监测信息。

现场监测终端是输电线路故障智能监测系统的核心部分，分布式地安装于输电线路的导线上，监测并采集输电线路故障发生时刻的故障电流行波与工频故障电流及谐波电流信息，同时将采集到的信号上传到数据中心。现场监测终端主要由传感器线圈测量单元、数据采集分析单元、通信单元和电源系统组成。数据中心通过GPRS与现场监测终端通信，接收上传的监测信息并对故障信息进行诊断，将上传的监测信息和故障诊断结果保存，同时下达相关控制信息。

分布式输电线路故障精确定位及诊断系统完整地记录了每次故障电流暂态行波，软件系统通过分析电流暂态行波的差异确定故障是否属于雷击故障，若是雷击故障则进一步确定是绕击还是反击；并利用各现场监测终端的行波数据与GPS时钟数据计算故障点的精确位置，同时可获取输电线路的运行工况信息、雷击频度信息、故障信息，还具备短信报警功能；线路发生跳闸故障或现场监测终端异常时，采用短信的方式将智能诊断分析结果发送给相关责任人，并在系统网站上公布该故障信息，方便电力系统生产管理人员运行维护。

4 分布式输电线路故障精确定位及诊断系统的应用

2013年，本局在所辖主网线路上安装了输电线路故障智能监测终端，完成了各装置的安装与调试，建立起佛山供电局输电线路故障智能监测系统和平台。该系统在输电线路故障精确定位、故障原因准确辨识、故障规律统计分析、差异化防雷等方面发挥了巨大的作用。

4．1 输电线路故障定位

分布式输电线路故障精确定位及诊断系统可在线路发生故障后精确定位故障点，减短查寻线路故障点所需时间，减轻巡线工作量，实现输电线路发生故障后迅速恢复供电。具体应用示例如下：

220kV阳康甲线是于2013年4月由220kV阳燕甲线、清康甲线改接而成，全段495基杆塔，约180km。佛山供电局管辖#357～#495塔，共138基，长度42．481km。

2013年8月20日20：21左右，220kV阳康甲线A相跳闸，重合不成功。康乐站测距34．5km；8月20日21：08左右，线路强送成功，线路中断供电约47min。输电线路故障智能监测系统通过监测故障电流行波数据，得到行波与GPS反射波时间差约237μs，根据单端行波定位原理（图3），系统自动诊断结果为#373杆塔。

图3 电流行波反射波定位原理

故障发生后工作人员立即根据系统自动诊断结果展开巡线（图4），发现220kV阳康甲线#372～#373塔A相导线上下子导线各有一处轻微放电痕迹，导线未发现断股，其他杆塔未发现异常，进一步确认知跳闸系违章施工泵车触线所致。本次事故没有造成人员伤亡。

图4 现场巡线图片

4．2 输电线路故障原因辨识

输电线路故障跳闸原因复杂，影响因素众多，实际生产运行中往往由于输电线路跳闸的原因无法得到准确辨识，使得采取的措施缺乏针对性，技术经济性不高，不能切实提高线路的运行能力。输电线路故障智能监测系统可在线路发生跳闸故障后自动诊断故障原因，是输电线路跳闸故障鉴别的有力手段，有效地指导了线路生产运行维护工作。

2013年8月20日20：21左右220kV阳康甲线的跳闸故障中，故障监测系统通过监测记录得到了220kV阳康甲线故障电流行波（图5），通过波形特征分析，给出了线路故障原因为非雷击。

图5 阳康甲线A相故障电流行波波形图

4．3 输电线路故障规律统计分析

输电线路故障智能监测系统可准确记录每一次线路跳闸的情况、分析辨识其故障原因。系统长期运行积累下来的数据是输电线路运行维护中切实反映线路运行能力的十分宝贵的基础数据。

4．4 加强输电线路的属地化管理

传统输电线路故障定位装置的误差较大，导致在发生故障后故障点不明确。多条跨省和跨区线路输电线路分别由多个公司管理，在运行维护时多个公司共同巡线查找故障点，浪费了人力、物力。建立了分布式输电线路故障精确定位及诊断系统及平台，各级工作人员均可通过该系统及时监测、查询、掌握线路的运行情况，线路发生故障后明确巡线及维护单位，有效提高了工作效率，加强了对输电线路的属地化管理，提高了输电线路的运行管理水平。

（3）输电线路分布式故障监测系统采用分层分布式体系设计，由现场监测终端、数据中心和工作站3个部分组成，同时提供了WEB服务查询功能。通过故障精确定位有效地帮助快速完成巡线及输电线路故障查询工作，还为故障原因的诊断提供了智能化工具。