辽宁电网输电线路故障点定位方法分析

田景辅，于 游，田鹏飞，陶 冶

（国网辽宁电力调度控制中心，辽宁 沈阳 110006）

辽宁电网输电线路故障点定位方法分析

田景辅，于 游，田鹏飞，陶 冶

（国网辽宁电力调度控制中心，辽宁 沈阳 110006）

介绍了辽宁电网220 kV及以上线路目前采用的各种故障点定位方法，阐述了各方法的主要特点、适用范围和存在的不足，并在比较分析的基础上，提出了综合各种技术手段，准确分析计算线路故障点的综合分析方法。

电力系统；输电线路；故障点定位

快速准确确定线路故障点对快速处理线路跳闸事故，保证电网安全稳定运行及最大限度降低现场巡线人员的工作强度等都有十分重要的意义。目前辽宁电网确定线路故障点主要有阻抗测距法、零序电流曲线法、小波测距定位法和雷电定位法。以上各方法根据线路故障特点有不同适用范围，因此，要根据具体故障类型及技术配置情况，通过综合分析确定线路故障点。

1 阻抗测距法

目前辽宁电网220 kV及以上系统保护微机化率已达到100%。微机保护装置及故障录波器均具有阻抗测距功能，主要采用单端阻抗测距。线路故障时，装置通过采集电压和电流计算母线到故障点间的线路阻抗来确定故障点。阻抗测距算法简单，不需单独投资。如图1所示，当线路接地短路时，M侧测量阻抗Zm如式（1）所示：

式中：ZLS为M侧到故障点的线路阻抗；RF为故障点的过渡电阻；ΔZ为附加测量阻抗［1］。

图1 线路经高阻接地

当故障点过渡电阻较小时，附加测量阻抗ΔZ较小，测量阻抗接近线路实际阻抗，测距结果真实可信。当故障点存在较大过渡电阻时，ΔZ将显著增大，对于双侧电源线路，由于对侧电源的助增作用，ΔZ将进一步增大，造成结果误差较大，甚至完全失真。阻抗测距不仅受过渡电阻影响，还与TA、TV传变误差、装置采样误差及线路参数分布不均等多种因素密切相关，因此，阻抗测距法精度不高，适用范围有限。

通过对辽宁电网近3年的短路故障统计分析，雷击、外破、漂浮物、鸟害等故障绝大部分为金属性故障，占92.6%，而线路对树木放电、部分山火及外破故障存在一定的过渡电阻，尤其是导线对树木放电时，过渡电阻值可达到70～100 Ω。对于阻抗测距，当按长度表示的两侧装置测距之和与本线路长度基本一致时，表明线路为金属性短路或过渡电阻较小，测距比较可靠，其误差一般在±10%范围内，因此，按阻抗法确定线路故障点，一般可按全线路20%左右进行巡线。当线路经高阻接地时，两侧测距之和将远大于本线路长度，此时用阻抗法已无法准确计算故障位置，需采用其它方法。

2 零序电流曲线法

零序电流曲线法是一种通过分析线路两侧零序电流大小及比值来分析确定线路故障点的方法。将线路平均分成若干段（一般选10段），分别计算各均分点处故障时线路两侧零序电流大小及同一点故障两侧零序电流的比值，并将各点电流拟合建立零序电流曲线，如图2所示。故障类型为单相接地。由保护部门按以上原则定期计算全网线路零序电流曲线作为计算故障点的依据［2］。

零序电流曲线法适用于各种类型的不对称接地故障，尤其能够较准确地计算高阻接地故障。其原理如图1所示，对于电网内的任意线路故障，均可将故障线路以外的系统简化为M和N2点，故障点过渡电阻RF处于线路故障点外部，即为故障点的附加电阻，因此，它只影响故障点零序电流大小，而不影响线路两侧零序电流的比值。同理，当系统中发电机组运行方式变化时，也只影响正序网络变化，而不影响两侧零序电流比值，即正序网络影响零序电流大小而零序网络决定零序电流分布。因此，对于各种不对称接地，均可利用零序电流曲线法计算故障点［3］。

近3年，辽宁电网220 kV及以上线路单相接地故障占93.2%，因此，零序电流曲线法是目前适用最广泛的测距方法。本方法不需要单独配置装置和组建系统，只要定期计算更新零序电流数据即可。该方法不足之处在于不能计算相间短路及三相短路的故障点，测距精度受短路电流计算精度影响较大，由于部分保护装置的故障报告不包含零序电流，需要现场人员进行测量计算后汇报调度，汇报不准确将影响对故障点的正确分析。

使用零序曲线法时，对于金属性短路，可首先根据阻抗测距大致判断故障点位置，然后比较分析故障电流与该点零序曲线电流的数值及比值，在二者基本吻合的基础上，进一步精确定位故障位置，可按全线路的15%～20%巡线；当两侧保护测距远大于线路长度，表明系统过渡电阻较大，阻抗测距无法估算故障点位置，此时需要通过两侧故障电流比值与零序曲线电流比值进行比对确定故障位置，巡线范围应扩大为全线的20%～30%。

3 小波测距法

线路内部故障时，将产生沿线路向两侧传播的电压、电流行波，由于其传播速度一定，故只要测量出行波自故障点到母线间的传播时间，即可计算出故障点位置。辽宁电网小波测距系统就是利用小波变换技术来分析输电线路故障时产生的行波信号，并进行故障定位的方法。该系统主要有单端测距和双端测距2种方式。单端测距法由于存在故障点反射波与透射波的识别问题，容易导致测距不准或失败，因此，实际运行中主要以双端测距为主。双端测距法是利用线路内部故障产生的行波到达线路两侧时间差来计算故障点位置的方法。设故障时初始行波波头到达线路两侧母线的时间分别为为TS和TR，则故障点与两侧母线的距离可按式（2）和式（3）计算。

图2 零序电流曲线

式中：V为行波传播速度；L为线路长度；XS和XR分别为故障点到线路两侧的距离［3］。

辽宁电网小波测距系统采用集中网络化部署方式，如图3所示，系统利用GPS时钟同步两侧，站端测距信息通过数据网传至调控中心主站进行分析合成，并通过综合智能告警系统将故障点信息发布至调度台。目前全网已配置141个测距子站终端，对217条220 kV及以上线路进行故障测距计算。220 kV及以上线路覆盖率达到34.6%，其中，50 km以上线路覆盖率达到100%。

图3 小波测距系统配置

小波测距系统最主要的优点就是使用简单、精准可靠，通过近3年运行统计，系统故障点定位准确率（±4级塔）达到93.2%，综合测距精度小于2级塔，为1.93级。考虑投资及设计要求，目前系统覆盖率较低，运行中GPS时钟问题及装置硬件问题是造成测距不准确的主要因素。因行波传播接近光速，理论上如果两侧时钟误差为1 μs时，其对应的测距误差则为150 m。此外，对于较大的高阻接地故障及弱馈线路，当行波波头不明显时，也存在数据合成失真的问题［5］。由于目前智能站的MU不能对高频行波进行采样，配置电子式互感器及常规互感器＋MU智能站均不能直接应用小波测距系统。

故障跳闸后，小波测距系统直接报告故障杆塔号，由于该方法是间接定位法，需要结合阻抗测距或零序曲线法对故障点进行佐证，可靠排除系统因异常而误报情况。确认测距结果有效后，一般以系统所报杆塔号为中心，前后各扩展10级塔巡线即可。

4 雷电定位法

雷击是高压输电线路跳闸的首因，近3年，辽宁电网220 kV及以上线路因雷击导致跳闸的约占52%。因此，雷电活动的快速准确定位对分析线路故障点意义重大。雷电定位系统是通过探测雷电发生时产生的电磁波，利用时差及定向等定位技术计算雷击点位置，并对雷电电流强度、极性、回击次数等相关参数进行在线监视的应用系统［4］。辽宁电网雷电定位系统组成如图4所示，系统由探测站、传输网络、中心站和客户端组成。探测站采集的数据经中心站分析后，可通过Web方式对数据进行监控、查询和统计分析。目前辽宁电网共配置14个雷电探测站，覆盖全省所有区域，系统理论定位误差小于1 km。

图4 雷电定位系统配置

雷电定位系统只能定位雷击故障。当短时间内沿线路发生密集频繁落雷时，难以准确定位线路实际故障点，对于反击雷跳闸，其实际故障点也并不一定在落雷最近杆塔处。此外沿线路的地形地貌，系统时钟以及线路坐标参数精度等对故障准确定位均有较大影响。因此，雷电定位系统一般只作为确定线路故障点的辅助决策系统。

线路跳闸后，登录系统依次输入线路名称、跳闸时间、走廊半径、跳闸前后时间缓冲半径等参数，查询在跳闸时刻附近输电线路走廊的雷电活动情况。一般走廊半径选择1～5 km，时间缓冲半径选择5 min，根据查询出的雷电活动结果，查找最符合跳闸时间的雷电信息以及距离最近的杆塔号。

5 线路故障点的综合分析

5.1 综合分析方法

以上分析计算线路故障点的各方法有着各自的使用特点和适用范围，在实际工作中，要根据故障类型、运行方式和气象条件等，结合测距系统配置情况，通过综合分析确定线路故障点，主要步骤如下。

a.收集故障相关信息。包括故障时刻、故障时线路两侧相电流和零序电流数值、两侧保护装置测距、重合永久故障后的故障电流以及故障时的天气情况、作业情况等。同时还要了解线路测距系统的配置情况及系统运行方式。

b.对故障电流及故障性质进行初步判断。单相故障时，两侧汇报的相电流之和应基本等于两侧零序电流之和，如相差较大，应从读值方法、变比选取、故障时刻选取等查找原因。对于两相短路，如故障时有零序电流或零序电压，则表明为接地短路，当由单相接地转为两相接地且两相电流不等时，则可能为两点接地，当两侧零序电流均远小于零序曲线计算电流，并且两侧保护测距远大于线路长度时，则判断为高阻接地。

c.结合测距系统配置情况，确定故障定位方法。如线路配置有小波测距系统，首选小波测距结果，并通过保护测距或零序电流曲线对结果的有效性进行确认。小波测距巡线范围在20级塔左右即可。对未配置小波测距或小波测距失效的情况，对金属性短路，可根据两侧保护测距估算故障点位置，并在零序曲线上查看对应的零序电流及其比值，三者基本一致时，按线路15%～20%巡线。判断为高阻接地时，应通过零序电流曲线比值法确定故障点，范围提高至全线的20%～30%。对于雷雨天气，还应结合雷电定位系统对小波测距、阻抗测距等结果进行佐证，雷电定位一般不作为单独确定线路故障点的依据，当判断为高阻接地时，可基本排除雷击故障［5］。

d.不要仅凭小波测距结果或雷电定位结果确定故障点；电缆与架空线路混合线路参数分布不均，要注意防止阻抗法误判；要注意分析故障时的实际运行方式，在线路临时终端方式下，小波测距由于故障时不能启动或行波特征不明显可能失效；检修方式下零序曲线的计算值与实际值可能存在偏差；对于5 km以下的超短线路，一般按全线范围巡线；而对于阻抗法或零序曲线法确定的故障范围，在满足上述线路比例范围的情况下，巡线绝对塔数一般不小于20级。

5.2 案例分析

某500 kV线路发生C相故障跳闸，单相重合不良。M站2套纵联保护动作，Ic＝840 A，3I0＝604 A，L＝158.75 km；N站2套纵联保护动作，Ic＝2 840 A，3I0＝3 040 A，L＝28.49 km，线路全长105 km，总塔数222级，1号塔位M侧，当时天气为雷雨。

本次故障两侧保护测距之和为187 km，远大于线路本身长度，判断为高阻接地。小波测距系统显示193号塔故障，雷电定位系统显示该时刻前后5 min内193号塔附近无落雷。故障时M侧与N侧零序电流比为0.198，表1为该线路的零序电流曲线电流值列表，通过比值估算，故障点应在距M侧约全线的90%处，按平均档距估算，小波测距结果位于距M侧线路的87%处，二者基本吻合，确定小波测距结果有效。同时该点故障电流也远小于零序曲线电流，因此判断本次故障应为193号塔附近发生的一次高阻接地故障。巡线范围确定为183～203号塔，重点是193号塔，C相。线路实际巡线发现193号塔发生C相导线对树木放电，故障原因符合高阻接地特征，经计算，本次故障的过渡电阻约为70 Ω。

表1 零序电流曲线数据

6 结束语

零序电流曲线法在辽宁电网应用多年，是一种行之有效的线路故障点定位方法。随着微机保护的全面应用，阻抗测距法已成为与零序电流曲线法相辅相成的技术手段。随着新技术的发展，小波测距及雷电定位系统已实用化，进一步丰富了线路故障点定位的技术手段。通过对以上各方法的综合分析、互补应用，有效提高了辽宁电网的应急处置能力和运行管理水平。

［1］毛晓明，刘 沛，程时杰.利用单侧电量的高压输电线路故障测距算法研究［J］.电网技术，1998，32（11）：15－17.

［2］冯载生.利用零序电流比值分布曲线确定接地故障点的方法［J］.电力系统自动化.1988，24（4）：3－8.

［3］张延鹏.东北电网500 kV线路零序反时限保护应用研究［J］.东北电力技术.2010，31（5）：18－20.

［4］王 飞，朱义东，张忠瑞，等.辽宁地区500 kV输电线路雷害风险分级研究［J］.东北电力技术.2013，34（6）：20－22.

［5］丛海洋，范 渤.输电线路通道防护属地化管理问题研究［J］.东北电力技术.2014，35（6）：23－26.

Analysis on Fault Location Methods of Transmission Line in Liaoning Power Grid

TIAN Jing⁃fu，YU You，TIAN Peng⁃fei，TAO Ye
（State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Dispatch Control Center，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper introduces fault location methods of Liaoning 220 kV and above power grid，and describes the main features，scope of application and existing problems.Different technical methods are put forward on the basis of the analysis and comparison，as well as accurate analysis and calculation for the synthesis analysis method of line fault are proposed.

Power system；Transmission line；Fault location

TM755

A

1004－7913（2015）09－0043－04

田景辅（1975—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统继电保护整定计算及运行管理工作。

2015－06－30）