输电线路故障分析技术发展综述

2016-08-24李兴桢

电气技术与经济 2016年2期

关键词：鸟害输电线闪络

李兴桢

（国网山东郯城县供电公司）

输电线路故障分析技术发展综述

李兴桢

（国网山东郯城县供电公司）

文章主要对输电线路故障相关分析技术进行了研究。首先分析了输电线路故障原因并对原因进行分类。接着介绍了输电线路故障的防治技术，主要包括故障定位、鸟类排除及神经网络技术。最后提出了输电线路故障分析的建议。

输电线路；故障定位；神经网络技术

0　引言

电网安全事故中输电线跳闸是一个很重要的原因，这一事故的发生会对设备安全、系统安全造成威胁，并给电网带来很大的经济损失［1-2］。输电线需要经过复杂的环境比如翻越高山、丛林等，这些地方给输电线构成了威胁，比如动植物、覆冰、雷电等都会引起跳闸事故的发生。每次跳闸事故都会对系统构成危害，如使导线、绝缘子被烧毁等。输电线故障判断是非常复杂的，在实际中若不准确判断出则会使防护措施针对性不强，同时由于故障定位不精准，导致在故障发生后需要花费较多时间去寻找故障点，从而使得供电恢复时间延长带来一系列经济损失。为了提高输电线故障定位及故障原因的准确性，加强对输电线故障诊断的技术研究是非常重要的。本文对输电线故障起因及故障防治技术进行了分析，通过分析这些技术的不足，提出了输电线故障防治技术的研究方向。

1　输电线故障原因分析

范新桥［3］在基于多点电流测量的输电线路故障定位方法研究及宋国兵［4］在高压直流输电线路故障定位研究综述中提出了输电线路故障原因可以分为雷击跳闸及非雷击跳闸两种故障。

1.1雷击故障判断

1）通过雷电相关定位系统测得雷的电流变化，该方法原理是根据电气几何数学模型，在实际中由于输电线路的反击雷水平及绕击雷水平存在较大差异，由此可以通过精确测量出雷击电流来判断是反击跳闸还是绕击跳闸，电流波动幅度大的为反击跳闸，反之为绕击跳闸。但是该方法存在一定缺陷，主要有：①雷击电流测量成本投入高，主要是因为现有雷电定位系统测量精度也不高以及维护困难。②通过对放电分散性研究，结果表明在雷电流很大时也存在绕击现象，因此在实际中雷击现象是绕击和反击现象的混合，这样使得故障分析结果不易准确。③电气几何模型在平原地段及山区地段应用存在差异，平原地段中满足电气几何模型而山区中则基本上不可能满足电气几何模型，同时还有可能出现绕击时的雷电流变得非常大。

2）通过对输电线路中闪络相别进行判断，工程技术人员在长期实践中积累了大量经验，得到了雷击故障识别的一种判断规则，该技术是根据输电线路闪络相来识别。该技术规则如表1所示。

表1　经验规则

3）通过杆塔中不同部位的雷电流方向进行判断。

4）通过相邻杆塔避雷线中电流的方向进行判断。

1.2非雷击故障判断

在输电线路中除了雷击故障外，其他外部因素同样威胁着输电线路，比如覆冰、鸟类撞击、风的吹动等都会引起输电线路发生跳闸现象。早在20世纪90年代日本电力公司对输电线路故障原因就进行了深入研究，该公司采用自动波形分析及光电流传感器用于监控故障中电流的波动，通过分析故障闪络前后相关波形的特征可以判断故障类型。该研究结果表明鸟、动物、树木等引起的故障在闪络前后过程中都会出现高频谐波；覆冰、污秽等所引起的故障在闪络前会出现高频谐波，而在闪络结束后出现高频谐波概率很小，仅存在工频；碳棒、金属棒所引起的故障在闪络前会出现电流现象，高频谐波则基本不出现，闪络结束后高频协同也基本不出现［5］。然而该研究在实际应用中问题比较大不易形成产品用于市场，因此仅仅在理论上进行了分析。

2　输电线故障防治技术

2.1输电线故障定位技术

故障定位最原始的方法是将测量线路中故障的阻抗值通过计算转化为线路长度，因而该方法也叫故障测距。随着输电线路距离增加该方法在准确性上已经不能满足现有技术。随着通讯技术、计算机网络技术的不断发展及其在输电线路中的应用，使得故障定位技术有了新的突破。

就目前而言，输电线路故障定位主要分为两类：形波法及故障分析方法。行波法原理是根据行波传输理论进行故障距离的测试，一旦输电线路中发生故障时，故障点将会出现暂态波，该波沿输电线路方向传播，其传播的速率近似于光速。将行波到达测量装置的时间与光速到达的时间进行计算，从而可以计算出故障点的位置。故障分析方法建立在输电线路中相应的数学模型中，该模型核心算法是需要采集故障点的电流及电压信号，通过建立数学模型并求解模型从而得到故障点位置。随着新材料的不断开发及信号处理技术的不断改进，出现了先进的输电线故障定位技术，这些技术主要有传感器技术、高速数据采集技术等。

（1）传感器技术

不管是波形法还是故障分析法，输电线路故障点的定位都是建立在能够准确获取输电线路上相关信号基础上，在输电线路中信号的准确获取需要通过传感器、电流互感器及电压互感器等进行数据采集，从而实现定位功能。电流互感器（CT）、传感器及电压互感器（PT）存在误差时会使得定位误差变大，尤其是在电流互感器出现误差时可使定位误差达到5%～10%，从而使得定位失去意义。对于行波故障定位而言，一旦行波波头使用了误差大的传感器或互感器，其结果是严重偏离定位致使定位不准确。针对这一问题国外提出了一种新的方法：将电压互感器及电容结合在获取行波信号上,然而该方法使用了特殊的电压传感器用于捕获故障点的高频暂态信号，同时将传感器和电压互感器结合在一起，使得电力系统安全存在隐患，在中国推广比较难。

（2）高速数据采集技术

行波法与故障分析法由于定位原理不同，使得定位精确度也有所差异。当前行波法测量故障点位置关键技术为如何准确获取故障行波与光速之间的时间差，这就需要提高数据采集速率。故障分法对于数据采集率在1～20kHz间相对容易实现。在输电线路中行波的速率达到了3.0×106km/s,如果定位系统的采集速率为0.5MHz，则会导致定位误差在150m 。将采集速率提高到10MHz则采集误差在15m。使得定位更精确，国内行波采集率在5～20MHz,已经满足定位要求，国外已经出现了100～200MHz的采集装置，故障定位更准确。

高速数据采集涉及到的技术非常复杂，主要包括：数据存储设备及通信、高速数字芯片、模拟通道的选择及设备之间的兼容问题等。由于高频信号的波长非常短，在高速数据采集中要考虑到电磁干扰问题，需要更进一步解决。

2.2解决鸟类影响输电线故障技术

为了使电力生产得到良好的保障，相关人员开始对电网涉鸟故障进行研究,研究内容主要有鸟害故障分析及防治措施等。在电网鸟故障研究中各地区都取得了一定的成绩，并在技术层面上为鸟害的防治提供了一定经验：如河南省电网在研究鸟害时进行了跨专业的研究，将鸟类学和电力学两个学科结合在一起进行研究，先从鸟类学中开始对鸟种类、生物习性、生态学等领域中全面了解出现鸟害的动机。再根据鸟害故障特征按区域划分了鸟害等级分布图，以科学方法提供了鸟害的防治措施。另外中国电力科学研究院和一些地方如江西电力科学研究院等协同合作对鸟害进行攻关，做出了全国范围内的输电线路涉鸟故障分级及分布图绘制，这一研究成果为鸟害防治措施的制定提供了数据基础，可以针对不同区域不同等级的鸟害提出相应的防治措施，做到了因地制宜。李长看［5］在2013～2015年将近两年时间内以河南省高压输电线路为对象对其出现的鸟害现象进行了研究，在研究时采用了各种方法如样点法、红外相机陷阱法等检测出在近两年时间内出现的鸟害现象达到64次，且鸟害现象具有很明显的地域特征，如在豫中西部出现鸟害现象较为严重，达53次之多，所占比例在80%以上，而中东部地区鸟害现象则相对较轻，共出现11次鸟害现象，所占比例为17%。此外在这次鸟害检测中还对经常发生鸟害进行分类，主要有四类即鸟粪类、鸟啄类、鸟巢类和鸟体短接类；根据鸟害造成的风险严重程度将涉鸟故障划分成四个等级的故障，并针对鸟害出现区域的不同绘制了相应的涉鸟故障区域及等级分布图，这些研究成果为鸟害防治措施提供了技术上的支持。另外李长看在2003～2013年10年间统计分析了河南地区的鸟害现象，并提出相应的防治措施，即在当前以“堵”为主的措施上进行改进，采取以引导型为主，将“疏”和“堵”两种方式结合起来的防治措施。

2.3神经网络技术

人工神经网络技术具有很强的泛化能力和学习能力，是目前应用较广泛的分类器，将人工神经网络技术应用于故障分类可以提高故障的分类速度及准确性。林圣提出了一种基于粗神经网络的高压输电线路故障分类方法，该方法主要是由10个独立的粗神经网络来识别及分类输电线路中故障类型。粗神经网络技术利用了模糊神经元及粗神经元用于代替传统的神经元，对提高神经网络的训练速度是非常有用的，同时也能减少网络中训练的样本数量。通过对大量故障数据的分析，将时频域中的13个不同特征量及故障发生后5ms内的电流做为故障分类数据，从而提高了故障的分类准确率。通过PSCAD/ EMTDC进行仿真，结果表明：该方法能够很快识别各种故障同时准确率也非常高，受过渡电阻、故障时刻及故障位置的因素影响较小。下图为粗神经网络的故障分类模型。董天祯在研究现有架空输电线路故障检测系统不足的基础上，提出了一种基于神经网络的输电线路故障检测系统。该技术针对复杂的10kV输电线路进行了研究，将输电线路上的数据采集器进行相关数字转化从而实现编码，利用载波通信将信号数据传送到总部；由总部对各种数据进行去噪及解码处理；然后将数据通过反向传播算法进行神经网络训练，最终得到故障信息，该技术能准确的测量输电线路中的故障位置。