行波故障指示器在500kV线路故障诊断中的研究与应用

全明睿+刘宏欣

【摘 要】 输电线路故障频发，尽管现在采用了各种监测和预防手段，但故障率一直居高不下，此外，常见的测距装置对于一般的故障诊断效果并不理想，对于非雷击故障，常见定位方法往往难以精确定位。行波故障指示器分布式安装于输电线路导线上，就近采集输电线路原始故障行波电流信息，可实现对非雷击故障的精确定位与原因辨识功能。本文以国家电网500 kV忻石I线非雷击跳闸故障为例，介绍了行波故障指示器系统在故障定位及原因辨识中的应用，结合巡线结果，证明了行波故障指示器监测系统的有效性与可靠性。

【关键词】 行波 故障指示器 监测系统 分布式

近年来，因雷击、台风、外力破坏等原因引起的输电线路故障频繁发生。迅速而准确地对故障点定位，对电力系统的安全稳定和经济运行具有十分重要的作用[1]。基于无线通讯技术和分布式监测技术的输电线路故障诊断系统能够准确地对故障点定位并准确辨识输电线路故障原因。本文以国家电网500kV忻石Ⅰ线为监测对象，分析如何利用故障电流行波的电磁暂态特征准确辨识输电线路故障，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，从而有效提高输电线路运行维护管理水平。

1 输电线路故障定位原理

1.1 行波法原理

这种测距方法采用的是单端测距方案，可以用图1来说明：

图1中测距装置装在M端，在故障点f处产生的行波向两端传播，向M端传播的行波先到达M端的装置并被检测出来，记下这个时刻t1，向N端传播的行波在到达N端后发生反射，反射波回到故障点处又发生透射与反射，其中透射波到达M端并被装置检测到，再记下这个时刻t2，然后就可以根据行波在线路中的，波速v计算出故障点的位置。设x为输电线路中故障处与M端的距离，则参照图1中定位关系式可得：

这种方法依靠反射波来完成故障定位，设行波A最先到达M端，之后在故障点和M端依次反射，相比之下，在N端反射的行波B更晚抵达M端，因此需要辨别该行波是否为N端反射的行波。辨别方法可参照下述原理分析：通常情况下，线路母线段的波阻抗比线路波阻抗值低，根据折反射定理有行反射波相位将与入射波相位相反。同样，行波在故障处发生反射时，行波相位也会变化，而透射不反相。从而行波A与行波B相位相反，并且行波A于M端和故障处共反射2次，从而相位与最先到达M端的行波相同。

从上述原理可将故障处以及M点处的反射波影响精度问题降低至最少。总而言之，A型测距原理的准确度较高，设备需要量也较小，成本较低；主要问题为难以检测反射行波，若在多线路走廊中实现该方法可能受相邻线路影响较大[2]。

1.2 B型测距原理

B型测距原理与A型测距原理有一定相似度，而不同点在于采用双端设备，与双端测距法的设备分布类似，具体原理可参考图2。

如图2，在输电线路MN段中，假设f处发生故障，故障可等效为在f点附加一故障电源，产生故障行波向M、N端传播。当行波到达M端时，M端有定位设备可精确检测，同时依靠GPS精确授时技术，M端设备记录时刻为t1。同样，短暂延迟后，N端设备也检测到从故障点发出的行波，此时系统传输一状态信号至M端设备。该信号通过时间L/v后到达M端且被系统识别，则M端停止计时，通过GPS授时可得时间为t2。由于M、N两端距离已知，波速已知，因此N端设备发送信号到M端的时间为t0已知，而根据故障发生点位置可知M端检测到行波的时间比N端提前，设这两个时刻的时间差为Δt，可得：

若Δt为负，说明行波先到达N端。则根据波传播、衰减特性可推算出行波运行速度v，也即推算出故障位置至M端的距离为

B型测距原理相比于A型测距原理，仅需检测第一个抵达设备的行波波头即可，因此无需再对此行波是否为其他线路反射波加以分析，数据处理上便捷。缺点在于，由于N、M两段间存在信号传输，要求信道畅通且干扰很小，从而导致通信投资过高，成本较大，在工程实际中应用较少。

2 输电线路故障性质辨识原理

输电线路故障按性质可分为雷击故障和非雷击故障。发生雷击跳闸故障和非雷击跳闸故障时，其输电线路上的故障电流行波有着不同的电磁暂态特征。通过对线路上故障电流行波电磁暂态特征的分析，可以准确地辨识输电线路发生故障的性质。

2.1 雷击故障辨识原理

输电线路遭受雷击故障时，在输电线路上监测到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流入输电线路的电流，另一部分是雷电流经杆塔接地装置流入大地后以反射波形式进入输电线路的电流。标准雷电流的波尾时间为50μs，由于流入导线部分的电流波极性与大地反射电流波极性相反，此两种电流分量叠加后雷电流峰值衰减加快，使得行波电流波尾时间变短。因此，在输电线路上监测到的故障电流行波波尾时间必定小于50μs，实际监测到的电流行波数据显示其波尾时间一般在20μs以内。

2.2 非雷击故障辨识原理

输电线路在遭受如污秽、树障、冰灾、鸟害及外力破坏等原因引起的非雷击故障时，由于监测的是故障暂态行波电流，此故障电流的频率要远高于工频，因此可以认为在采样周期内电源电压保持恒定。当发生故障时，其故障行波电流主要由该故障时刻的电源电压决定，而电源电压基本无变化，故障暂态电流呈现阶跃状，在采样时间内电流幅值由零增到峰值后缓慢衰减，因此，非雷击故障电流行波波尾时间较长，一般远大于50μs[3]。

2.3 诊断系统原理

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[4]。当输电线路发生故障时，输电线路故障诊断系统一方面可以精确定位故障点，使得查找和修复故障点的时间大为缩短：另一方面可以准确辨识输电线路故障原因，对运行人员有针对性的对输电线路进行技术改造带来指导，从而使线路故障跳闸率显著降低[5]。

3 输电线路故障诊断系统的应用

选取国家电网500kV忻石Ⅰ线近期发生的故障跳闸进行诊断分析。

3.1 事故基本情况介绍

国家电网500kV忻石Ⅰ线全长193.475km，属国家电网山西省电力公司山西省检修。在#211杆塔安装了输电线路分布式故障诊断终端，如图3所示。

该线路在2015年11月23日至24日连续发生2次跳闸事故，故障记录如表1所示。查询输电线路诊断系统，发现2次故障记录的工频电流和行波电流基本一致，判断该线路2次故障点在同一位置。选取08：14：17 002毫秒时刻诊断系统所记录的线路故障波形进行分析：

如图4所示，输电线路分布式故障诊断终端于2015-11-23 08：14：17于忻石Ⅰ线上监测到工频分闸电流波形，A相故障电流增大约两个半周期后归零，符合线路发生故障时工频电流特征，因此系统判断忻石Ⅰ线于2015-11-23 08：14：17发生跳闸故障。

如图5故障跳闸时刻电流波形所示：该波形记录的是故障行波电流在故障点与变电站反射造成，行波电流从故障点发出向线路两端传输，负极性行波直接经过#221杆塔终端，正极性行波经变电站反射经过#221杆塔终端。从图6中可知，正负极性行波电流传至#221杆塔的时间差为388微秒，则故障点与忻都站的距离约为 56.260公里，约等于忻都站杆塔与#132杆塔的距离。因此，此次忻石Ⅰ线故障点最终定位在#132杆塔附近。输电线路故障诊断系统诊断结果表2所示。

根据系统记录的电流波形，故障时刻高频电流行波波尾持续时间大于40微秒，符合非雷击特征。因此，此次忻石Ⅰ线故障性质最终确定为非雷击故障。

3.2 巡线结果

故障发生后，工作人员根据故障诊断系统诊断结果展开巡线工作，发现132号杆塔由于漂浮物导致相间异常放电，如图7所示。将故障排除后，故障诊断终端显示线路运行恢复正常。

4 结语

（1）两次故障波形特征相同，故障行波波尾持续时间大于40微秒，故障性质为非雷击故障。（2）忻石Ⅰ线线路全长193.475公里，仅安装一套输电线路分布式故障诊断终端，未达到理想配置原则即间隔30公里总共安装7套终端。因此本次定位仅能做单端反射波定位，无双端GPS结果验证，定位结果疑似#132杆塔。

参考文献：

[1]彭向阳，李鑫，姚森敬，等.基于行波电流暂态特性的输电线路故障原因辨识[J].南方电网技术，2012（5）.

[2]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，2007.

[3]段大鹏，任志刚，叶宽，张玉佳，陆宇航，韩良.110kV同塔双回输电线路雷击双跳故障录波分析与过电压计算[J].高压电器，2013（12）：69-74.

[4]电力行业标准.110～500kV架空送电线路设计技术规程[S].（DL/T 5092-1999）.

[5]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，2007.