架空输电线路跳闸故障智能诊断

2017-07-21旻饶玉凡

中国高新技术企业 2017年12期

关键词：诊断系统闪络行波

向旻饶玉凡

（1.湖南科鑫电力设计有限公司，湖南长沙 410007；2.长沙电力职业技术学院，湖南长沙 410001）

架空输电线路跳闸故障智能诊断

向旻1饶玉凡2

（1.湖南科鑫电力设计有限公司，湖南长沙 410007；2.长沙电力职业技术学院，湖南长沙 410001）

架空输电线路跳闸故障对电力系统整体运行威胁很大，因此输电线路故障诊断就成为了系统保证供电的切实关键性技术。文章提出了架空输电线路跳闸故障智能诊断系统，探讨了该系统的故障定位原理与系统基本构成，最后阐述了它在架空输电线路跳闸故障方面的智能诊断技术应用过程。

架空输电线路；跳闸故障；智能诊断系统；故障定位；雷击

智能诊断系统一般基于分布式行波监测技术定位方法来实现行波电流传播在线测量，它能测量波前畸变、等效波速减小弧垂所引发的误差现象，相比于电网雷电定位系统在诊断功能方面及定位方面技术优越性更强。通过它的实际运行观察结果也表明，该智能诊断系统对输电故障的故障区间定位更加精确，能够在防雷分析与架空输电线路故障定性方面发挥关键作用。

1 架空输电线路故障基本概述

架空输电线在外界空中环境暴露，很容易遭受污秽、风雨、覆冰、雷电等各种自然因素的侵袭影响，进而发生跳闸事故。跳闸事故不但会对架空输电线路系统带来严重冲击，也会直接破坏输电线路中的导线和绝缘子等主要附属设施，为系统运行带来巨大的安全隐患。

当前在我国，有关架空输电线路的故障原因辨识监测技术还并不成熟，特别是高精确度的定位技术还有待进一步实用化。虽然目前像国内比较常用的线路参数定位技术与行波定位技术能够在一定程度上实现较高水平的软件算法故障定位，但其准确度有限，还不能实现直接故障原因辨识。因此本文就提出基于架空输电线路的故障智能诊断系统，该系统基于无线通讯技术和分布式监测技术来构建全自动准确监测输电线路故障分析方法，可以说它进一步提高了当前架空输电线路的运行维护水平，因为架空输电线路一旦发生故障，该系统就会准确定位故障点，最大限度缩短故障点查找和故障修复的耗时时间，为及时恢复供电提供了有效保障。另外，它也可以准确辨识架空输电线路中所存在的具体故障原因，指导技术人员开展相关的输电线路技术改造行为，对降低线路故障跳闸率也有一定帮助。

2 智能诊断系统的基本运作原理分析

针对架空输电线路的故障智能诊断系统将遵循故障定位及故障性质识别两方面科学原理，针对上述原理，下文将做出一一分析：

智能诊断系统在架空输电线路故障精确定位方面所采用的是分布式故障定位技术，该技术就是在输电线路上布置多个故障电流信号监测终端装置，它们将输电线路本身划分为若干区间，且这些监测终端装置可以记录工频故障电流与行波电流运行状态，主要利用工频故障电流来确定相应故障区间，基于区间内行波定位来有效提升局部故障定位能力，包括故障定位精确性。从科学层面来讲，它能够在一定程度上降低输电线路中所产生的行波波速、波形衰减、弧垂以及其他干扰信号，有效消除上述因素对系统故障定位精确度的不利影响，如此才实现了针对故障的高精度定位功能。

图1 工频电流流向示意图

如图1，该输电线路故障发生在监测终端之间，具体说就是监测点1与监测点M＋1之间。此时故障点同侧的监测终端记录工频故障电流信号方向应该相同，而故障点两侧所记录的工频故障电流信号应该方向相反。利用该逻辑判断原理就能准确确定故障所发生的实际区间，再通过区间来精确定位。这里所采用的定位方法就是智能诊断系统工频短路电流流向法，它对区间定位的精确性非常之高。

在确定故障区间以后，就要展开系统的行波精确定位程序，由于故障点在两监测终端之间，所以它们的行波电流传播方向一定是朝相反方向，如图2所示：

图2 行波电流流向方向示意图

此时监测终端会记录电流的波形与GPS时钟，再利用下列算式来计算故障点的实际位置为：

式中：l代表故障点距中最近的变电站行波传播距离；Δt代表监测点所监测到的故障点行波到最近的变电站反射故障行波时间差；υ代表故障行波在介质中的实际传播速度。根据以上的故障点定位，智能诊断系统就能快速发现疑似故障点，并顺利进入下一阶段的故障性质识别。

2.2 智能诊断系统的故障性质识别基本原理分析

采苦菜，采苦菜，在首阳山之下。人们所传的话，暂且不要参合。抛开吧，抛开吧，暂且不要附和它。那么人们传的话，怎么能产生作用呢？

一般来说，架空输电线路的故障性质识别都围绕雷击与非雷击两种故障辨识展开。以雷击故障为例，它还包括反击与绕击两种故障辨识。其中反击故障包括两个过程，它们分别为雷击杆塔分流与绝缘子串击穿，考虑到绝缘子击穿过程前导线中一定会产生与雷电流极性相反的耦合电流，所以此时绝缘子串被击穿以后其导线电流一定与雷电电流的极性相同。再看绕击，绕击的幅值一般都偏大，代表了雷电流直接接入导线，此时导线对地电势会快速升高，绝缘子串也会在此时承受超过冲击闪络电压的超负荷电压，导致架空输电线路瞬间发生闪络故障。在绕击过程中，导线行波电流会流入大量雷电流，但却没有反向电磁耦合电流流入。

总体来说，绕击与反击故障都会导致绝缘子出现闪络，瞬间让导线中电流呈现波前波尾部分的陡度增大。相比而言，非雷击故障则多由污秽闪络、鸟闪、冰闪、大风舞动等问题引起，该闪络过程实际上与交流电流变化关系密切，所以相比于雷击故障它的暂态行波电流频率偏低，危害也不如雷击故障大。为了尽可能规避这两种架空输电线路故障，为其建立输电线路故障人工专家诊断系统是非常有必要的，该系统也是基于智能诊断系统而形成的，它主要记录行波电流在两种故障中所呈现的主要特征，进而区分雷击与非雷击故障，特别是绕击与反击故障。

3 架空输电线路故障智能诊断系统的基本构成及应用

3.1 智能诊断系统的基本构成

智能诊断系统基本构成相对复杂，它按照分层分布式体系结构设计，并由现场监测终端、工作站以及数据中心三大部分共同组成。这里数据中心能够提供WEB服务查询功能，满足现场监测终端中数据传输与工作站之间的有效广域网衔接。本文以系统中的现场监测终端为例展开探讨。现场监测终端能够在每一次故障发生后都完整记录它的瞬态行波电流，并通过分析故障瞬态行波差异来确定故障类型，看其是否是雷击故障还是非雷击故障。如果是雷击故障还要进行进一步的故障类型确定，看其是绕击故障还是反击故障。现场监测终端为了监测行波数据还特别设置了GPS时钟数据计算模块，它能够对已存在故障点进行计算并精确确定故障点的位置，所以总体来看该智能诊断系统属于开放型、学习型系统，能够在长期的故障判断实践行为中积累经验，最终形成针对各类故障的识别能力体系。

现场监测终端作为智能诊断系统的核心部分，它就包括了负责监测工频负荷电流、工频故障电流以及实现行波电流信号检测的传感器线圈检测单元；能够对传感器所检测信号进行采集、分析与诊断的数据采集分析单元；能够上传采集信号处理结果的通信单元。上述分支部分帮助现场监测终端第一时间发现线路故障电流与雷击电流，并将这些威胁因素快速远程通知给智能诊断监控系统。同时现场监测终端也接受来自于监控系统所下传的各种参数设置与命令，确保现场监测终端与远方监测系统能够实现基于软件功能的双向数据通信行为，以完成对故障的定位及识别。

3.2 智能诊断系统的实际应用

智能诊断系统能够指导架空输电线路开展相应防雷措施，保证输电线路安全，避免出现跳闸故障。

智能诊断系统所开展的架空输电线路防雷措施主要以差异化防雷为主，这种防雷措施消耗成本较低，却能显著提升输电线路本身的运行可行性。在系统中，就存在雷电定位子系统，它能够有效评估输电线路的走廊落雷密度，预判线路跳闸故障发生的可能性。但考虑到架空输电线路走廊相对复杂且绵长，所经历的地形及气候类型也相对复杂多变，所以智能诊断系统就会启用现场监测终端来实时监测雷击避雷线耦合电流与绕击导线未跳闸电流，基于上文所述的故障定位原理来进行针对雷击故障的雷击点定位，精确判断可能出现的雷击角度，与雷击定位判断结果形成技术互补，提高整体判断结果精确度。在雷电定位系统辅助下，智能诊断系统对架空输电线路的故障定位、识别与排查等环节相对紧凑，其中主要针对架空输电线路的防雷薄弱环节进行技术加强，将其作为重点防护区域来进行监测调整。另外，架空输电线路的跳闸故障原因识别主要根据输电线路暂态行波监测技术展开，系统能通过故障提取来确定闪络通道行波电流特征，基于此来实现对闪络通道中不同故障类型及故障原因的有效识别，这也证明了智能诊断系统在故障定位及识别过程中的高效率性与智能化。

4 案例分析

4.1 架空输电线路跳闸故障案例概述

2016年，某省内大型架空输电线路出现跳闸故障，其中A相掉闸，重合成功，纵联差动测距10.11km，故障录波器测距19km。故障前设备运行正常，其供电负荷为5000MW，线路在2016年未进行过任何检修作业，只在春季对线路耐张绝缘子进行了憎水性测试并喷涂RTV防污闪涂料。该故障出现于大雨雷电天气，其架空线路的线路绝缘子处有异物悬挂，同时在左边缘绝缘子A相部位出现异常现象。技术检修人员申请登塔排查故障，主要对导线进行了详细检查，根据故障时刻配合智能故障点位检测系统进行了高频行波分量与工频分量测试，发现A相监测终端与多处杆塔监测终端记录都存在故障电流，可判定故障点位就在A相与杆塔之间。

4.2 故障原因分析

设置雷电流幅值超过I1与I2的概率分别为P1和P2，并展开计算得出雷击架空输电线路绕机率Pa为：

式中：h表示架空输电线路杆塔实际高度。继续计算雷击的跳闸率n应该为：

式中：hb表示架空输电线路避雷线的平均高度；η表示建弧率；g表示击杆率。

根据上述计算分析得知，雷击杆塔顶部的耐雷水平相对较高，最高可以达到160kA，但它的绕击耐雷水平偏低，只有13kA，绕击耐雷水平概率相当之高（72.82%）。由于反击耐雷水平高于故障时最大雷电流值，因此排除雷击塔顶的可能性。所以可能是由于电流通过架空输电线路铁塔横担位置，击穿空气，造成下均压环，形成短路电流，最后造成跳闸，是典型的直击雷绕闪络故障。

4.3 跳闸故障智能诊断对策

考虑到直击雷绕闪络故障的危害影响性，可以考虑在雷击塔顶绝缘子串闪络前判别行波电流在起始区间是否出现了反极性电流，以此来获取仿真计算及现场数据验证结果。同时还可以考虑架设耦合地线，配合分流耦合雷击电流分析，最大限度降低绝缘子串上承受电压，提高线路整体耐雷水平，同时降低绕击跳闸率。