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高压输电线路故障定位方法研究

王飞
摘 要：高压输电线路，是我国电网系统中的一个重要的组成部分，承载着输送电能的重要任务，由于高压输电线路的分布范围非常广，非常容易发生故障。如何准确、快速的定位故障线路位置，是电网维护领域的基本任务，也是故障工作排除的重要组成部分。对现有的高压输电线路故障定位技术进行了研究，分析介绍了目前应用最为广泛的高压输电线路故障定位方法，并分析了目前方法存在的问题以及对未来高压输电线路故障定位技术的发展做出了展望。
关键词：高压输电线路；故障定位；线路故障
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1 高压输电线路的故障类型
其一，永久性故障此类故障是指一个或者多个导体对地以及导体之间的短路故障。这种故障多产生于外力，如风暴、施工、地震等，对输电线路造成严重的机械性损害。发生此类故障时，不可能成功地进行重合闸。其二，瞬时性故障这类故障多属于因雷电等过电压而引起的闪络，也可能因树枝或鸟类造成短时间导体对地或导体之间的接触。发生此类故障时，不会造成致命性的绝缘伤害，可以成功地进行重合闸。其三，绝缘击穿此类故障多因输电线老化、冰雪，使之瞬时性过电压闪络破坏、污秽等原因而造成线路的某一点绝缘性能下降。在低电压情况下不会产生故障状态，在正常运行的电压情况下，会导致绝缘击穿，造成短路，并且重合闸不成功，故障切除后没有明显被破坏的迹象。其四，隐性故障该类故障是在发展到瞬时性闪络或是输电线击穿导致永久性故障之前，一般不可测。它不妨碍电力系统的正常运行，但会缩小输电线路绝缘因承受电压冲击所设计的余量。此类故障即指一般的绝缘性老化，在正常的电压情况下不击穿。
2 常见的故障定位方法
2.1 阻抗法
该方法基于假设的条件为: 三相完全对称; 工频基波量; 不考虑过渡电阻、传感器特性、故障暂态谐波、系统参数及线路参数等因素的影响。因此，该方法存在两个主要问题: 一是测量精度较低。它受线路结构不对称、电流互感器误差、故障点过渡电阻、故障类型和对端负荷阻抗等因素的影响较大，适应能力较弱; 二是它不适用于带串补电容线路、直流输电线路、某些同杆双回线路以及 T 接线路的故障定位，在处理闪络故障和高阻接地故障时精度不高，只适合结构较简单的线路。
2.2 行波法
电力系统中的高压输电线路一般看作为均匀分布参数的电路，由于存在分布电容和分布电感，当线路中发生故障时，故障点产生的行波会向线路的两端传播。如果在传输的过程中输电线路的波阻抗和参数发生变化，那么行波将会发生折射和反射现象。虽然行波法故障定位的精度和可靠性在理论上不受故障电阻、两侧系统及线路类型的影响，但在工程实际中却受到很多因素的制约，需要进一步解决。行波法存在的主要问题如下:1) 要准确提取暂态行波分量。2) 识别与标定故障点的反射波。3) 标定故障初始行波的到达时刻。4) 确定波的速度。
2.3 信号注入法
主要是利用主动式的向线路注入一个信号来实现故障定位，不受消弧线圈影响，无需安装零序电流互感器。但在实际电网应用中存在如下缺点:1) 注入信号强度受电压互感器容量的限制。2) 电力系统的负荷种类较多和非线性特性对电网造成的污染，使得电网中存在着接近注入信号频率的信号，对信号的测量造成干扰。3) 接地点存在间歇性的电弧现象会使线路中注入的信号不连续并且破坏其特征，给故障定位带来困难。当接地电阻很大时，线路上的分布电容将对注入的信号进行分流，干扰线路的故障定位。4) 寻找故障点的时间较长，在此期间有可能引发系统的第二点接地，造成线路的自动跳闸。
3 基于电压行波的高压输电线路故障定位系统研究
3 . 1 电压行波故障定位法的基本原理
电压行波法有A、B、二类,这里以A类为例简要分析行波法故障定位的基本原理。A型定位原理是根据线路故障时产生的行波在测量端和故障点来回反射的时间差和波速的乘积来定位的。A型只需在线路一端安装设备,定位精度不受过渡阻抗的影响,可以检测瞬时故障和永久性故障,但存在反射波波头不易提取的问题。A型定位方法一般采用高速采集装置采集故障行波数据,然后通过复杂的算法识别行波波头,计算出故障点的位置。因此,行波法的主要的问题在于波头提取算法的研究。检测端母线上的行波信号可由初始行波、母线上非故障线路的反射波、故障点反射波、对端母线上的反射波组成。需要检测的初始行波和故障点的反射波,同时还有来自断路器和隔离开关的操作、导线的换位点等等干扰,这就使故障点反射波的检测变得非常困难,来自断路器和隔离开关操作、导线换位点的干扰一般可通过故障检测单元和设置适当的门槛来避开。
3 . 2 故障定位方法设计
由于单端行波法在实用上的缺陷,本文采用双端电压行波法,即B型行波定位来实现输电线路故障定位。B型定位原理是根据线路故障时在故障点产生的初始行波传播到线路两端的时间差和波速来实现故障定位的。B型行波定位需要在线路两端安装设备,不需要对故障点反射波进行识别,定位精度较高,是目前行波法故障定位中使用得最多的一种方法。实现双端行波法故障定位的步骤如下:①行波信号的获取。现场的电压行波都是高电压信号,需要用传感器转变成低压信号。②行波信号的采集。行波信号频率高,根据采样定理,要求采集系统的采样大于行波信号频率的两倍。这就需要高速采集系统才能准确记录行波信号。双端行波法需要记录来自线路两端的行波信号,还需考虑异地采样不同步带来的误差,因此还需设计同步时钟。③相模变换。实际获取的信号为三相电压,根据前面分析需要对三相电压进行相模变换来消除各相电压之间耦合的影响。④求取初始行波到达线路两端的时间差。根据前面测出的相关参数进行时间差的计算,时间差是决定定位精度的关键因素。
3 . 3 故障定位系统设计
输电线路故障定位系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要完成行波信号的获取。现将故障定位系统硬件设计平台设计如以下几点。线路故障产生的电压行波信号,经电压传感器一路到采样启动单元,一路到高速采集模块。当满足行波启动条件后启动A/D转换进行数据采集,同时由GPS同步时钟记录启动时刻。将行波波形与启动时刻保存在工控机,将两端的数据传送到主控室工控机,并进行定位分析。当电网出现过电压时,电压传感器采集到过电压信号后,信号经过信号调理电路传送至数据采集卡,数据采集卡将输入的模拟电压信号转换为计算机所能识别的数字信号,并以文件形式保存在计算机硬盘上。电压传感器是准确获取电压行波信号的关键,这也正是电压行波法长期以来一直受限制的原因。本系统在35kV及以下的配电网采用低阻尼阻容分压器,直接从母线处获取电压信号,110kV输电线路采用特制的电压传感器从电容式套管末屏抽头处获取电压信号。方波实验表明这两种传感器均有较好的响应特性。
4 结语
本文在国内外现有输电线路故障定位方法的基础上,对基于电压行波的输电线路故障定位方法进行了探索和研究,给出了基于电压行波的高压输电线路故障的定位方法,并在此基础上完成了定位系统硬件平台的设计,给出了详细的设计方案和系统工作原理,对于进一步提高高压输电线路故障定位的方法及其系统的研究、应用,无论是从理论研究还是从实践开发商,都具有很好的指导和推广的意义。
参考文献
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