盧圣財(cái)，吳旭鵬，許菲菲，沈 良，俞 玲，王聞燚，張 森，徐梓源

(國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

目前，110，35 kV高壓配電網(wǎng)大部分都為架空、電纜混合線路，當(dāng)線路發(fā)生故障后，運(yùn)行檢修人員主要采用人工排查的方式查找、定位故障點(diǎn)，由于輸電線路都有一定的距離，整段查找效率較低，耗費(fèi)時(shí)間較長，導(dǎo)致供電可靠性下降。由于一些輸電線路所處地理環(huán)境惡劣，這就使得故障點(diǎn)的查找更加困難。因此，研發(fā)實(shí)用化故障定位方法對(duì)于故障點(diǎn)的高效定位和供電的及時(shí)恢復(fù)具有重要意義。

國內(nèi)外對(duì)故障定位方法的研究按照原理主要分為兩種：一種是阻抗測距法，另一種是行波測距法[1-5]。當(dāng)前，110 kV線路通常都配置有故障錄波系統(tǒng)，35 kV線路也陸續(xù)逐漸配置。故該方法不再需要添加額外的測量設(shè)備，成本低廉，原理簡單。但因阻抗法需要準(zhǔn)確的故障電壓和電流以及線路阻抗數(shù)據(jù)為依托，對(duì)于混合線路還需要線路的分布參數(shù)，目前在混合線路上的研究還停留在理論與仿真上，并沒有大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際，也沒有大量的真實(shí)故障錄波數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

1 故障選線及故障時(shí)刻檢測

1.1 信號(hào)奇異點(diǎn)

通常情況下，當(dāng)電力系統(tǒng)線路發(fā)生故障時(shí)，一個(gè)典型的故障過程波形對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的故障應(yīng)有相應(yīng)的劇烈變動(dòng)的時(shí)刻，這些波形突變時(shí)刻亦即信號(hào)的奇異點(diǎn)[6]。例如典型的線路發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)波形上有故障發(fā)生時(shí)刻T1，保護(hù)動(dòng)作切除故障，對(duì)應(yīng)故障切除時(shí)刻T2，重合閘時(shí)刻T3，重合閘之后再切除故障時(shí)刻T4。

信號(hào)的奇異性可由Lipschitz指數(shù)來描述，可通過計(jì)算Lipschitz指數(shù)來檢測和識(shí)別信號(hào)的突變點(diǎn)。在保證分解尺度和消失矩階數(shù)且能夠精確檢測奇異點(diǎn)的前提下，選擇第2尺度上的db4小波系數(shù)對(duì)故障錄波進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測。

1.2 基于小波變換及突變量法相結(jié)合的故障特征時(shí)刻提取

基于小波變換及突變量法相結(jié)合的突變時(shí)刻檢測方法的流程圖如圖1所示[6]。首先，將采樣序列按采樣頻率數(shù)分段采用利用db4小波進(jìn)行分解，邊界卷積通過對(duì)稱周期拓延解決。然后，通過重構(gòu)第二解析度序列生成新的序列R(n)，選取其中的非零值，篩選形成序列Y(n)，并計(jì)算其平均值Y，進(jìn)而利用Y完成進(jìn)一步的篩選形成Z(n)。最后，計(jì)算Z(n)每一分段序列的模極大值得到可疑奇異點(diǎn)集Sset，再根據(jù)Sset中每一個(gè)可疑點(diǎn)采用突變量比較法得到所需的突變點(diǎn)。

圖1 突變時(shí)刻檢測流程圖

1.3 實(shí)用化的故障選線

通過對(duì)比提取的故障特征時(shí)刻個(gè)數(shù)及其前后電流變化特征進(jìn)行故障選線，選線過程見圖2。由圖2可以看出，由于T1時(shí)刻可由故障錄波啟動(dòng)點(diǎn)直接判斷，因此在進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測之前，先通過判斷T1時(shí)刻之后線路所處的狀態(tài)。若不是故障狀態(tài)，則可以判斷非本線路故障；若是，則提取該通道的故障特征時(shí)刻。若提取出的故障特征時(shí)刻個(gè)數(shù)小于2，說明波形突變特征不明顯或未突變，可判斷非本線路故障。若故障特征時(shí)刻個(gè)數(shù)大于2，繼續(xù)計(jì)算T2時(shí)刻之后電流有效值，如果電流發(fā)生突變且T2時(shí)刻之后電流接近于0，說明T2時(shí)刻之后為故障切除狀態(tài)，則表示該線路為故障線路。同時(shí)，通過計(jì)算T2與T1之間的時(shí)間差加強(qiáng)選線判斷，若T2與T1之間時(shí)間差大于線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，說明故障由上級(jí)線路越級(jí)跳閘造成，無法進(jìn)行故障選線。

圖2 故障選線流程圖

2 基于阻抗法的故障測距原理

2.1 單端電源系統(tǒng)計(jì)算

2.1.1 單相接地故障

單端電源系統(tǒng)接地短路等效系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 單端電源系統(tǒng)接地短路示意圖

由對(duì)稱分量法分析可知：

(1)

(2)

則可得：

(3)

假設(shè)

(4)

則有

rm+jxm=Rg+(kir+jkii)(r1+jx1)Lk

(5)

由兩邊虛部相等可得：

xm=(kirx1+kiir1)Lk

(6)

考慮現(xiàn)場運(yùn)行情況，假設(shè)故障發(fā)生在架空線段上，并設(shè)Km=kirx1+kiir1，此系數(shù)對(duì)于架空線路和電纜線路不同，設(shè)架空線路該系數(shù)為Kmjk，電纜線路該系數(shù)為Kmdl，以及故障點(diǎn)到測量處電纜段長度為D，由于推導(dǎo)過程基于距離線性變換，故有：

xm=KmdlD+Kmjk(Lk-D)

(7)

則有：

(8)

2.1.2 兩相短路故障

以AB相故障為例，有：

(9)

(10)

(11)

故有：

(12)

xm=x1Lk

(13)

則可設(shè)Km=x1，之后計(jì)算過程與單相接地時(shí)相同。

2.1.3 兩相接地故障

兩相接地故障可分別按兩相短路以及單相接地進(jìn)行計(jì)算并綜合分析。

2.1.4 三相短路故障

三相短路故障可按兩相短路進(jìn)行計(jì)算并綜合分析。

2.2 雙端電源系統(tǒng)計(jì)算

3 算例分析

通過220 kV大學(xué)站送往35 kV佘山站的35 kV學(xué)佘9140線路發(fā)生C相單相接地故障并重合成功進(jìn)行測試與算例分析。學(xué)佘9140線路接于大學(xué)站1號(hào)主變35 kV側(cè)Ⅱ母上，由于大學(xué)站并未記錄35 kV各線路的電流數(shù)據(jù)，只記錄有1號(hào)主變35 kVⅡ母側(cè)電壓采樣數(shù)據(jù)以及2號(hào)接地變電流采樣數(shù)據(jù)。

由于佘山站負(fù)荷電流較小，測距過程中可不考慮其影響，因此采用2號(hào)接地變電流采樣數(shù)據(jù)作為故障電流數(shù)據(jù)。各采樣波形如圖4和圖5所示。

圖4 1號(hào)主變35 kVⅡ母側(cè)電壓采樣波形

圖5 2號(hào)接地變采樣波形

3.1 故障特征時(shí)刻提取及故障取點(diǎn)

220 kV大學(xué)站的故障錄波采樣信息配置如表1所示，共分4段進(jìn)行采樣。

表1 大學(xué)站故障錄波采樣信息

對(duì)序列進(jìn)行分析后，可以得到各相波形突變時(shí)刻如表2所示。由表2不難看出，雖然存在誤差，但均在允許范圍內(nèi)，符合實(shí)際工程應(yīng)用需求。

表2 2號(hào)接地變各相突變時(shí)刻表 ms

取T1時(shí)刻之后兩周波計(jì)算電壓電流值如表3所示。

表3 故障定位所需電壓電流值

3.2 故障定位計(jì)算

學(xué)佘9140為混合線路，架空線長度為4.377 km，型號(hào)為LGJ-185，電纜長度為7.911 km，型號(hào)為YJV 3×400，參數(shù)計(jì)算如表4所示。

表4 電纜及架空線路參數(shù)計(jì)算表

其中，對(duì)于電纜線路，取r0=10r1，x0=4.5x1，而對(duì)于架空線路，取r0=r1，x0=3.5x1。

學(xué)佘9140電纜及架空線路分布參數(shù)見圖6。

圖6 學(xué)佘9140電纜及架空線路分布圖

由表3電壓電流值可得：

7.016∠43.609°=5.080 0+j4.839 1

(14)

則有

6.470+0.680D

(15)

由于單相接地故障保護(hù)重合成功，基本可確定為架空線故障。由計(jì)算公式可知故障不可能發(fā)生在初始段的7、8 m處。其余剩下四個(gè)架空線路段，分別標(biāo)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段，Ⅰ段為1 257 m，Ⅱ段為242 m，Ⅲ段為447 m、Ⅳ段為2 426 m，如圖7所示。

分別計(jì)算在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段架空線發(fā)生故障時(shí)的故障距離，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 故障測距計(jì)算結(jié)果 km

由計(jì)算結(jié)果可知，可大概率確定故障發(fā)生在Ⅳ段，即第Ⅳ段架空線起點(diǎn)處2.08 km左右，但應(yīng)考慮允許誤差。后經(jīng)過巡視檢修發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生在距Ⅳ段架空線起始1.8 km處。

4 結(jié)語

通過對(duì)阻抗法的改進(jìn)并結(jié)合準(zhǔn)確、詳盡的故障錄波數(shù)據(jù)，同時(shí)融合不同部門間的阻抗、線路分布參數(shù)等數(shù)據(jù)，該方法能夠較好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確地定位故障區(qū)域，誤差在允許范圍內(nèi)，滿足實(shí)用化需求;能夠較好地改善目前輸電線路故障點(diǎn)查找定位的應(yīng)用現(xiàn)狀，更好地輔助運(yùn)檢人員進(jìn)行日常維護(hù)工作，從而提高工作效率，節(jié)省時(shí)間、人力成本。