蔡偉斌

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司高郵市供電分公司 江蘇 揚(yáng)州 225600

1 高壓輸電線路的故障類型及識(shí)別

1.1 弧光性故障及識(shí)別

弧光性故障屬于不穩(wěn)定的接地故障，統(tǒng)計(jì)顯示，弧光性故障比例占10%，其具有如下特點(diǎn)：對(duì)地絕緣能力降低，當(dāng)相電壓升至一定程度時(shí)會(huì)引發(fā)絕緣擊穿，導(dǎo)致沿面或經(jīng)空氣放電，電壓降低后可使絕緣恢復(fù)，并循環(huán)多次。一旦輸電線路絕緣子出現(xiàn)裂縫、損傷，或與建筑物過(guò)近等，均會(huì)引發(fā)弧光性故障?；」庑怨收暇哂卸啻螕舸┈F(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)電荷迅速移動(dòng)，引發(fā)循環(huán)多次的瞬時(shí)大電流，幅值高達(dá)百安，破壞力極強(qiáng)。

針對(duì)輸電線路中的弧光性接地故障與雷擊故障，可采用電流故障行波的2個(gè)特征頻帶中的頻譜能量比與波形系數(shù)加以識(shí)別，借助電磁暫態(tài)軟件建立仿真模型對(duì)輸電線路故障加以仿真，并對(duì)故障行波信號(hào)加以識(shí)別，可取0～3kHz為首個(gè)特征頻帶，對(duì)其能量加以計(jì)算；取3～6kHz為另一特征頻帶，對(duì)其能量加以計(jì)算，以二者的能量比作為依據(jù)來(lái)識(shí)別雷擊故障與弧光性故障。

1.2 過(guò)渡阻抗性故障及識(shí)別

過(guò)渡阻抗性故障是因外界物體接觸線路而引發(fā)的對(duì)物放電故障，其涉及種類較多，并時(shí)常有電弧放電現(xiàn)象發(fā)生，而有些諸如鳥(niǎo)閃、閃絡(luò)、異物接線等故障也可能無(wú)電弧現(xiàn)象。此類故障多因接地故障通過(guò)介質(zhì)產(chǎn)生，因而其阻抗特點(diǎn)多源自介質(zhì)阻抗，故障阻抗主要包括兩部分：①介質(zhì)與大地所產(chǎn)生的非有效接觸阻抗；②諸如桿塔、設(shè)備、樹(shù)枝等介質(zhì)所引發(fā)的有效接觸阻抗，在所有介質(zhì)中，將金屬性及阻值趨零的介質(zhì)劃入金屬性故障之中，不在此類故障研究范圍。

通常而言，非有效接觸所引發(fā)的阻抗不會(huì)隨著外加電壓變化而發(fā)生變化，可視為一個(gè)線性電阻；而其他介質(zhì)因多含水、內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，因而可能引發(fā)的過(guò)渡阻抗值不盡相同，但有研究顯示，其故障阻抗幅值呈線性增長(zhǎng)。以污閃故障為例，其屬于逐步發(fā)展過(guò)程，絕緣子表面多有電磁現(xiàn)象，因而故障錄波波形上會(huì)出現(xiàn)中性線電流扭曲情況，若最后一次中性線電流扭曲與閃絡(luò)時(shí)間間隔相等，即可確定為污閃故障。若是輸電線路對(duì)樹(shù)木的放電，由于放電電流逐漸變大，因而可從故障錄波數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)加以識(shí)別。

2 高壓輸電線路的故障測(cè)距的幾種方法

2.1 雙端同步測(cè)距法

2.1.1 兩側(cè)電壓法。對(duì)于電流互感器飽和造成的測(cè)距誤差，為了能有效避免，相關(guān)人員提出了在線路兩端同步開(kāi)展的電壓相量測(cè)距算法，該方法在理論上而言，能不受飽和側(cè)電流的影響，不需要電流相量參與。對(duì)于這一指標(biāo)與過(guò)渡電阻和故障類型無(wú)關(guān)，僅與線路阻抗、故障距離的情況有關(guān)，已由故障線路正序端電壓TE指標(biāo)相關(guān)概念加以證實(shí)[1]。然后通過(guò)軟件仿真獲取電壓比指標(biāo)與故障點(diǎn)位置的單調(diào)曲線關(guān)系，以此來(lái)匹配定位三端與兩端線路，進(jìn)而得到唯一的距離解。這一方法經(jīng)過(guò)實(shí)際仿真表明精度較高，但在使用該種方法時(shí)，需要提供兩側(cè)系統(tǒng)的等效阻抗，兩側(cè)系統(tǒng)阻抗在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在缺乏電流的情況下，具有一定的變化，難以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，所以這種測(cè)距算法較為理想化。

2.1.2 本側(cè)電壓電流對(duì)側(cè)電流法。因?yàn)殡娏骰ジ衅骱苋菀自诠收习l(fā)生時(shí)達(dá)到飽和，造成采樣波形的異樣，所以難以對(duì)真實(shí)的故障電流進(jìn)行正確反映。而對(duì)輸電線路雙端測(cè)距算法造成影響的主要因素就是電流互感器飽和，而補(bǔ)償矯正飽和電流就是對(duì)飽和影響故障測(cè)距的解決手段，但對(duì)于飽和電流完全矯正，在實(shí)際操作中很難做到。而對(duì)兩側(cè)電壓和另一側(cè)電流的研究利用就是另一種解決的途徑，其主要是對(duì)CT飽和的一側(cè)電流不考慮，具有更廣泛的應(yīng)用和更高的測(cè)距精度。

2.2 行波法

行波法的主要原理就是行波法暫態(tài)行波理論，在輸電線路發(fā)生故障時(shí)，行波法依據(jù)的測(cè)算方法會(huì)在線路中產(chǎn)生故障行波，在其他阻抗不連續(xù)點(diǎn)和故障點(diǎn)發(fā)生反射與折射的情況。隨著光電流互感器和光電壓互感器的逐步使用，對(duì)存在于故障測(cè)試中過(guò)渡電阻帶來(lái)的影響進(jìn)行了有效減少，大大提升了該方法的適應(yīng)力。

但目前仍有一些問(wèn)題存在于這種方法中，如故障點(diǎn)與測(cè)距裝置間的距離較小，即難以測(cè)量故障點(diǎn)位置，會(huì)出現(xiàn)測(cè)距死區(qū)。另外，在識(shí)別與標(biāo)定射波方面有不準(zhǔn)確的情況，無(wú)法區(qū)分出故障點(diǎn)發(fā)射波與端母線反射波。輸電線路故障行波在故障時(shí)刻電壓初相角較小時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不清晰的狀態(tài)，這樣就會(huì)無(wú)法進(jìn)行故障測(cè)距，導(dǎo)致行波信號(hào)微弱。

2.3 故障分析法

當(dāng)線路發(fā)生故障，在明確輸電線路系統(tǒng)的線路參數(shù)與運(yùn)行模式下，可以測(cè)量裝置處，得到電流值和電壓值，和故障距離間呈函數(shù)關(guān)系，為了創(chuàng)建關(guān)于電流與電壓的回路方程，可選擇故障錄波中的故障數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，再通過(guò)運(yùn)算、分析，獲取到最終的故障距離。

2.3.1 雙端數(shù)據(jù)的故障分析法。在故障測(cè)距時(shí)，該種方法主要是依據(jù)一端電壓、兩端電流進(jìn)行，如基于線路兩側(cè)零序電流的比值，可以將單相接地故障的位置測(cè)算出來(lái)。但是缺少對(duì)分布電容作用的考慮。另外，在不同運(yùn)行模式下，需要預(yù)先畫(huà)出線路下零序電流分布曲線，運(yùn)行模式與實(shí)際測(cè)距結(jié)果有著密不可分的關(guān)系。

2.3.2 單端數(shù)據(jù)故障分析法。解方程法、阻抗法、電壓法就是單端數(shù)據(jù)故障包含的幾種方法。解方程法主要是參照系統(tǒng)模型與輸電線路參數(shù)，對(duì)測(cè)距點(diǎn)的進(jìn)行測(cè)量，得出電流與電壓，進(jìn)而運(yùn)用解方程的方式獲取故障點(diǎn)距離。阻抗法主要是當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，對(duì)線路一側(cè)進(jìn)行測(cè)量，獲取電流值與電壓值，在運(yùn)用計(jì)算獲取故障回路的阻抗，故障區(qū)和被測(cè)量區(qū)的距離與阻抗形成正比，從而獲取故障距離。電壓法主要是發(fā)生故障處的電壓值在線路故障時(shí)會(huì)急劇下降，并通過(guò)計(jì)算各種故障相電壓的沿線分布狀況，獲取故障相電壓的最低點(diǎn)，滿足故障測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 智能化測(cè)距法

當(dāng)前與其他方法相比，智能測(cè)距方法還處于研究和發(fā)展中，在對(duì)高效化測(cè)量方法研究時(shí)，相關(guān)人員提出了相關(guān)優(yōu)化方法、卡爾曼濾波技術(shù)、模糊理論、紅外線技術(shù)等多種智能化測(cè)距理論。除具有高效性外，智能化測(cè)距方法還可以采用數(shù)字形式表現(xiàn)故障距離，更加直觀，對(duì)網(wǎng)絡(luò)這一先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了充分利用。在分析數(shù)據(jù)過(guò)程中，采用電子信息技術(shù)具有穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段有一些弊端存在于智能化測(cè)距法中，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其易受到故障距離、輸電線路參數(shù)變化、對(duì)端系統(tǒng)的阻抗變化、測(cè)量端以及電氣量取值不準(zhǔn)確的影響，所以，為了不對(duì)輸電線路故障定位準(zhǔn)確性造成影響，導(dǎo)致訓(xùn)練不收斂，需要大量的訓(xùn)練樣本。

3 故障分析法在故障測(cè)距中的應(yīng)用

在確定高壓輸電線路運(yùn)行方式和相關(guān)參數(shù)的過(guò)程中，可以直接測(cè)量裝置的電壓值和電流值。如果故障檢測(cè)結(jié)果是與故障距離的函數(shù)關(guān)系，則需要根據(jù)其中包含的故障數(shù)據(jù)建立其電路方程，最終得到故障距離。

3.1 單端數(shù)據(jù)故障分析模式

單端數(shù)據(jù)故障分析方法主要有電壓法、方程求解法和電阻法[2]。①電壓法，根據(jù)高壓輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)處的電壓會(huì)迅速下降，從而詳細(xì)計(jì)算出各故障電壓的實(shí)際分布情況，進(jìn)而得出電流電壓的最低點(diǎn)，達(dá)到故障定位的主要目的；②解方程法。根據(jù)高壓輸電線路系統(tǒng)的模型和相關(guān)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量故障點(diǎn)的電流和電壓，結(jié)合方程完成故障測(cè)距，得到最終結(jié)果；③阻抗法。在高壓輸電線路故障過(guò)程中，對(duì)線路一側(cè)進(jìn)行測(cè)量，記錄電流值和電壓值。在此基礎(chǔ)上，得到了比阻抗。同時(shí)，故障區(qū)域與被測(cè)區(qū)域之間的距離與阻抗成正比，從而得到高壓輸電線路的故障測(cè)距結(jié)果。

3.2 雙端數(shù)據(jù)故障分析方式

雙端數(shù)據(jù)故障分析方法，基本上是以一端電壓、兩端電流為基礎(chǔ)，對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行故障測(cè)距，本文將詳細(xì)介紹該方法的主要內(nèi)容。

3.2.1 在測(cè)距過(guò)程中，工作人員根據(jù)高壓輸電線路兩側(cè)零序電流的有效比值，對(duì)單個(gè)接地故障進(jìn)行了估算，但由于沒(méi)有考慮分布電容的影響，加上事先已完成的線路設(shè)計(jì)是在不同方式下、高壓輸電線路零序電流的具體分布情況下進(jìn)行的，所以對(duì)高壓輸電線路最終測(cè)距結(jié)果，與現(xiàn)行運(yùn)行方式有著密切的關(guān)系。

3.2.2 利用高壓輸電線路一端的電流、電壓和另一端的電流作為故障測(cè)距的依據(jù)，這種方法有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，那就是通過(guò)分相電流差來(lái)保護(hù)電流信息，甚至可以在一定程度上忽略關(guān)于數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題。

3.2.3 以高壓輸電線路兩側(cè)的電流、電壓為依據(jù)進(jìn)行故障定位。這時(shí)，工作人員需要計(jì)算兩端阻抗繼電器的實(shí)際阻抗值，并結(jié)合兩端電流建立方程，但要注意解中有真根的現(xiàn)象。

4 行波法在故障測(cè)距中的應(yīng)用

4.1 獲取行波

在高壓輸電線路故障測(cè)距環(huán)節(jié)中，暫態(tài)行波可以覆蓋交流寬度的頻段，基本上可以超過(guò)kHz。為了合理、順利地觀察二次端的傳輸線，需要對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行更專門的設(shè)置，使其以最快的速度完成反應(yīng)。例如，當(dāng)行波速度等于光速時(shí)，為了將故障測(cè)距的實(shí)際分辨率控制在500m以內(nèi)，必須將電流和電壓的暫態(tài)信號(hào)響應(yīng)時(shí)間設(shè)置在3.3μs以下，通常高壓輸電線路中安裝多臺(tái)電壓互感器會(huì)限制故障測(cè)距的精度行波變換在很大程度上影響了行波的變換效果，因此不能有效地利用。為了解決這一問(wèn)題，可以將電壓互感器的接地線和電感線圈串聯(lián)起來(lái)，從而達(dá)到獲取行波的目的。此外，行波傳感器還可以應(yīng)用于高壓輸電線路中，對(duì)CVT線路產(chǎn)生的電流進(jìn)行耦合，得到線路中的故障行波。

4.2 識(shí)別波頭

在對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行故障測(cè)距的環(huán)節(jié)中，工作人員為了對(duì)波頭進(jìn)行識(shí)別，常常會(huì)采用軟件法、硬件法的方式。在這樣傳統(tǒng)的檢測(cè)方式中，實(shí)際上存在較多的局限性，基本上并不能將其應(yīng)用在單端行波法故障的測(cè)距中，也就是說(shuō)會(huì)直接降低測(cè)距結(jié)果的精準(zhǔn)性、有效性，影響工作的質(zhì)量[3]。針對(duì)這樣的問(wèn)題，相關(guān)的研究人員、專家提出了很多更加科學(xué)的解決措施，其中優(yōu)勢(shì)最為顯著的就是HHT方式。采用HHT方式開(kāi)展工作，在增強(qiáng)檢測(cè)故障性波動(dòng)質(zhì)量的同時(shí)，還能夠更好地適應(yīng)工作環(huán)境，甚至不會(huì)受到外界因素的影響，且沒(méi)有關(guān)于基函數(shù)選擇的特殊要求，而其劣勢(shì)在于搜集的行波信號(hào)會(huì)受噪音影響，影響獲取波頭的精準(zhǔn)性。

4.3 確定波速

就目前的情況而言，在行波傳輸過(guò)程中，往往受到不同因素的影響。在三條傳輸線中，行波包括地模分量和線模分量。結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，地模分量和線模分量是影響行波傳播效果的關(guān)鍵因素，主要包括換位點(diǎn)、過(guò)渡電阻、接地電阻等。同時(shí)，研究結(jié)果表明，與線模分量相比，地模分量更容易影響行波的傳播，因此工作人員可以將線模分量應(yīng)用于高壓輸電線路的故障測(cè)距。在波速方面，工作人員需要以高壓輸電線路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，也需要以人工信號(hào)為起點(diǎn)來(lái)測(cè)量被測(cè)高壓輸電線路的長(zhǎng)度?；诖朔椒?，在高壓輸電線路故障測(cè)距工作中，可以最大限度地減小因偏斜引起的誤差，提高測(cè)距結(jié)果的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高壓輸電線路的故障定位對(duì)保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，在實(shí)際工作中，工作人員將故障分析法、行波法等方法合理應(yīng)用于高壓輸電線路故障測(cè)距工作中，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)存在的故障點(diǎn)，從而提高工作質(zhì)量和效率，為員工制定后續(xù)工作計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。因此，為了保證高壓輸電線路故障測(cè)距的有效性，有必要在工作中合理應(yīng)用該工作方法。