110kV及以上电力线路故障测距探讨

刘勇良

摘 要：文章总结了现阶段各种线路保护测距方法，根据测距的原理将其分为阻抗法、行波法、电压法三大类。通过对线路保护测距原理、误差精度进行分析，对现有的解决测距误差的办法有了清晰的认识。最后，对影响测距精度的其他因素进行了系统分析。

关键词：测距；阻抗法；行波法；电压法；测距原理；误差分析

引言

输电线路故障测距技术目的就是用来解决电力系统运行中故障点精确定位问题。精确的故障定位能够及时提供准确、可靠的信息，减轻人工巡线的负担，同时加快线路的恢复供电，为提高电力系统运行的安全性、经济性和可靠性发挥着重要的作用。

1 故障测距与距离保护中距离测量的不同点

故障测距与距离保护中距离测量虽然都同系统发生故障后故障点与观测点之间距离有关，但距离保护中只要判断故障点处于保护区内或区外，而故障测距则要确定实际距离，所以二者在实现方法和要求上有很大的不同。

1.1 测量方法不同

故障测距只要求装置能算出故障点距离，而距离保护要按规定的动作范围判断故障点在动作区内或是区外。由于距离保护要实时快速进行故障判断，以阻抗测量实现距离测量的距离保护受电力系统结构和运行方式的影响很大。所以它的动作特性要有合理的形状，不能只从（阻抗）测量数值来判断故障状态，这就使得在测量方法上二者有很大的不同点。

1.2 测量实时性要求不同

距离保护中测量元件必须进行实时测量而且要求动作快速，而故障测距根据它的功能并不要求进行快速的测量，这就使得故障测距可以躲过故障发生起始时的过渡过程，提高测量的准确性，还可在永久故障情况下，断路器跳开后再进行测量。

1.3测量精确度要求不同

对保护装置动作范围测量与故障测距的要求是不一样的。对距离保护中阻抗继电器而言一般阻抗测量数值静态测量误差不大于10%，暂态误差不大于5%，也就是认为保护综合误差不大于15%，对故障测距来15%数值误差回带来查找故障点的一系列困难，因此距离保护中阻抗继电器的测量精确度不能满足故障测距的要求，故障测距必须有更高的测量精确度。

2 对线路保护故障测距的技术要求

2.1 必须满足测量精度要求。

作为一种测量装置，对其主要要求是要有高的精确度。同繼电保护测量元件相比，故障测距的精确度要求要高得多。按目前一般规定高压架空线故障测距绝对误差在1～2km之间，这时较长的输电线来说是一个相当高的指标。

2.2 必须满足可靠性要求

虽然对测距装置可靠性的要求不及对继电保护装置那样高，但在保证测量精确度的条件下，工作应尽量可靠。故障测距装置的可靠性由两方面来保证：硬件可靠性和原理可靠性。

从原理上讲，测量可靠性与测量准确性有不同的概念。准确性是测的准不准，而可靠性是能不能测出。如行波测距就有行波能不能被捕捉的问题，同阻抗测距相比，可靠性就可能差一些。

2.3必须满足方便性要求

作为测量装置使用方便，包括调试方便是一个主要要求。为了使用方便，测距应自动能够完成，测量应依靠随故障产生的信号源，最好不需要另加信号源。

3 故障测距的测距原理分类

3.1 阻抗法

从原理上看，测线路故障阻抗与测线路故障距离有密切关系。故障测距中利用阻抗测量线路故障距离也是较早就被采用，目前仍是故障测距常用的一种方法。

3.2 行波法

同阻抗测距不同，阻抗测距依据的是电力系统电气量，所以受电力系统特性的影响很大，而行波测距是根据行波在架空线上至故障点间的传输时间判断，它同电力系统运行方式无关，同架空线结构影响也很小，所以理论上测量精确度很高。行波法测距的困难是行波的捕捉和处理。随着计算技术和信息处理技术的发展，行波测距具有较大的发展和应用前景。

3.3 电压法

线路上发生断路故障，沿线电压值对短路位置很敏感，所以分析发生故障后沿线电压分布是判断故障位置可用的方法，线路上发生故障时，电压最低点就是故障点。但是线路上各点电压实际上不可测的，所以只有通过计算才能确定沿线电压分布。由于目前计算技术的发展，线路故障后算出沿线电压分布已是不难的事。

4 线路保护故障测距原理

目前线路保护的测距功能采用基于线路一侧电压电流的单端测距方法。从原理上讲单端电气量测距最突出的问题是测距精度受过渡电阻的影响很大。单端电气量的测距方法基本分为电抗法和解微分方程法，两种方法的物理意义是完全一致的，仅表达形式不同。

RCS、PSL系列保护采用的均是电抗法。因为系统中单相接地短路居多，同时单相经过渡电阻短路更为普遍，下面分析单相短路的情况。

4.1 单相短路故障测距分析（以RCS系列保护为例）

图1 测距分析用系统简图

在保护安装处，有： （1）

其中：UP：保护安装处故障相电压；

IP、I0：保护、安装处故障相电流及零序电流；

Z1L：线路正序阻抗；

P：测量阻抗的线路全长百分比

Uf：过渡电阻压降

由此，保护安装处测量阻抗：

（2）

？驻Z即为测距误差，

4.2 测量误差分析

由上式可知：

（1）当Rg=0时，即金属性短路的情况下，测距结果准确；

（2）若Rg≠0，测距结果有误差。

产生测距误差的根本原因是因过渡电阻Rg的存在而造成的。故障点电流及两端电流之间的关系（包括幅值关系和相位关系）决定了误差的大小和性质。

5 目前阻抗法故障测距主要问题及其解决方法

阻抗测量是距离保护距离测量的基本方法，用阻抗测量实现距离测量虽然存在不少困难，但也是一门成熟的技术，故障测距长期以来都是采用阻抗测量原理。下面分析几个影响距离测量的问题在阻抗故障测距中是如何考虑的。

故障点弧光电阻对阻抗测距的影响：故障点弧光电阻在阻抗故障测距中对测量精确性影响最大，是主要要克服的问题。主要表现在以下方面：（1）在很大程度上影响故障距离的测量精确度。在单相弧光短路情况下，弧光电阻值相当大，甚至大到几百欧，而线路故障阻抗也不过是几十欧。（2）弧光电阻值是随时间而快速变化的，由于阻抗测距不要求快速，同距离保护Ⅰ段快速动作相比，对故障测距影响要大很多。（3）在两侧电源情况下，对侧电源对故障回路电流的助增，使测距装置感受到的阻抗不但大小有变化而且阻抗角也有变化，使利用一侧电量实行阻抗测距有很大困难。

对于单侧电源的输电线，目前减小弧光电阻对测距的影响的两个主要措施：

（1） 利用测量阻抗的电抗分量测距。目前绝大多数保护、录波器均采用电抗分量法测距，主要原因为阻抗中的电阻在实际测量中对精确测量影响不大，但在过渡电阻大时对保护测距影响大，但电抗分量法测距则不受过渡电阻影响。

（2） 过零测量法

对单侧电源线路来说，容易列出下列微分方程式：

（3）

式中RF、LF为自测量点到故障点F线路电阻和电感分量，？滋m、im为测量电压，测量电流瞬时值。当im=0时，式（3）为

（4）

故得：

（5）

通过电感LF 即可得出短路阻抗ZF ，过零测量法对电流、电压波形无要求。对于微机保护，采用计算机数字算法，微分可以很容易的用差分法实现。

（3） 雙侧电源供电线减小弧光电阻对测距影响的测距方法要困难得多，其中故障分量测距法与故障分析法是常用的故障分量测距法与故障分析法两种，文章将不再进一步阐述。

6 线路故障测距误差偏大的原因与解决办法

（1） CT、PT传变误差及角差会造成故障测距的误差。

（2） 保护定值中线路参数与实际参数间的误差，可能会造成故障测距误差的增大。a.必须及时根据线路变化与实测参数改变定值参数，减少估值带来的误差。b.可以对每条线路进行测距数据跟踪，对两次以上同类型测距不准确的进行线路参数的微调。

（3） 用于测距的线路参数定值应为线路阻抗参数的二次值。必须加强现场工作人员对保护装置原理的学习，特别是对不同厂家保护、录波器的定值整定项有清楚的认识，防止误整定造成测距不准。

（4） 线路分布电容对测距的影响。因为阻抗测距基本原理是用故障电抗（短路电抗）来确定距离。线路对地容抗的出现在很大程度上影响阻抗法测距的准确性，必须加以考虑。

（5） 不同原理线路保护对测距的影响。a.如PSL系列保护测距在保护继电器出口后15MS才开始测距计算，以后每5MS取一个点进行比对，已实现误差的最小化。在实际运行过程中，由于保护与开关动作越来越快，大部分220kV开关加保护动作时间已缩短为40MS，因此在15MS时开关已开始断弧，因此PSL保护开始测距计算时已不是最佳时机，会造成线路保护测距不准。b.根据近几年220kV线路跳闸的实际经验，相间故障由于过渡电阻较小，因此双套主保护、录波器相间测距一般非常准确。但对于单相故障而言，由于接地情况较为复杂，因此双套保护、录波器测距误差较大，实际运行中经常发生与理论故障点与实际故障点偏差较大的情况。

（6） 试点开展智能化测距分析。利用信息子站系统快速、实时、全面的特点，通过对线路故障的联网远传和综合分析，开展智能化故障测距分析，实现线路故障的智能精确测距，为电网事故处理和决策提供又一可靠技术支持。

（7） 对长距离输电线路测距，尽可能采用行波测距。利用运行状态的线路突然故障会产生暂态的电压和电流行波。行波在架空线路中传输速度基本不受线路情况的影响，因此可以利用行波到达的时间来进行故障测距，这类方法适合于长距离输电线路测距。

参考文献

[1]高厚磊，刘海波.基于GPS的双端量故障测距算法研究[J].电力系统及其自动化学报，1998，10（2）：27-33.

[2]束洪春，陈学允，许承斌.基于两端电气量的输电线路故障测距的一种新算法[J].铁道学报，1997，16（2）：49-55.