直流融冰架空地线单端行波故障测距

韩 浩 陈 平 徐丽丽 刘 琦 吕晓丽

山东理工大学 电气与电子工程学院 山东 淄博 255049

0 概述

近年来，经常出现冰雪灾害压塌输电线路的现象，这对电力系统及电力用户造成了严重困扰，电力公司为保证正常供电，在一些冰雪灾害严重的线路上加装融冰装置，对冰雪天气下的覆冰线路进行融冰［1-2］。目前常用的融冰方式主要是直流融冰，直流融冰是指对覆冰线路通入直流，使覆冰线路发热进而融冰［3-4］。架空地线进行融冰过程中可能会发生故障，不能顺利融冰，只能通过人工巡线寻找故障，保证正常融冰。但是这种查找故障的方法费力且不经济。所以在融冰的过程中迅速查找故障，并进行准确地故障定位，对于确保顺利融冰具有重要意义。

目前对输电线路进行故障检测的方法中，阻抗法和行波法是最常用的。阻抗法主要是是通过测量故障线路的阻抗，并与单位长度线路的阻抗进行比较，得到故障点与测距装置之间的距离的一种测距方法［5］。行波法主要是通过测量发生故障时，故障点产生的行波到达测量端的时间，通过行波的波速和向线路两端传播的时间来确定故障点的位置，包括单端和双端两种行波测距法。双端法主要是根据线路两端分别接收到的故障行波的到达时刻进行故障定位［6］。这种测距方法需要两端的时间绝对同步，技术要求相对高，现有的对时技术还存在误差，这将会直接导致故障定位出现偏差，定位不够准确。单端法只需要在线路一端接收故障信号，简单经济［7-9］。

本文将单端法故障测距用于直流融冰架空地线的故障定位中，并进行仿真研究，通过区分第二次测得的行波波头极性来判断第二次接收到的行波是来自故障点的反射波还是来自对端母线的反射波［10-11］，这对直流融冰架空地线的故障探测技术的研究，以及融冰工作的顺利进行具有重要意义。

1 直流融冰架空地线故障发生机理分析

直流融冰主要是把覆冰线路从主网中切下来，然后把待融冰的线路末端短接，同时在覆冰线路首端加上直流电源，使整个待融冰线路最为负载，形成一条回路发热融冰。由于架空地线与杆塔是直接相连的，在各个杆塔处都接地，需要将待融冰线路的每个杆塔处的地线与大地绝缘，在杆塔和架空地线间装设绝缘子，让地线与杆塔之间通过绝缘子连接起来，在架空地线的两端变电站，通过一个开闸后接地，如图1所示。

图1 架空地线绝缘示意图

当线路正常运行时，隔离开关合上，架空地线在变电站内部接地，当需要融冰时，将隔离开关断开，在线路一侧的变电站，将直流电源接入待融冰的架空地线中，两条地线分别与电源的正负极相接，在对侧的变电站，将两条架空地线用普通导线直接连接起来，融冰电流通过两条地线形成回路，进而融冰。在对覆冰严重的架空地线进行直流融冰时，可能由于架空地线与杆塔连接处绝缘不稳定，有时会发生接地短路故障，导致融冰电流不能通过，故障点后面的线路就不能正常融冰。这就需要对直流融冰架空地线进行故障行波测距。

2 直流融冰架空地线故障后行波折、反射过程

图2是直流融冰架空地线故障后故障波的折射和反射波过程，M和N为架空地线的两端；F是故障点；L为线路全长；LMF为故障点到测量端M的距离；LNF为故障点到架空地线末端N的距离；tM1和tN1分别表示故障行波到达架空地线两端的绝对时刻；tM2和tM3为M端接收到反射波形的绝对时刻。

图2 直流融冰架空地线故障行波折、反射图

由图可知，在直流融冰过程中架空地线发生故障时，故障行波从故障点同时向测量端M和末端N传播，到达M端时刻为tM1，经M端反射后，又回到故障点，再经故障点反射回M端，时刻为tM3。到达N端的行波，再次反射回故障点，经故障点透射，到达M端，时刻为tM2。直流融冰架空地线故障行波的折反射图表明了架空地线故障后的故障行波的传播过程，为后面的架空地线行波测距提供了理论支持。

3 直流融冰架空地线故障检测原理

架空地线直流融冰是指把覆冰的架空地线当做负载，在地线始端加上直流电源，利用地线发热融冰。融冰过程中架空地线发生故障时，故障点产生的故障行波将沿着架空地线在故障点和地线的两端来回反射。测量端装设的故障测距装置接收到来自电流电压互感器二次侧的暂态行波信号，使用高通滤波器滤波，得到行波波头脉冲，形成电流电压故障行波波形。通过文献［9］、文献［10］可知来自故障点的反射波与故障初始行波极性相同，来自对端母线的反射波与故障初始行波极性相反。所以第二次收到的故障电流行波与故障初始行波极性相同时，说明是来自故障点的反射波。测距结果由式（1）、（2）给出：

当第二次接收到的故障电流行波与初始行波极性相反时，说明收到的为来自对端母线的反射波。 测距结果由式（3）、（4）给出：

行波测距技术能够对线路故障进行精确定位，简单、可靠且易于实现，单端行波测距的原理不用考虑线路长度和授时系统时间误差等因素的影响，因而能够得到较为准确的测距结果并且经济性强。

针对架空地线进行直流融冰过程中发生的故障，应用单端故障测距法进行查找，通过测量分析架空地线上故障点的电压电流波形定位故障，保证融冰工作的正常进行，提高了融冰效率。

4 仿真分析

4.1 仿真模型参数

应用PScad仿真软件搭建架空地线模型，并注入直流电流，设置故障，进行仿真，并计算故障距离。电气参数如下：

架空线参数：架空线杆塔高度为24m，架空线导线选用钢芯铝绞线LGJ-300/40，架空线三相之间三角形排列，B相距A和C相的垂直距离为5.5m，水平距离为5m，架空地线选用铝包钢绞线JLB20A-100，水平距离为7.6m，距离地面高度为26m。架空线路全长为70km。其中电压等级为220kV，F1点距离 M端的距离 25km，F2点距离 N端的距离25km，架空地线故障示意图如图3所示：

图3 架空地线故障示意图

故障时过渡电阻为30Ω，仿真采样频率为1MHz。一般情况下架空线中的波速取v=2.95×108m／s。

4.2 故障仿真

1）当F1点发生故障时，M端检测到的故障行波暂态分量波形如图4所示：

图4 故障检测点的电压电流波形（1）

Ia1、Ia2为测量端分别测得的架空地线1和架空地线2上的故障电流，由于耦合作用，两故障电流极性相反，且同时到达测量点。故障初始行波到达检测点母线M端的时刻为tM1（82~83）μs，故障行波第2次到达检测点的时刻，tM2=252μs。Δt=tM2-tM1=169μs，由图中波形极性可知应用公式（1）、（2）：

DNF＝L－DMF＝45.07km，测距误差为 70m。

2）当F2点发生故障时，M端检测到的故障行波暂态分量波形如图5所示：

图5 故障检测点的电压电流波形（2）

故障初始行波到达母线端的时刻为tM1＝（149~151）μs，故障行波第二次到达检测点的时刻tM2=320μs。Δt=tM2-tM1=170μs，根据图中波形极性可知应用公式（3）、（4）：

DNF＝250.75km，测距误差为 75m。

表1给出了直流融冰架空地线5个不同点发生接地短路故障时，单端行波测距方法所得到的测距结果与误差。

从表1中的结果我们可以看出单端法测距误差在几十米之内，表明了用单端行波法对融冰过程中的架空地线进行故障测距可以取得准确、可靠的测距结果。

5 结束语

本文就架空地线故障探测技术进行了研究，并提出了一种针对架空地线融冰时的故障探测方法，该方法将故障检测应用于直流融冰中，在直流融冰过程中就可以发现故障，方便快捷。随着直流融冰架空地线故障探测方法运行经验的积累和不断完善，相信该技术定会在直流融冰输电线路故障探测中发挥重要作用。

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［6］何军娜，陈剑云，艾颖梅，林鹏，冯秋实.电力系统行波测距方法及其发展［J］.电力系统保护与控制，2014，42（24）：148-154.

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