基于故障高频波形的架空线路故障诊断分析

申元++姜志博++马仪++孟见刚++徐肖伟++马御棠

【摘 要】本文基于短路故障特征量的监测，采用了分布式行波测量技术，利用行波的传播规律及特征进行故障定位和原因分析，成功的对一条220kV架空线路进行了故障精确定位与故障原因辨识，经过现场巡线，论证了诊断结果的准确性，确认了短路故障特征量监测方式的可行性，有效的克服的行波的衰减和畸变，大大的提高了故障定位的准确性及可靠性。

【关键词】短路故障 架空线路原因辨识 架空线路故障定位 分布式监测

高压输电线路走廊地形地貌复杂，导致线路各类故障频发，故障发生后，巡线工作人员需要沿线逐级登塔排查，将会耗费巨大的人力、物力和时间成本。此外，故障原因的准确辨识对输电线路的防护及改造提供了实际的数据支撑，对降低线路的跳闸率具有重要意义。本文以云南电网某条220kV输电线路为研究对象，基于该线路上安装的输电线路分布式故障定位监测终端，对线路故障性质进行判断，并对故障点进行定位，极大的提高故障巡线的效率。

1 输电线路分布式故障诊断系统简介

本文采用的架空线路分布式故障监测系统，可以对输电线路故障进行精确定位和故障原因辨识功能。该系统架构主要由现场监测装置、中心站和客户端组成，每间隔20km布置一个监测点，每个监测点在ABC三相各安装一台监测装置，监测装置将采集的波形信号通过GPRS无线网络上传到数据中心，数据中心通过分析上传的波形信号进行故障诊断，客户端可以通过Internet实时访问数据中心，进行故障查询，并及时安排故障巡线处理工作。

2 故障性质辨识原理

基于各类故障原因的波形分析可知：雷击故障时，雷云通过主放电通道对架空线路注入能量，经绝缘子闪络后形成传输的故障行波；而在非雷击故障时，可等效看成故障点注入了一个与系统电压反向的直流电压源。在以上两种情况下，所形成的故障行波有着显著的特征差异。标准雷电流的波形参数为2.6/40μs，其波尾半峰值时间只有40μs，由于大地反射波的极性相反，两者叠加后使峰值衰减加快，波尾时间变短，因此，雷击故障电流的行波波尾时间会小于40μs；而非雷击故障波尾时间会大于40μs。

为了验证以上结论，本文利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件搭建了输电线路雷击故障仿真模型和非雷击故障的模型，进行了仿真验证，输电线路雷击、非雷击故障的典型行波波形如图1（a）（b）所示。

因此，本研究提出了基于行波波尾特征来辨识雷击故障，如果波尾时间小于40μs即为雷击故障，大于40μs即为非雷击故障。该方法物理概念极为清晰，判断思路明确且无需大量计算，经过细致全面仿真计算的验证，可有效应用于输电线路故障原因的辨识。

3 故障精确定位原理

本文采用分布式监测方式，在输电线路上布置若干个故障电流信号监测装置，将输电线路分解成若干个区间，进行区间内的行波定位，从而实现对输电线路故障的精确定位。当输电线路跳闸故障发生两个电流信号监测装置之间时，故障点同侧的信号监测装置记录的工频故障电流信号方向相同，故障点两侧记录的工频信号方向相反。假设两个监测点间的区间长度为L，故障发生在两个监测点之间的A点，A点距监测点M的距离为L1，距监测点M+1的距离为L2，如图2所示。

从故障发生到监测点M和监测点M+1监测到行波电流的时间分别为t1、t2，行波在线路中的传播速度为V。则，可以得到故障点距监测点1的距离及故障点距监测点2的距离分别为：

（1）

（2）

通过GPS提供的准确相对时间t1、t2，即可以定位出故障点A距监测点的距离，从而达到定位的目的。

当输电线路故障发生在变电站和电流信号监测装置之间时，所有的装置记录的工频故障电流信号方向相同，行波电流的传播如图3所示，利用公式（3）可以计算故障点位置。

（3）

其中为故障点距最近变电站的行波传播距离，为监测点监测到的故障点传的行波与最近变电站反射的故障行波的时间差，V为故障行波在介质中传播的速度。

4 应用实例

2015年8月29日，云南某条220kV输电线路发生故障跳闸。输电线路分布式故障定位监测终端及时动作，监测到故障时刻的高频暂态电流波形，并确定为雷击故障，定位故障发生点为53号杆塔。该线8月29日的跳闸故障的高频暂态电流波形如图4（a）所示，其波尾大概为10μs，小于40μs，符合雷击故障特征，输电线路分布式故障定位监测终端判定为雷击故障。该次故障的精确时间为14：24：21 319毫秒，查询雷电定位系统数据，发现这一时刻在该线路走廊上有一次落雷，且雷电流幅值超过其耐雷水平，证明此次故障是雷击故障。

如图4（b）所示，安装于#85杆塔上的终端监测到的故障时刻电流行波波形。该波形记录是由故障行波电流在故障点与变电站折反射造成，行波电流从故障点出发经过#85号杆塔上的终端，经过变电站和故障点的多次反射2次经过#85号杆塔，#85杆塔位于变电站出口第一基，T1与T2时刻叠加表现为一个波头，从图中可知，行波电流从故障点传至#85号杆塔的时间约为112μs，则故障点与#85号杆塔的距离约为16.2公里，约等于#53号杆塔到#85号杆塔的距离。因此，此次故障点最终定位在#53号杆塔附近。

雷电定位系统结果表1所示。查询雷电定位系统在2015年8月29日14：24：21 319毫秒时刻的落雷，距其最近的杆塔标号为#51-#52，与分布式故障诊断系统定位的结果一致，证明分布式故障诊断系统定位结果的精确性。

根据现场故障排查发现该线#53塔小号侧绝缘子碗口与该相跳线的放电痕迹，可以判定此次雷击故障是由雷电绕击引起。

5 结语

本文通过故障波形可解决生产实践中对最为关键的问题：故障定位和原因识别。通过本文介绍的系统可解决故障定位精度不高、故障原因无法实时辨识的问题，并基于输电线路分布式故障定位监测终端一起雷击跳闸故障实例进行了分析。分析结果表明了输电线路分布式故障定位系统的应用价值，不仅大大幅度提高巡线效率，同时也为线路改造工作提供精确实测数据，对电网经济可靠运行提供了坚强的技术支持。

参考文献：

[1]林福昌.高电压工程[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]陈仕龙，张杰，毕贵红.一种基于高频量衰减特性的特高压直流输电线路故障测距方法[J].電力系统保护与控制，2014（10）：77-83.

[3]钱冠军，王晓瑜，徐先芝，丁一正.输电线路绕击分散性的试验研究[J].高电压技术，1998（24）：17-20.

[4]苏进喜，罗承沐，解子凤，等.基于GPS双端同步采样的输电线路故障定位的研究[J].清华大学学报（自然科学版），1999（39）：47-50.

[5]姚李孝，姚金雄，安源.基于Matlab/Simulink的高压输电线路故障定位的仿真研究[J].电网技术，2005（29）：53-56.

[6]陈家宏，吕军，钱之银，等.输电线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术，2009（12）： 2891-2902.