输电线路智能故障诊断系统及应用

周勇军

摘 要：输电线路是输送电力的“动脉”，应用输电线路智能故障诊断系统，当线路发生跳闸时能立即实现故障点的定位及故障类型判定，能很好地保证电网安全稳定运行。该文以一起220 kV输电线路跳闸事件为例，首先介绍了诊断系统的组成及工作原理，再利用双端行波测距法定位故障点，并通过分析行波波形特征辨识出故障类型，结果表明系统的诊断结果与人工巡线结果一致，从而验证了智能故障诊断系统的高效性和准确性，对电力系统的建设和发展具有重要意义。

关键词：输电线路；智能故障诊断；故障定位；故障原因

中图分类号：TM862 文献标志码：A

0 引言

近年来电网发展迅速，随着建设规模的扩大，高压输电线路越来越密集，输电线路是输送电力的动脉，其分布范围广、传输距离远，部分线路途径山林、湖泊、重工业区等环境，随着运行年限的增加，受环境因素影响，线路运行中会因雷击、树障、覆冰、漂浮物、浮放电、污秽和鸟害等因素导致跳闸或导线断线等事故，给电力系统造成很大的安全威胁和经济损失。

传统的事故排查主要是依靠人工巡视来实现，不仅耗费大量人力和物力，而且效率低、耗时长，无法保证供电的可靠性以及设备、人身的安全，而且由于对故障原因判断不准确，所采取的治理措施针对性不强，所以线路故障跳闸率较高。现有的在线监测装置检测对象单一且大部分需要逐个基杆塔安装，时效性不高。而智能故障诊断系统可以帮助专业工作人员快速查找故障点，判断故障原因，提高工作效率，大大提高输电线路的防护水平，降低人力劳动强度和人工成本，对保证电网的安全运行具有重要意义。

故障测距的方法根据原理可分为故障录波分析法、阻抗法及行波分析法。而根据测距信息来源又可分为单端测距法和双端测距法。输电线路智能故障诊断系统是将监测装置分布式安装在导线上，实时获取故障点附近的工频分量和行波分量，高精度地定位故障跳闸的区域和位置并智能辨识故障波形特征，判断事故发生的原因。输电线路智能故障诊断系统已经在国家电网的输电线路中投入应用，并在电网故障诊断和安全运行中发挥着重大作用。

该文针对一起220 kV输电线路跳闸故障情况，应用输电线路智能故障诊断系统进行诊断分析，快速、准确地找到故障位置和原因，使工作人员能够及时修复故障，提升线路运行维护水平。

1 故障概况

某220 kV输电线路于2018年8月6日14时24分34秒，发生跳闸故障，重合闸未成功，系统监测到故障相别为B相。通过智能故障诊断系统定位和分析后，得到故障点位于距离#1号杆塔大号侧16 800 m处，故障杆塔大约在#37杆塔，故障性质为雷电绕击故障。

故障发生后立即指派工作人员在给定的范围内进行现场排查，发现#37杆塔发生故障。确定了故障点被雷击的痕迹，并对故障点进行拍照。图1为#37杆塔B相绝缘子遭受雷击后的痕迹，绝缘子伞裙边缘有明显灼伤。

根据气象部门发布的天气情况显示，故障发生在雷雨天气，雷电活动频繁，因此可初步判断是雷击破坏了#37杆塔B相的绝缘子，形成导电通路，使B相输电线直接接地，继而导致线路跳闸。

2 故障诊断分析

2.1 输电线路智能故障诊断系统简介

输电线路智能故障诊断系统是进行输电线路跳闸故障定位及故障原因辨识的系统，由监测终端、数据中心、用户系统组成，如图2所示。具体工作原理是将监测终端分布式安装在输电线路导线上，监测终端实时采集线路的工频信号和各类异常放电行波信号，由GPRS上传至数据中心，并保存在内存和库文件中，再经过后台软件对数据进行处理分析，得到诊断结果，将结果发送至工作站的工作人员，以便工作人员能够及时地掌握故障情况，了解故障信息并进行相应处理。

2.2 输电线路故障定位

行波法始于20世纪40年代初，它是根据行波传输理论实现故障测距的，也是公认的故障定位最有效的方法之一，可分为单端法和双端法，单端法通过测量故障产生的行波，以故障点及母线往返一趟的时间来进行测距，而双端法则利用故障行波到达线路两端的时间差来进行测距。根据线路实际情况，该文采用双端行波法对故障点进行精确定位，从而验证智能故障诊断装置诊断结果的准确性。

跳闸案例中的线路全长为150.75 km，在2个变电站中的#1杆塔、#68杆塔、#150杆塔、#204杆塔、#205杆塔、#263杆塔和#321杆塔上分别安装了输电线路智能故障监测终端，整体分布如图3所示。

输电线路智能故障诊断终端于2018年8月6日 14时24分34 秒305毫秒740微秒在该线路上监测到工频分闸电流波形，如图4所示，波形中故障电流增大约3个周期后归零，符合线路发生故障时工频电流的特征，因此系统判定输电线路发生跳闸故障。

雷击故障时，雷云通过主放电通道对输电线路注入能量，经绝缘子闪络后形成传输的故障行波，系统在2018年8月6日 14时24分34秒在线路故障跳闸时监测到的#1杆塔和#68杆塔的行波电流波形分别如图5、图6所示。

为了定位故障点，对故障行波过程进行分析，如图7所示，在故障点产生的行波向两端的变电站进行传播，我们将输电线路出现故障时，行波主波头第一次到达#1号杆塔的时刻标记为1'，第一次到达#68号杆塔的时刻标记为1。

根据双端行波法测距的原理，基于系统测得的故障波形参数，可用式（1）计算故障点到#1杆塔的距离：

其中，L1为故障点到#1杆塔的距离；L为#1杆塔到#68杆塔的距离，为32 590 m；t1为故障点向乙变电站传播的行波到达#68杆塔上监测终端的时刻；t1?为故障点向甲变电站传播的行波到达#1杆塔上监测终端的时刻；v表示行波在输电导线上传播的速度，以290 m/μs计算。

经过监测终端的GPS精确对时，可在后台软件中讀取图5、图6中标示的点1'和点1两处波峰对应的时刻t1'和t1的值，分别为2018年8月6日 14时24分34秒 300 毫秒、841 微秒和2018年8月6日 14时24分34秒 300毫秒845微秒，时间差Δt=4 μs，代入公式（1）后，可求得故障点位于距离#1杆塔L1=16 800 m处，最终定位在#37杆塔附近。这一定位结果与现场最终确认的故障杆塔#37号杆塔一致。

2.3 输电线路故障类型辨识

架空输电线路长期暴露在自然环境下，很容易遭受到外界的影响和损害，一般输电线路故障原因分为内在因素和外在因素，内在因素是由自身质量问题或线路老化引起的，外在因素是由外在环境、天气、外力因素引起的。一般将外在故障原因分为雷击和非雷击2个因素，而雷击故障又可分为感应雷与直击雷，雷电反击与绕击。其相应的辨识方法见表1。

通过分析图5、图6中的故障行波电流波形，并对照表1可知，#37杆塔B相上故障时刻电流行波波尾持续时间小于20 μs，波形脉宽窄并伴有震荡，主波之前没有反极性脉冲，因此判断此次故障性质为直击雷的绕击故障。

3 结论

（1）该文应用输电线路智能故障诊断系统对某220 kV输电线路的一起跳闸故障进行诊断分析，系统判定故障相为B相，为雷电绕击故障。

（2）由双端行波精确故障定位计算得出，故障点距离#1杆塔大号方向16 800 m，在#37号杆塔附近，与人工巡线结果一致，定位准确。

（3）输电线路智能故障诊断系统在定位故障点和辨识故障原因方面高效精确，应加强推广应用，减少输电线路的运维成本和恢复时间，提高电力系统供电可靠性。

参考文献

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