输电线路故障类型辨识探究

闫雪松

【摘 要】输电线路是输送电能的重要通道，其是电力系统的重要组成部分，而输电线路故障是影响其正常运行的重要因素，所以我们必须对输电线路故障进行研究。基于此，文章主要在故障波形判断的基础上，先对输电线路故障原因及类型识别原理进行了分析，然后探究了三种典型的输电线路故障的识别方法，希望能为相关人员提供一些参考。

【关键词】输电线路；故障；类型；辨识

随着我国社会能源需求量的不断增大，越来越多的电能需要通过输电线路输送给用户。这也使得我国高压等级、超长距离的输电线路建设工程的数量在不断增多。这些高压、长距离的输电线路通常都会安装在地理环境比较复杂的地方，其可能经过高山、森林、峡谷，或者人口较多的城镇，这增大了输电线路发生各种故障的概率，也使得输电线路故障类型变多了。

一、故障原因分析

随着我国各种科学技术的快速发展，相关继电保护措施基本可以确保输电线路的正常运行，但是，由于外力和设备自身原因造成的输电线路故障是继电保护装置无法有效预测和控制的，所以，我们必须对输电线路故障进行详细的分析，从而找到有效的解决措施。导致输电线路发生故障的主要因素通常包括自然外力、人为外力以及设备自身问题三种。据相关调查发现，自然外力占据整体输电线路故障的50%，以雷击線路故障主，虽然自然外力对线路的破坏是人为无法控制的，但是可以通过安装有效的防雷装置提高线路防雷水平。人为外力和设备自身问题是输电线路故障的另外两大部分，占据整条线路故障的25%，人为破坏类型也比较多，如架空线路下施工机械操作部当导致架空线导线碰线、断线，架空导线因缠绕异物导致输电线路发生交叉短路或接地等故障。由于运行环境的影响，经常会导致线路电瓷元件发生污闪、变压器过电压、各类附件变形损害等故障。

二、输电线路故障识别原理

电路呈纯电阻时，电流电压阻抗角（即相角）为0度；纯电容时，电流相角超前电压90度；纯感抗时，电压相角超前电流90度。而在现实输电线路（尤其是超高压输电线路）中，我们测得的输电线路阻抗值，不仅有电阻值，还有容抗值及感抗值均存在，且有个特点，感抗值大于电阻值和容抗值。距离越长、电压等越级高的输电线路这个现象会更加明显，即感抗值远远大于电阻值和容抗值。但是，正常情况下，输电线路均呈感性。同时容抗值沿输电线路均匀分布，其值远远小于感抗值，将被感抗值所抵消，其阻抗计算公式可简化为：Z=R+jXZ（Z为输电线路阻抗值，R为输电线路电阻值，X为输电线路感抗值），电阻R与感抗X的夹角即为阻抗角。

输电线路正常运行时，保护装置安装处的电压与电流角度比反应的是该输电线路阻抗及负荷阻抗之和的阻抗角，此时由于负荷电阻比重较大，所以阻抗角较小。输电线路发生单相接地后，保护装置安装处的电压与电流角度比反应的是保护安装处与接地点之间的输电线路阻抗与接地阻抗之和的阻抗角。在忽略输电线路分布电容影响的情况下，输电线路阻抗角度将会根据接地阻抗的特性发生相应的变化。如输电线路发生纯金属性接地时，由于其接地电阻很小，感抗值占比重较大，短路阻抗角得角度将接近90度，即电压波形较电流波形超前近90度（如图1）；而输电线路经高阻接地时，电阻占比重增大，短路阻抗角将减少，即电压波形较电流波形超前的角度减小（如图2）。

三、三种典型的输电线路故障类型的识别

经过对输电线路故障识别原理的研究，我们可以认识到利用线路保护装置在故障时记录下的电气量波形可以快速判断出故障类型。

（一）线路故障波形识别方法

输电线路故障过程中，故障相电流突然急剧增大，电压下降，故障波形为不标准的正弦波，并出现零序电流及零序电压。在故障波形图中，越上面的波形其产生的时间越早。选择故障波形中部电压（电流）波形过零点与同一时刻的电流（电压）波形进行比较，能推测出电压电流波形相位角度。但是有时受保护装置打印出来的输电线路故障波形图质量及精确度影响，可能出现判断不准确的情况，特别是线路长度较短时，因其电阻值与感抗值相差不到，所以最好多取几个点来进行判断。

（二）三种典型的输电线路故障类型识别

1.金属性接地故障

金属性接地故障时，由于短路电流经过金属流入大地，其电阻值相对感抗值依然很小，故障输电线路阻抗成近纯感抗性，此时电压波形较电流波形超前90度左右。在某输电线路C相故障波形图中，电压波形较电流波形超前90度左右，即阻抗角为90度，可以判断故障为金属性接地故障。

2.高阻接地故障

对于高阻接地故障，由于短路电流经过大电阻流入大地，所以其电阻值占阻抗值比重较大。此时由于过渡高阻阻值大小的不同，电压波形较电流波形超前范围可能为20至60度左右。某输电线路发生故障，在其A相故障波形图中选取三处电流过零点，得到阻抗角为45度、35度、55度左右，可以判断为高阻接地故障，运检人员进行检查，发现是树竹放电导致的高阻接地故障。

3.雷击故障

输电线路发生雷击故障，是雷电直接击中输电线路的地线、杆塔或导线、绝缘子等后，造成绝缘子的间隙击穿而出现闪络故障。一般情况下故障输电线路电阻值增加量处于金属性接地故障和高阻接地故障之间，其电压波形较电流波形超前范围在60至80度左右，即阻抗角为60至80度左右。但由于雷击电压及雷击位置的不一样，可能使得雷击波形与金属性接地波形相似，进而造成误判。某输电线路发生故障，在其A相故障图中选取三处电流过零点，得到阻抗角为85度、75度、70度左右，判断可能为雷击导致的接地故障，经输电运检人员检查，确定为雷击接地故障。

此外，还可以通过线路保护装置测距来辅助识别金属性接地故障和高阻接地故障。线路保护装置通常采用单端故障阻抗法测距，其原理类似于距离保护，是通过测量发生故障时保护装置测量出的阻抗值并与单位长度的输电线路阻抗相比较得到故障点到装置安装处的距离。但是该方法受系统阻抗变化及故障点过渡阻抗影响较大，在金属性接地故障时较为准确，对于高阻接地故障，计算出的距离将有严重偏差。

四、结束语

总而言之，在输电线路的运行过程中故障是不可避免的，而且故障类型也比较多，例如雷击故障、鸟害故障、人为故障等。因此，相关电力部门必须做好电路故障识别工作，为故障处理奠定较好的基础，提升供电质量。

【参考文献】

[1]张鑫梦.高压输电线路故障定位方法分析[J].工程技术：全文版，2016（12）：00182-00182.

[2]王姝，黄凯.浅谈基于故障波形判断输电线路单相接地故障性质的方法[J].科技视界，2017（33）.