长距离混合输电线路重合闸判断方法分析

沈 冬，阎嫦玲，须 雷

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引 言

架空-电缆混合输电线路在目前的输电网中有广泛的应用，如城市间输电线路以及陆地与岛屿间输电线路等。相较于架空线路占地空间面积大、容易受天气和鸟类影响等缺点，电缆线路具有占地面积小、不受周围环境影响、可靠性高以及输电容量大等优点[1]。但其缺点是造价成本高和处理故障点难度大。

架空线路故障多为瞬时性故障，一般线路允许重合闸来减少停电时间，降低损失。电缆故障多为永久性故障，如电缆绝缘性能降低、电缆接头工艺缺陷以及电缆长期过热等。这种情况下的重合闸会对电缆和电网造成二次伤害，因此不允许重合闸。如何定位故障点处于架空线路还是电缆线路成为解决混合线路重合闸问题的关键。

1 目前常用的故障定位方法

1.1 故障分析法

故障分析法是指在输电线路发生故障时，根据所采集到的工频电流和电压值，结合已知的线路参数，通过分析计算求出故障点到测距点距离的一种方法。根据采集的电气量不同，可以分为单端法和双端法。其优点是原理较为简单和成本也较低，缺点是容易受到过渡电阻和电气量采样精度的影响，精确度难以保证。

1.2 行波测距法

行波测距法是基于行波传输特性来判断故障点的方法，其原理是通过测量故障线路的行波突变，结合波速建立故障测距方程组，实现故障测距[2]。相较于故障分析法，行波测距法可以更好地提高故障测距精度。

行波法又可以分为单端行波法和双端行波法。其中，单端行波法是基于计算故障点和母线间传播暂态行波的到达时间及二次反射到达时间的差值；双端行波法是基于计算故障行波到达线路两端的时间差值[1]。由于双端行波法受故障类型和线路总长度等因素的影响很小，因此成为目前故障测距的主要方法，在国内外项目中被广泛应用[3]。

针对混合线路工况，诸多学者提出了不同的解决办法，如制作故障区段查询表法[4]。双端行波法与单端行波法结合，即使用双端行波法确定故障点所在的区域，然后利用单端行波法定位故障点[5-8]。

2 目前存在的问题和解决思路

由于架空线路和电缆线路的电气参数以及故障行波的波速不同等因素，导致整条线路存在阻抗参数不均匀和波阻抗不连续等特点。传统的基于电气量采样和行波采样的方法很难做到可靠的精确定位。

差动保护具有精度高和动作快速的特点，在变电站中作为线路主保护。用差动保护来监测电缆线路，可以快速且准确地识别故障区间是否属于电缆线路区间。差动保护装置需要在被保护线路两端均配置电流互感器，电缆线路一头通常都在变电站内，不存在电流互感器的配置问题。由于架空线路与电缆线路接头一般距离变电站都有几百米或者几千米的距离，传统电流互感器不仅造价高，且长距离将电流信号通过二次电缆拉回变电站也很难保证精度的可靠。

与传统电流互感器相比，全光纤电流互感器具有体积小、重量轻、无磁饱和和铁磁谐振、动态范围大、响应频带宽、绝缘结构简单以及绿色环保等特点。其基于高灵敏度且不受干扰的Sagnac干涉原理，在一次端采集到信号后，通过光纤将电流信号送回到变电站内的差动保护装置，很好地解决了传统互感器电缆长距离传输精度无法保证的问题。全光纤电流互感器应用于混合线路故障定位的原理如图1所示。

图1 光学电流互感器应用于混合线路故障定位的原理

全光纤电流互感器在户外条件安装时，通常采用立柱式安装，需要吊装作业，固定在地基上。其整体高度受被测导体电压等级影响，通常在几米的范围。其较大的体型和较大的施工工作量使其应用于电缆故障定位时具有较差的适应性和经济性。因此选择合适的电流互感器成为推动解决混合线路重合闸问题的关键。

3 使用柔性全光纤电流互感器的故障定位方法

柔性全光纤电流互感器（Fiber Optic Current Transformer，FOCT）是从传统全光纤电流互感器演变而来的。传统的全光纤电流互感器采用光纤作为电流传感材料，而FOCT将传感光纤做成传感光纤环，将传感光纤环缠绕在被测导体外。该种安装方法决定了其拥有体积小、重量轻、安装灵活、维护简便以及适应性强等优点。

不同于传统全光纤电流互感器采用结构牢固的立柱式安装，FOCT的光纤传感环是在被测点附近就近安装。这种方式虽然灵活，但固定效果相对较差，且受现场安装工艺的影响也较大，在户外安装环境中容易受到气候环境的影响。目前普遍的做法是定制适合现场安装尺寸的传感光纤储存环，现场安装时将被测导体和相关接地电缆一并穿过传感光纤储存环，并将其固定在合适的位置。

经过多年的发展，FOCT的精度目前普遍可以做到测量0.2S级，保护5P级，环境运行温度可达到-40～70 ℃，完全满足差动保护装置的需求。

FOCT的原理如图2所示，由于相位调制器和复杂调制解调电路的存在，FOCT需要电源的支持。电源可以来自于电池供电，也可以使用光束返送电，但这种方式下通常只能支持百米的距离传输。基于无源相位调制器的光纤电流互感器的提出很好地解决了这个问题[9]。该种方案不仅造价更低，而且可以将FOCT的传输距离推广至数千米或者更长。由于取消了调制解调电路，理论测量精度会有一定程度的降低，但仍可以运行在-40～+50 ℃的工况下，完全可满足差动保护装置的需求。

图2 柔性光学电流互感器原理

FOCT具有非常丰富的应用场景。例如，在电厂中可以用来测量发电机机端基波零序电流，克服了传统穿心式电流互感器存在的选型难、安装要求高以及精度和稳定性差的问题[10]。另外也可以利用其优秀的安装灵活性，在变电站改造项目中发挥作用。

在架空-电缆线路的接头位置安装FOCT可以很好地解决因项目不同，无法确保现场有条件安装传统互感器的问题。如果接头位置到变电站侧距离小于100 m，则推荐使用有源FOCT，该方式虽造价略高，但精度更高，稳定性能更好。如果接口位置距离在几千米范围内，则推荐使用无源FOCT方案，该种方式下更加便于项目实施，经济性好。FBG电流互感器虽然也可以满足项目的需求，但在单线路单点测量需求下经济性较差，故不作为推荐方案。FOCT推荐安装在电缆接头处或者电缆埋地上方。

2012年，在北京陆续投运的5个220 kV和110 kV变电站就采用了FOCT方案，通过采集5个站不同位置的电流量，利用光纤汇总到中心站的继电保护装置，综合分析并准确快速计算出故障点的位置。目前项目挂网运行良好。

4 使用光纤布拉格光栅电流互感器的故障定位方法

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种使用强烈的紫外线激光，以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。应力及温度等参数的改变会影响FBG有效的光折射率和光栅周期，从而导致光栅反射光波波长的改变，然后通过反推算可以测量出被测点应力和温度等参数。FBG可以安装在任何可接近的位置，然后将其熔接到光纤中，通过光纤将光波送回。由于每个FBG都有独一无二的波长，可以实现光纤的复用，因此每根传输光纤上可以融接入若干FBG，实现一条传输线路上通过一根光纤测量若干点参数的可能性。

与其他测量技术相比，该方法可以结合测量电流、电压、温度以及应力等参数实现更加准确的故障定位。其他类型的互感器只能实现一个设备测量一个点的电流或电压，因此一个测量点所需要的设备数量较多。而FBG电流互感器可以在一个光纤系统中完成所有电流参数的测量，同时不依赖于电源和GPS的支持，安装和接入都较为方便。

FBG电流互感器虽然产品较少，但拥有非常广阔的应用前景。例如，应用在配电多端网络中可以有效分割复杂的网络架构；在海上风电中可以为每个风机提供测量，故障时可以快速识别故障风机，避免大规模风机的停运。

在架空-电缆线路中，如果架空-电缆线路接口位置距离变电站在十几千米或者更远，则推荐使用FBG电流互感器。这种工况下，接头处通常不具备提供稳定可靠电源的能力，因此FOCT在这种工况下无法稳定运行。

5 结 论

光学互感器技术的应用很好地解决了传统CT安装时间长、人力成本高以及现场条件要求苛刻等问题。在架空-电缆混合线路中，使用FOCT或FBG电流互感器，配合使用差动保护装置，可以很好地快速排查故障点是否存在于电缆线路中。随着光学互感器技术的进一步发展，特别是FBG电流互感器的不断普及，架空-电缆混合线路故障点定位会变得更加精确和便捷。