特变电工昭和(山东)电缆附件有限公司 刘 彬 王 振
110kV 输电线路是电网中的重要组成部分,其稳定运行对于保障电力系统的正常运行至关重要。然而,在运行过程中,由于各种原因,可能会发生接地故障,给电网的稳定运行带来严重的危害。因此,对110kV 输电线路接地故障进行定位技术研究具有重要的意义。
110kV 输电线路接地故障是指线路中出现了意外接地现象,导致电流通过接地点流回地面,从而导致线路出现故障。这种故障可能会引起线路过载、设备损坏、电力系统频率偏差、电压不稳定等一系列问题,对电网运行造成严重影响。此外,接地故障还可能引起触电事故,威胁人身安全。因此,及时发现和定位接地故障,对电力系统的安全稳定运行至关重要[1]。
接地故障的原因多种多样,常见的原因有以下几种。一是绝缘老化或破损。线路绝缘老化或破损是导致接地故障的主要原因之一。在使用过程中,线路绝缘材料会逐渐老化,变得脆弱。如果长期处于高温、高湿等环境中,绝缘材料会更加容易老化。此外,线路上的动物、植物等也可能导致绝缘材料破损,造成接地故障[2]。
二是电气设备故障。线路上的电气设备如变压器、隔离开关、接地开关等,如果发生故障,会导致接地故障的发生。例如,变压器绕组出现短路,会导致接地故障的发生。
三是外界因素。外界因素也是导致接地故障的重要原因之一。例如,雷击、污闪、杆塔倒塌等自然灾害,以及施工人员误操作等人为因素都有可能导致接地故障。
四是设计缺陷。线路设计的缺陷也可能导致接地故障的发生。例如,线路接地电阻过大,接地方式不合理等设计问题都可能导致接地故障的发生。
在110kV 输电线路中,接地故障是比较常见的一种故障类型,因此需要采用有效的技术手段进行定位和处理。同时,在实际运行过程中,要尽可能地避免以上原因的影响,做好线路的维护和管理,及时发现并处理故障隐患。此外,可以采取一些措施来预防接地故障的发生,例如加强绝缘检测、加装接地保护器、设置接地巡视制度等。
常用接地故障定位技术包括行波测距法、阻抗法等,这些方法广泛应用于电力系统中的接地故障定位[3]。
3.1.1 行波测距法
行波理论。输电线路发生故障后,故障点会产生电压和电流的瞬间突变,形成电压和电流暂态分量,这些暂态分量会以接近光速的速度向输电线路的两侧传播,形成暂态行波。为了建立该行波的数学模型,可以将单根导线看作等效电路,以导线微元的角度分析电路。当电压源接通到输电线路上时,靠近电压源的线路分步电容会立即充电,并通过线路分布电感向相邻的分布电容充电,而线路上远处的电容则需要经过一段时间才能充上一定量的电荷,并向更远的电容放电。逐渐地,电容依次充电,线路沿线逐渐建立电场并形成电压,即存在电压行波以一定的速度沿线路方向传播[4]。
同时,随着电流在导线周围空间建立磁场,因此也会形成电流行波以同样的速度沿导线方向传播。在线路电容的充放电过程中,电感中储存的能量随着电流的变化而发生变化,从而形成了电流的暂态分量,即电流行波。行波理论认为,由于行波在传输过程中不会发生能量损耗和波形失真,因此在行波信号分析中可以采用非常简单的传输线模型来描述输电线路。
单双端行波测距。单端行波法的基本原理是通过向线路发送一个短时脉冲信号,并测量故障点和信号发射点之间信号传输的时间来确定故障点位置。具体步骤包括发射脉冲信号、测量脉冲在线路中的传播时间以及计算故障点位置。该方法的优点是可以在线路上实现故障定位,而且只需要在信号发射端附近安装传感器。
双端行波法则需要在线路两端安装传感器。该方法通过同时向线路两端发送脉冲信号并测量信号在线路中的传播时间来计算故障点位置,具有使用现有线路设备进行定位和减少定位误差的优点。然而,为了确保测量结果的准确性,需要保证两端脉冲信号发射时间的完全同步,并进行数据处理以消除噪声和干扰。因此,在实际工作中,需要使用同步通信技术来保证信号同步性,同时对数据进行处理以确保定位结果的准确性。
图1 双端行波原理图
相较于单端行波法,双端行波法具有以下优点:首先,可以利用现有的线路设备进行定位,无须额外安装传感器;其次,由于双端测量可以减少误差,因此定位的准确度更高。同时,双端行波法还可以消除传感器的安装误差,避免测量结果出现偏差。
3.1.2 阻抗法
阻抗法利用线路在发生接地故障后的电气参数变化来确定故障位置。该方法基于故障时线路上的电压、电流、阻抗等物理量的测量,结合计算机处理技术,通过阻抗比值的变化确定故障点的位置。具体步骤包括:测量线路上的电压和电流信号、计算线路的阻抗值、通过测量的阻抗值比较判断故障点位置。阻抗法的优点是准确度较高,不需要对线路进行任何改动和干扰,但需要对线路进行在线测量。
综上所述,单双端行波测距法和阻抗法虽然在电力系统接地故障定位中具有一定的应用价值,但是也存在一些缺点。单双端行波测距法需要在故障发生时才能进行测距,因此其实时性受到一定限制。此外,该方法需要在不同位置安装行波传感器,并且需要对传感器的位置进行精确的校准,这会增加测量的复杂度和成本。阻抗法虽然具有较高的定位精度和稳定性,但是需要对线路进行精确的参数测量,并且需要对线路的等效电路模型进行准确建立,这对实际应用带来了一定的难度和限制。此外,阻抗法对故障点的距离也存在一定的限制,不能精确定位远离测量点的故障点。
小波理论的迅速发展使得小波变换成为行波波头分析中最为有效的方法之一。小波变换具有严密、坚实的数学基础,并且拥有独特的多分辨率分析思想和优秀的时频局部变换奇异分析功能。在行波波头检测方面,小波变换表现出良好的效果。
3.2.1 小波变换理论
小波变换是一种时频分析方法,可将信号分解成不同的频率和时间分辨率的小波基函数。通过对信号进行小波分解和重构,可以在不同时间和频率上分析信号的特征和局部细节。在故障检测和定位中,小波变换可以应用于分解和重构故障行波信号,以精确识别检测出信号奇异点的位置,并结合行波测距算法进行故障定位。小波变换可以通过时域分析法和频域分析法来实现。
3.2.2 基于小波变换的行波测距
基于小波变换的行波测距是利用小波分析技术对电力系统中行波信号进行处理和提取的方法,可以实现对故障点的快速定位。该方法的核心思想是将小波变换应用于行波信号的处理,通过小波变换将原始行波信号分解为多个子带,提取出不同频率范围内的信号特征,并且可以通过小波重构技术恢复原始信号。基于小波变换的行波测距法通常包括以下步骤。
采集行波信号。在故障发生时,通过安装在输电线路两端的传感器采集行波信号,并将信号传输到监测中心进行处理。
小波分解。通过小波分解,原始信号被分解成多个子带,每个子带包含不同频率的信号成分。在行波测距中,主要关注高频子带,因为故障行波是一种高频信号。因此,可以选择一个高通小波滤波器,将原始信号分解成多个子带,然后保留高频子带,对其进行重构,得到一组滤波后的信号。
行波重构。行波重构是通过小波反变换将分解后的行波信号子带进行合成,以得到原始行波信号的过程。具体来说,行波信号首先进行小波分解,得到多个尺度和不同频率范围内的小波系数,然后通过小波反变换,将这些小波系数合成为原始行波信号。在行波重构的过程中,可以选择不同的小波基函数来重构信号。
小波分解和重构可以使用离散小波变换(DWT)或连续小波变换(CWT)实现。DWT 使用不同尺度和位置的小波基函数,将信号分解为多个频带,其中高频细节部分和低频近似部分可以被进一步分解。CWT 使用可变尺度的小波基函数,分解出的频带宽度随尺度变化而变化。
时域分析法的小波变换公式如下:
其中,x(t)为原始信号,a 和b 分别表示尺度伸缩参数和平移参数,φ*(t)为小波基函数的共轭。
频域分析法的小波变换公式可以通过傅里叶变换来实现,具体可以采用以下公式:
其中,φ*(t)表示小波函数的共轭,ω 是傅里叶变换的频率变量,a 是尺度参数,b 是位移参数。
在实际应用中,需要选择适当的小波基函数和分解层数来实现信号的有效分解和重构。常用的小波基函数包括Daubechies 小波、Haar 小波、Symlet 小波等。
图2 常用的几种小波
奇异点检测。在行波信号重构完成后,需要进一步对信号进行分析和处理,以便准确检测出信号中的奇异点。常用的方法包括一阶差分法、二阶差分法和三阶差分法等。这些方法通过对重构信号的微分来检测信号中的奇异点,即信号波形发生了突变的位置。在确定奇异点的位置后,可以通过结合行波测距算法来快速定位故障点。
总之,基于小波变换的行波测距法相对于传统的行波测距法和阻抗法具有多个优势。首先,小波变换的多分辨率分析思想和良好的时频局部变换奇异分析功能能够提取信号的高频部分,从而更容易检测行波波头。其次,小波变换具有压缩性,能够对信号进行压缩,减少数据量,从而能够更快速地开展信号处理。最后,小波变换具有较好的抗噪性能,能够有效地去除信号中的噪声,提高定位精度。
110kV 输电线路接地故障定位技术涉及多个学科领域,其中行波测距法、阻抗法已经得到了广泛应用,基于小波变换的行波测距法也成为研究的热点[5]。随着技术的不断发展和完善,110kV 输电线路接地故障定位技术的精度和效率将得到进一步提高,为电网的安全稳定运行提供更好的保障。