高压输电线路故障定位技术分析

河南送变电建设有限公司 杜怀德

1 故障定位技术

1.1 行波反射法

行波反射法是本单位用于确定高压线路异常问题时的常用方法，其技术方法类型较多。高压电缆线路内部含有多个接头，且处于交叉连接状态，极易出现多次反射脉冲现象：其一，脉冲电流法。在确定故障位置后进行击穿处理，反馈首次放电脉冲波形。此种故障分析法无法获取后续反射的脉冲信息；其二，脉冲反射测定法。实际注入脉冲信号的浮动量不大，电缆接头具有一定反射减弱功能，难以有效判断故障点。为此，在实践排查高压线路的异常问题时，需要拆解故障接头，改变其互联形式，采取短接方式进行测定，以此保证故障定位分析结果的准确性。在接头拆解重接的操作中会消耗一定时间，尚需改进[1]。

1.2 智能法

1.2.1 故障诊断系统

在高压电线工程使用期间可能会出现各类故障问题，本单位尝试使用智能算法进行故障排查。当高压线路有异常表现时，利用智能平台进行故障扫描、分析故障类型、判断故障的形成过程，确定故障的成因，给出故障类型，找准故障位置。为此，在高压电路故障分析时需要确定故障类型，计算故障距离。针对高压线路工程连接的一次、二次两种设备，分别进行故障分析。一次设备是直接参与高压电线工程的各类设备，具体包括发电厂、中转站等。二次设备是用于监控、维护一次设备，如变电站。图1是双端线路故障的技术图，其中F点表示线路故障位置，x表示F点与M点的距离。U、I分别表示电压、电流。

图1 双端线路故障的技术图

1.2.2 确定故障类型

智能故障分析平台运行时需要确定故障类型，以此保证故障测距、故障分析结果的可用性。故障类型主要有两种：其一是阻抗选相、其二是分量选相。第一种故障识别程序，主要是利用抗阻测量的各类设备，获取其抗阻数据，综合确定电力平台的故障问题。当高压线路出现的故障问题较为单一时，故障识别系统能够及时给出分析结果，可能会受到系统运行、过渡电阻的干扰。第二种故障分析程序，是借助正、零、负三种分量电流，综合确定故障位置。此种故障识别程序，受到的负荷电流干扰较小，在各类高压线路的系统监测应用中，均有优异的应用效果。

图2中U表示电压，fa、fx1表示故障定位的位置，M、N、x、x1均是线路的支线点位。其中，UM、UN表示M点、N点的电压。L表示故障点与M、N点的距离。

图2 故障定位技术图

1.2.3 故障测距

高压线路的覆盖区域地势变化具有一定复杂性。故障排查时需参考地势变化因素，以此保证故障点排查结果的可用性。如果无法快速处理故障问题，致使高压线路处于故障运行状态，极易引发高压线路事故。结合往期的事故问题来看，杆塔位置发生事故的概率较高。为此，在分析电路故障位置时，可参考两级杆塔间距。如果需要更为精确的分析结果时，可利用线路参数定位技术，逐一排查各类干扰因素，保证分析结果准确。在使用暂态行波定位技术时操作方法简单、不易受其他因素干扰，适用于大米数输电项目，可作为最佳的故障定位技术。

本单位对此种故障分析技术进行改进，应用于高压线路项目中，进行有效的故障甄别。故障测距的一般方法，是在原有方法基础上，引入了三次样条插值技术。此算法在实际分析中，需要设置一个边界条件，利用[a，b]区间，确定三个样条的数据信息[2]，表1为故障距离测量结果。

表1 故障距离测量结果

2 高压单回线路异常问题的故障定位方法

2.1 交叉算法

在本单位电力工程中，使用的高压单回线路存在一定分布电容，如果忽略其带来的干扰，利用集中参数创建线路模型，获取故障定位算法的结果，与实际故障位置存在的偏差量较大，则故障定位失败。尤其在出现高阻接地短路问题时，分布电容带来的干扰作用较为明显。为此，从精确获取故障位置的角度出发，创建大米数单回输电线路模型后，利用分布参数线路模型确定异常问题的具体位置[3]。

假设现有故障线路为MN，MN线路总长为L，MN线路的故障点标记为F，F距离M点的长度设为x，F与N点的距离为L-x。多数情况下，使用双端故障定位设施，逐一获取两端的电压、电流参数。假设线路参数完成测量，以分布参数模型为基础，从双端角度获取分布电压参数，具体算法如下：

式中：导数UML、UNL分别表示M、N两个点位的电压计算结果。导数UM、IM、UN、IN分别对应M、N两个位置的电压、电流测量结果，γ表示线路传播常数，ZC表示线路特性阻抗。由此可知：使用各类故障分量的任意参数开展故障定位分析，均可获取故障位置结果。当出现接地短路故障问题时，可利用零序分量获取故障定位结果。当发生不对称短路异常问题时，可利用负序分量算法确定发生故障的具体位置。在实际故障定位分析中正序分量表现出较强的计算适应性，可作为首选方法进行故障分析[4]。

2.2 确定故障位置

本单位从实际项目入手，判断故障分析技术的可用性，运行PSCAD 系统创建单回输电线路的线上分析模型，导入的数据资料如下：项目的电压级别为500kV，L值为300km。运行MATLAB 程序，创建单回输电线路分析模型后，假设故障点F发生在MN的中心，MF=NF=150km，两端计算电压变化量的结果见表2。测量结果发现：M点电压浮动值从4.02kV 逐步降至3.45kV，而N点电压浮动值是从3.3kV 上升至3.68kV，M、N两点应存在故障米数的交点。在120m 至180m 之间，选择中点150m，M、N两点的电压浮动值相同，均为3.63kV，确定此点应是此线路的故障点[5]。

表2 两端计算电压变化量的结果

3 高压T 型线路异常问题的故障定位方法

3.1 电路分析

T 型线路进行故障定位分析时，需要考虑线路参数的偏差问题。以线路正常运行的各类数据为参考，运行分布参数模型，借助遗传算法动态获取电路的各类数据，以此逐步获取最优解。针对T 型电路故障分析的算法流程多、计算不全面等问题，给出了全新的计算方式，修正原有的故障定位流程。新算法是借助T 型线路的三个点，逐一获取正、负、零三种类型的电压，进行T点序电压幅值对比，更好地预判线路故障问题。当前T 型线路获得了较多使用，测量T节点位置的电气量极易出现故障定位失误问题。为此，一般使用的故障定位方法不可用于T 型线路。假设T 型线路的三个点分别为M、N、P，预判线路故障问题时需使用全新的故障定位分析算法，以此提高故障定位分析结果与实际情况的相符性。

3.2 确定线路参数

在实际电力项目中，当环境温度、湿度等各类条件发生改变时，线路参数会相应出现变动。在线路运行期间，针对各类环境因素形成的误差问题，使用原有的故障定位分析方法极易出现计算失误，无法保证计算结果的精确性。在输电项目运行期间，未发生故障问题时变化的参数不会干扰分布电压。为此，在线路无故障问题时的电压、电流参数为参考，分别计算各个点的电压值，有效利用遗传算法提高参数校准效果[6]。

3.3 故障识别

3.3.1 节点电压变化量分析

在分析T 型线路故障位置前期，需要判断其支路存在的问题。可使用线路发生故障前期的参数，用作故障校准参数，分别获取T节点的电压参数。当T 型线路出现故障问题时，三端电压数据差异性较大，需对比T点电压数据，间接确定存在故障的支路。假如，MT 支路存在故障问题，T2点与T3点的电压方向一致、与T1点电压方向不一致，此时可知：未出现故障问题的支路电压方向一致，且电压变化量相等。而存在故障的支路，与未发生异常的支路具有电压方向不一致的特点，且电压变化量不相同。在判断NT 支路故障问题时，T2点的电压方向与T3、T1不一致，而T3、T1两个点的电压方向相同。在判断PT 支路是否存在故障问题时，获得的电压方向结果为：T1、T2两个点的电压方向相同，而T3点电压的方向有差别。

3.3.2 电压方向变化量判断方法

结合上述分析发现：节点电压变化量是判断支路故障的关键依据。可借助三端推算形式，对比T点各个位置的电压参数，综合确定支路存在的故障问题。当三个端点的电压数据不一致、电压方向不同时，可综合确定故障位置。在故障判断中需要注意两个问题：当出现高阻接地问题时，存在问题的支路、无故障支路两个点位的电压方向一致、但是电压变化量不一致。为此，节点电压故障问题的判断方法如下：

3.3.3 电压交叉时T 型线路的故障分析方法

当获取M、N两点的电压、电流测定结果后，依照式（1）计算L点的电流、电压数据；当获取ML、TL之间的电压变化量后，计算线路两点之间的电压坐标，标记为（0，UTL）。其中，（L，UML）与线路两点测定的电压坐标标记为（0，UM）、（L，UT），获取的两个点进行连接，此时有两条直线：一为Lmxl、二为Ltxl；判断两条直线的差值，进行数据更新修正。

综上所述，当前，原有的输电线路逐步改进，电力工程搭建的输电线路具有样式多、类型多等特点。应对各类新型输电线路架构，使用全新的故障定位技术，能够更好地判断线路故障问题。本单位在实践中，使用双端不同步形式准确获取MN交点，高效确定了故障位置，具有一定实践推广价值。