基于轨迹去伪的输电线路故障定位方法

基于轨迹去伪的输电线路故障定位方法
摘要：我国经济的快速发展，电力用户对供电可靠性的要求日益增高，输电
线路作为供电网络中的重要环节，其故障定位技术也面临着许多新的挑战。

输电
线路故障将严重破坏电力系统的安全稳定运行，进而影响社会生产和人民生活。

因此，实现快速准确的输电线路故障定位至关重要。

目前常见的故障定位方法有
阻抗法和行波法两种。

阻抗法是根据发生故障时线路的故障阻抗与单位长度线路
的阻抗进行比值计算，得到故障的大致位置。

此方法原理简单，但气温环境，野
生动物等多种情况都会对阻抗的计算产生影响。

随着配电网络中分布式电源数量
的增加，复杂的网络结构也会对阻抗的准确计算产生影响。

行波法是目前常用的
故障测距方法，分为单端行波法和双端行波法。

单端行波法的弊端是无法判断接
收到的波为正确的故障点反射波还是线路另一端反射干扰波，不能正确定位故障。

双端行波法在线路两端采用精确度较高的检测设备进行精准测量，且对检测数据
的时间同步性有较高要求，该方法虽然克服了单端行波法受反射波影响的问题，
但精确的检测设备费用昂贵，制约了双端行波法的大范围应用。

关键词：输电线路；故障定位；行波法；轨迹图；
输电线路故障定位在故障隔离中起着至关重要的作用，针对单端行波法在输
电线路故障定位应用中的不足，提出了一种基于轨迹去伪的输电线路故障定位方法。

该方法先采用单端行波法记录故障点反射波和干扰反射波进而获得真、伪故
障点，再根据线路两端的电压差和上游端电流构建的电压差-电流(Δv-i)椭圆轨
迹图得到估计故障位置，进一步比较估计位置与真、伪故障点的距离，将与估计
故障距离最近的故障点作为准确的故障位置。

一、故障分类
电缆故障从形式上可分为串联与并联故障。

串联故障是指电缆一个或多个导
体(包括铅、铝外皮)断开。

通常在电缆至少一个导体断路之前，串联故障是不容
易发现的，并联故障是指导体对外皮或导体之间的绝缘下降，不能承受正常运行
电压。

实际的故障组合形式是很多的。

几种可能性较大的几种故障形式是一相对地、两相对地和一相断线并接地。

根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障。

开路故障。

电缆的各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体断开或虽未断开但工作电压不能传输到终端，或虽然终端有电压但负载能力较差。

低阻故障。

电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多，电阻值低于l0Zc(Zc为电缆线路波阻抗)而芯线连接良好的。

一般常见的这类故障有单相接地、两相或三相短路或接地。

高阻与闪络性故障。

电缆的一芯或数芯对地的绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常阻值较多，但高于l0Zc而芯线连接良好。

若故障点没有形成电阻通道，只有放电间隙或闪络性表面，此时故障即为闪络性故障，据统计，这两类故障约占整个电缆故障的90％。

二、单端行波法
在输电线路中发生短路故障时，在故障处有电压、电流的暂态行波向左右两端发出。

图1为132 kV，50 Hz的三相输电线路。

图1单端行波法原理图
由图可知，三相输入分别经过传输线1和传输线2输送到变电站A和变电站B。

若传输线1上AB之间的某一点F处发生短路故障，故障信号暂态行波沿传输线分别向A，B两端传播。

T
时传播到A端，由于波阻抗不连续，会在A端发生
A1
时刻再次到达A端。

根据两次反部分反射，到达故障点后发生第二次反射，在T
A3
时刻第一次接收波后，射波的时间差，可计算得出故障点与A端的距离L：当T
A1
由于无法判断A端接收到的波为故障点反射波（T
时刻接收到的波）还是B端的
A3
时刻接收到的波），因此，无法得出故障的准确位置，只能得到真、反射波（T
A2
伪故障点的集合。

三、测试与分析
为了验证所提故障定位方法的可行性，在距离B端为20%AB，40%AB，60%AB，80%AB的位置处分别加入故障，每处分别设置三种故障类型，分别是三相接地故障、单相接地故障、两相接地故障。

根据一个完整周期内A，B两端电压差以及A
端的交流电流分别构建椭圆轨迹图进行分析。

需要注意的是，故障发生时检测到
的电压和电流中还包含衰减直流分量，需要滤除直流分量后再进行故障定位计算。

1.
三相接地故障。

输电线路不同位置处发生三相接地故障时的Δv-i椭圆轨迹
图如图2所示。

在图2(a)中，输电线路无故障时，对应的椭圆轨迹图如图中最小
的实线椭圆所示。

当输电线路不同位置发生故障时，轨迹图对应的椭圆面积发生
明显变化。

在图2(b)中，给出了无故障和不同位置发生故障时，对应椭圆区域积
分值分别为0.88、9.18、8.19、7.35、6.90。

为了进一步验证所提故障定位方法
的有效性，
图2三相接地故障时Δv-i轨迹图
在图1所示的输电线路中距离B端68.0%处设置三相接地故障。

经过对行波
的分析得出真、伪故障点分别位于距离B端35.3%AB和68.0%AB的位置。

此时，
轨迹图的椭圆区域积分值为7.12，对应的故障位置为距离B端68.1%，由此可以
判断，距离B端68.0%AB处即为准确的故障位置。

因此，在三相接地故障下，提
出基于轨迹去伪的单端行波故障定位方法可以准确的定位故障。

2.单相接地故障。

（1）单相接地故障相。

当故障发生时，椭圆的面积相对
增大。

与三相接地故障对应的轨迹图相比，每个对应位置椭圆的面积都大幅减小。

在距离B端10.9%处对单相接地故障进行单端行波法测试。

单端行波法测出的真、伪故障点分别为距离B端10.9%AB和51.3%AB。

根据线路中信息绘制的轨迹图椭
圆区域积分值为2.64，对应的故障点位置为距离B端10.9%AB处。

即说明真、伪故障点中，前者为正确的故障位置。

因此，所提方法同样适用于单相接地故障。

（2）单相接地正常相。

当单相发生接地故障时，另外两正常相对应的Δv-i椭圆轨迹图几乎不受影响。

几个位置对应的椭圆面积也几乎相同。

为了便于比较，给出了单相故障时正常相各个位置对应的椭圆区域积分值分别为0.85、1.10、1.04、1.02、0.93。

可以看出，三相线路中某一相发生故障时，不会影响其余正常相的Δv-i椭圆轨迹图。

即提出的基于Δv-i椭圆轨迹图去伪的故障定位方法可以有效避免相间误判的情况。

3.单相接地故障。

图3为两相接地短路时故障相对应的Δv-i椭圆轨迹图几何特性。

当输电线路发生两相接地短路故障时，对应的Δv-i椭圆轨迹图的面积分别增加。

与三相故障的轨迹图相比，对应位置的椭圆面积略微减小，数值介于三相故障和单相故障对应的椭圆面积数值之间。

两相接地故障对应椭圆区域积分的具体数值，分别为0.95、7.93、6.80、6.12、5.91。

将两相接地故障设置在距离B端86.4%AB处进行测试。

采用单端行波法测试得到的真、伪故障点分别为在传输线AB上距B端的位置分别为32.0%AB和86.4%AB。

此时，轨迹图椭圆区域积分值为5.73，对应的故障点位置为86.4%AB，可以得出，距B端86.4%AB处为正确故障点。

综上所述，在所测试的三相接地故障、单相接地故障和两相接地故障中，提出的基于轨迹去伪的输电线路单端行波故障定位方法均能够找出真、伪故障点并正确筛选出真实的故障位置。

总之，根据单端行波法得到真、伪故障点；接着，在去除电压、电流直流分量后，基于输电线路两端电压差以及电源侧总线处的电流，构建电压差-电流轨迹图，得到估计的故障位置；最后，对真、伪故障点进行筛选，获得故障点的实际位置。

所提方法克服了单一使用单端行波法或电压差-电流轨迹图法的弊端，可以实现准确快速的故障定位，具有较高的应用价值。

测试与分析结果表明，所提定位方法可以在输电线路三相接地故障、单相接地故障和两相接地故障条件下实现故障准确定位。

参考文献：
[1]张鑫.浅谈基于轨迹去伪的输电线路故障定位方法.2019.
[2]许念,基于多信息融合的自适应单相接地故障在线定位研究与应用.2018.。