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

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

作者：王姝黄凯

来源：《科技视界》2017年第33期

【摘要】本文通过对输电线路阻抗组成情况，以及三种典型单相接地故障波形的特点加以分析，以六次输电线故障波形为例对其印证分析，得出判断输电线路单相接地故障性质的方法，从而提高故障时应急处置速度，保障电能的畅通输送，保障电网的安全可靠运行。

【关键词】输电线路；阻抗角；故障；波形性质

0 前言

输电线路做为电能输送的通道，在电力生产过程中的至关重要。随着我国对清洁能源的需求不断增长，大量的电力能源需要通过输电线路从资源地区输送到负荷中心。越来越多的高压等级、超长距离的输电线路加以建设，以满足大负荷的输送。这些输电线路穿越了复杂的地理环境，不仅有高山、森林、草原、峡谷、河流，还有人口密集的城镇，随之而来的输电线路故障也逐步增多。一旦发生输电线路故障，电力能源不能从资源地区输送到负荷中心，轻则引起局部地区停电，影响人们的日常生产、生活，重则造成区域电网解列，大面积的停电，造成人们的恐慌，甚至影响社会的稳定。输电线路的故障难以避免，如何快速处置输电线路故障，保障电能可靠输送至关重要。处置电力线路故障首要的就是判断出故障的性质，以便快速的组织应急抢修的机具、人员，比如输电线路掉串故障需要准备备件及牵引设备，输电线路树竹放电故障需要对通道进行清理砍伐等。

1 常见输电线路故障类型

做为大负荷输送的输电线路一般电压等级均在220千伏及以上，这类型的架空输电线路对地距离，以及相间距离都较大，发生多相故障的情况较少，出现单相故障的情况较多。在220千伏及以上的电力系统中，采用的中性点接地的运行方式，发生接地故障时会有很大的故障电流，安装在变电站的保护装置检测到故障电流后跳开断路器，切除故障，同时也对故障时的电气量加以记录，以便后期进行分析。

引起输电线路发生单相接地故障的原因经统计，多为雷击、外破或树竹放电、绝缘子串掉落和倒塔。通过近年来在工作中遇到的输电线路故障加以总结归纳，可以通过输电线路发生故障时保护装置记录的故障波形来快速判断。下面将对三种输电线路故障保护波形分析加以分析甄别、判断，希望对处置快速处置输电线路有所帮助。

2 输电线路故障判断原理

通过电路原理分析可以知道，电路呈纯电阻的时候，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。而现实输电线路（特别是超高压输电线路）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。特别是距离越长，电压等级越高的输电线路，这个现象更显著，即感抗值远远大于电阻值和容抗值。不管怎样，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+j X

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。在输电线路正常运行的时候，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（负荷阻抗已被接地阻抗旁路短接）。在忽略输电线路分布电容的影响下（输电线路分布电容较小），输电线路阻抗角度将会根据接地阻抗的特性进行相应的变化。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）。

3 三种典型的输电线路故障的判断

经过对输电线路故障判断原理分析，认识到利用线路保护装置在故障时记录下的电气量波形能快速的判断出故障的性质。下面就如何利用输电线路故障波形图判断故障进行分析。

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（故障开始及结束时波形受谐波影响大，会对判断造成一定影响）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，因此最好多取几个点来综合分析判断。下面列出了三种典型的输电线路故障类型的波形图并加以分析：

3.1 金属性接地故障

输电线路发生金属性接地故障时，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。

（1）图3为2013年某输电线路C相故障波形图。选取故障电流波形中三个过零点，取出同一时刻的电压点，三处电压点均在波形波峰位置，即在同弦电压波形过零点后90度处。因此电压波形较电流波形超前90度左右，即阻抗角为90度。综合判断极有为金属性接地故障，经输电运检人员现场检查，因施工原因吊车臂直接靠在了输电线路C相，确为金属性接地故障。将施工吊车转移后线路恢复送电正常。

（2）图4为2016年某输电线路B相故障。从图中选取三处电流过零点，得到的相位角（即阻抗角）为90度、85度、90度左右，综合判断应为金属接地故障，经输电运检人员现场检查确为掉串导致的金属性接地故障。经牵引安装绝缘子串后恢复送电正常。

3.2 高阻接地故障

输电线路发生高阻接地故障时，由于短路电流经过大电阻流入大地，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。

（1）图5为2015年某输电线路A相故障。从图中选取三处电流过零点，得到的相位角（即阻抗角）为45度、35度、55度左右，综合判断应为高阻接地故障，经输电运检人员现场检查为树竹放电导致的高阻接地故障。经对输电线路通道内树竹清理砍伐后恢复送电正常。

（2）图6为2015年某输电线路A相故障。从图中选取三处电流过零点，得到的相位角（即阻抗角）为45度、50度、60度左右，综合判断应为高阻接地故障，经输电运检人员现场检查确为树竹放电导致的高阻接地故障。经对输电线路通道内树竹清理砍伐后恢复送电正常。

3.3 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或过渡电阻接地波形十分相似，可能造成误判。

（1）图7为2016年某输电线路A相故障。从图中选取三处电流过零点，得到的相位角（即阻抗角）为85度、75度、70度左右，综合判断可能为雷击导致的接地故障，经输电运检人员现场检查确为雷击接地故障。