高压架空输电线路的故障测距方法 叶锡元

高压架空输电线路的故障测距方法叶锡元

发表时间：2018-12-21T10:20:33.443Z 来源：《电力设备》2018年第23期作者：叶锡元

[导读] 摘要：架空线路是目前电力能源供应的主要方式，随着高压架空输电线路日益增多，输电线路故障问题也频繁出现，对电力系统运行造成影响。

（广东电网有限责任公司东莞西区供电局广东东莞 523960）

摘要：架空线路是目前电力能源供应的主要方式，随着高压架空输电线路日益增多，输电线路故障问题也频繁出现，对电力系统运行造成影响。由于输电线路分布广及穿越复杂地形，容易出现故障；且当架空线路出现故障时，如逐条线路实施排查，效率低，不能对故障及时排除，容易引发一系列连锁反应。实施有效措施对故障进行快速诊断可有利于故障排除，对保障电力系统正常运行将发挥重要作用。高压架空输电线路故障测距方法的使用可快速对故障点进行诊断，有利于故障排除。

关键词：高压架空输电线路的故障测距方法

一、架空输电线路故障概况及分析

具体来讲，关于高压架空输电线路的故障类型主要包括单相、两相等短路故障。就发生频率来讲，单相短路故障的发生率约占据总故障事件的65%以上，其中，三相故障发生概率最小，约占5%左右，但该类故障一旦发生，将对整个电路系统造成严重影响，如烧毁电力元件等，故障不能及时排除，容易引起较大经济损失。关于输电线路发生故障的原因主要是绝缘子被外力等因素击穿而引起接地故障所致。除此之外，天气原因、地理因素也是常见的故障原因，如雷电、大风等引发线路及电气元件损坏而引发故障。此外，腐蚀也是线路故障发生的主要原因，实际线路保护中应引起重视。

二、架空输电线路故障测距原理及方法

对于架空输电线路，故障类型主要包括单相接地故障、相间短路故障、两相短路接地故障等。长期以来，对于故障的诊断主要依靠人为巡检方式发现故障及排除。而随着微机及微处理技术的应用，一些架空线路故障测距装置的使用很大程度上解决了故障无法及时发现及排除的现状。关于故障测距，方法主要有阻抗法及行波法，具体如下。

（一）阻抗法

阻抗法主要是依据电路在故障时所测量所得的电压、电流计算故障回路阻抗，以便确定其故障位置及实施处理，其主要原理是利用线路长度与阻抗成正比的原理所得。该种测量方法原理简单、造价低及不受通行条件限制等优点，一直是各学者关注的重点。但，该种方式主要缺点在于精度不高，无法准确对故障点实施定位。而基于现有技术，如通信技术、GPS技术的应用，使得采用阻抗法实现输电线路故障测距精度的提升提供了技术保证。

（二）行波法

行波法测距主要是依据行波理论实现故障测距的方法，主要有单端算法及双端算法。如当电路发生故障后，从母线向故障点传播的行波实现折返，从而可以利用传播实现与故障距离成正比而实现测距的目的。测试原理如公式（1）所示。由于该方法测试较为准确，且可以实现对故障点的快速判断，可在实际高压架空输电线路故障测距中使用。

（1）

其中，XS为故障距离；v为波速度，Ts1为故障点初始行波到达母线时间，Ts2为故障点发射波到达母线时间。

双端行波法测距原理与单端行波法测距原理存在不同，即双端算法测距主要是依靠故障点所产生的行波第一次到达两端的时间差实现测距，测距原理见公式（2）所示：

（2）

其中，XS为故障距离，v为波速度；Ts1为故障点到达母线一端的时间；Ts2为故障点到达母线另一端时间，L为线路长度。

（三）固有频率法测距

（1）固有频率法测距的基本原理

最早在1979年，Swift发现故障行波的频谱与故障距离及线路终端的结构有关，即:在一系列频率成分组成的行波频谱中，这一系列频率成分称为故障行波的固有频率，其中最低频所占的比重最大，称为行波频谱的主成分。在线路终端为理想的开路或者短路状态的情况下，行波频谱的主成分与故障距离之间有确定的函数关系。该研究局限于线路终端两种极特殊的情况下的故障定位，所以Swift的研究结论仅仅是固有频率法测距的雏形。线路终端为任意阻抗值条件下的故障距离和系统终端阻抗、行波固有频率之间的关系，使得利用行波固有频率的测距方法得到了完善。

（2）固有频率法测距的研究现状

利用固有频率法测距，无论应用场景是交流线路还是直流线路，都需要提取出精确的固有频率，目前提取行波固有频率的算法主要有傅里叶变换、多信号分类算法、小波变换，在此基础上，利用信号的时频相关性，先在频域确定行波频谱的主成分，再在该频率的邻域内确定行波信号的周期来得到更为准确的频率值。文献[43]先利用经验模态分解算法处理信号得到故障测距所需的行波成分，再在该成分中提取固有频率，减弱了频谱混叠对测距的影响。

直流输电线路的边界比较复杂，因此对终端阻抗的处理方式对测距精度有比较大的影响。将固有频率法应用于直流输电线路的故障定位中，该文献对线路终端阻抗的处理是把线路终端对高频分量而言看作是开路的，线路终端对低频分量的作用看作使其发生偏移。没有对线路终端的作用进行理论分析，而是利用神经网络的方法训练得到了测距结果。对线路终端阻抗的影响进行了量化分析，计算得到了行波主频率下的终端反射角，通过行波主频率和反射角计算出故障距离。在柔性直流输电线路中固有频率法的适应性。

三、故障测距方法比较及应用趋势分析

前面，对架空输电线路测距方法及原理进行分析。对于高压架空输电线路及现有测距技术而言，利用微分方程直接在时域中求解是最为直接的方式，这是现有高压架空电线故障测距的主要方式。（1）具体来讲，如利用电感、电容及电阻等参数，并用线路两边的电气量计算沿线电压分布而实现对故障距离的测试属于单回线时域测试法的一种。利用双同线环流网及两侧系统无关及电压为零的点而对线路两侧

电流进行计算而对线路电压分布情况进行计算，从而实现测距的目的则属于双同线测距法。此外，利用电大及电流分布量直接从两端计算电压分布，从而对故障点实施定位则属于直流输电线路时域测试法。以上三种方法可对高压架空输电线路故障位置实施准确诊断，有利于故障诊断效率的提升及使电路能够尽快恢复运行，对电力运输及保证人们生活与工业生产具有重要价值。（2）前面对输电线路故障点定位诊断方法进行了说明，而目前计算机编程技术、智能自动化技术及通信技术的发展为实现对高压架空线路故障诊断提供了技术保证及支持。例如人工神经网络技术的应用能利用下路电压、电流分量为神经网络输入量，能够实现对故障位置的判断与故障类型的诊断。再如，专家系统的利用可利用现有数据库，结合各监测仪器所测得电气数据，可以实现对故障类型的诊断，在后期输电线路故障分析与诊断中具有一定的价值。此外，智能化技术的应用也是后期输电线路故障点诊断及排除的主要技术，如利用智能化技术能够根据各电路实际情况实施自动报警，能够实现对线路故障的提前排除，对于减少线路故障的发生具有重要价值及意义。

四、结论

高压架空输电线路的精确定位是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一。现有的各种测距算法各有其优缺点，都有需要进一步解决的技术问题。行波测距法由于其行波故障分量的提取和计算，故障行波到达时间的精确确定等问题，以及行波测距装置投资成本高，维护较困难使其普及应用受到限制。单端测距算法在原理上无法消除过渡电阻和对侧系统阻抗变化的影响，测距精度较低。随着通信和计算机技术的发展，双端测距算法成为一种发展趋势，但其算法自身的适应性和剔除伪根判据等是目前亟待解决的问题。随着装置在实际运行中的不断总结和完善，两端数据不同步的测距算法将更加优越，具有较大的工程使用价值。

参考文献

[1]全玉生,杨敏中,王晓蓉,等.高压架空输电线路的故障测距方法[J].电网技术,2017,24(4):27-34.

[2]束洪春.基于分布参数线路模型的架空电力线故障测距方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.