论电力系统中输电线路的故障定位与原理分析

论电力系统中输电线路的故障定位与原理分析
发表时间：2018-06-19T15:48:44.307Z 来源：《电力设备》2018年第6期作者：王伟鹏1 候治华2
[导读] 摘要：输电线路中的故障可分为永久性故障和瞬时性故障。

（1 国网新乡供电公司河南新乡 453000；
2 国网辉县市供电公司河南辉县 453600）
摘要：输电线路中的故障可分为永久性故障和瞬时性故障。

瞬时性故障在继电保护装置切断电源后可自动消失，线路通过重合闸可恢复供电；而永久性故障无法自动消失，需要人工排除，尽快找出故障点位置是排除永久性故障的前提，排除故障时间的长短直接决定由停电带来的损失的大小，这为查找故障点的快速性和准确性提出了要求。

为此，研究一种快速、准确的故障定位方法是很有实际意义的
关键词：电力系统；输电线路；故障定位；原理
前言
在电力系统中，电能的传送是通过导线来完成的，导线主要有架空线和电缆两种形式。

与架空线相比，电缆具有许多优点：如占地面积小，不受建筑物和路面等限制，主要敷设于地下，对人身安全比较有利。

其运行状况不易受雷击，风害和鸟害等外界因素的影响。

对地电容为同级架空线的十倍以上，因而对提高电力系统的功率因数有利，对通讯线路的干扰很小。

1电力系统中输电电缆的故障类型
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10Zc （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10Zc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%。

2故障原因分析
电力电缆线路故障率和多数电力设备一样，投入运行初期（1～5年内）容易发生运行故障，主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题；运行中期（5～25年内），电缆本体和附件基本进入稳定时期，线路运行故障率较低，故障主要原因是电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附件呼吸效应进潮而发生沿面放电；运行后期（25年后），电缆本体绝缘树枝老化、电-热老化以及附件材料老化加剧，电力电缆运行故障率大幅上升。

3电力系统中输电线路的故障定位及原理分析
3.1输电线路故障定位方法
按信号来源可分为：双端定位和单端定位，双端定位法的电气信号来自线路的两端，单端定位法的电气信号来自线路的一端。

按原理分可分为三类：一是阻抗法，二是故障分析法，三是行波法。

①阻抗法。

阻抗法是利用故障时测量的电压、电流计算故障回路的阻抗。

在忽略线路的对地电容和电导时，故障的回路阻抗与故障的距离成正比。

由此，可以求出故障点到测量点的距离，但故障点的过渡电阻会对计算阻抗造成很大的误差。

②故障分析法。

在系统运行方式和参数已知的情况下，线路故障时，检测点检测到的电压和电流是故障点距离的函数。

只要根据输电线路的等效电路进行分析，可以找出这个函数关系。

如电压法：在故障发生时，线路上故障点电压值最小，对故障线的等效电路进行分析，找出电压最小值点就是故障点。

③行波法。

行波法是利用故障发生时在故障点产生的向线路两端传播的行波的波速和时间来求故障点的距离。

一般可分为A、B、C三种类型。

三种行波法中A型和C型属于单端法，B型属于双端法。

3.2故障定位方法设计
由于单端行波法在实用上的缺陷，本文采用双端电压行波法，即B型行波定位来实现输电线路故障定位。

B型定位原理是根据线路故障时在故障点产生的初始行波传播到线路两端的时间差和波速来实现故障定位的。

B型行波定位需要在线路两端安装设备，不需要对故障点反射波进行识别，定位精度较高，是目前行波法故障定位中使用得最多的一种方法。

实现双端行波法故障定位的步骤如下：①行波信号的获取。

现场的电压行波都是高电压信号，需要用传感器转变成低压信号。

行波信号是数百kHz的高频信号，要求电压传感器要有好的频率特性。

②行波信号的采集。

行波信号频率高，根据采样定理，要求采集系统的采样大于行波信号频率的两倍。

这就需要高速采集系统才能准确记录行波信号。

双端行波法需要记录来自线路两端的行波信号，还需考虑异地采样不同步带来的误差，因此还需设计同步时钟。

③相模变换。

实际获取的信号为三相电压，根据前面分析需要对三相电压进行相模变换来消除各相电压之间耦合的影响。

④求取初始行波到达线路两端的时间差。

根据前面测出的相关参数进行时间差的计算，时间差是决定定位精度的关键因素。

3.3故障定位系统设计
输电线路故障定位系统包括硬件部分和软件部分，限于篇幅，本文主要探讨硬件平台的设计。

硬件部分主要完成行波信号的获取。

现将故障定位系统硬件设计平台设计如以下几点。

线路故障产生的电压行波信号，经电压传感器一路到采样启动单元，一路到高速采集模块。

当满足行波启动条件后启动A/D转换进行数据采集，同时由GPS同步时钟记录启动时刻。

将行波波形与启动时刻保存在工控机，将两端的数据传送到主控室工控机，并进行定位分析。

当电网出现过电压时，电压传感器采集到过电压信号后，信号经过信号调理电路传送至数据采集卡，数据采集卡将输入的模拟电压信号转换为计算机所能识别的数字信号，并以文件形式保存在计算机硬盘上。

电压传感器是准确获取电压行波信号的关键，这也正是电压行波法长期以来一直受限制的原因。

本系统在35kV及以下的配电网采用低阻尼阻容分压器，直接从母线处获取电压信号，110kV输电线路采用特制的电压传感器从电容式套管末屏抽头处获取电压信号。

方波实验表明这两种传感器均有较好的响应特性。

用这两种传感器设计的过电压在线监测系统的实际运行情况也表明传感器能准确传变故障行波信号以及频率更高的雷电波。

采用这种方式获取电压信号解决了因CVT不能传变高频行波信号的缺点，保证了电压行波获取得以实现。

结论
本文在国内外现有输电线路故障定位方法的基础上，对基于电压行波的输电线路故障定位方法进行了探索和研究，给出了基于电压行
波的输电线路故障的定位方法，并在此基础上完成了定位系统硬件平台的设计，给出了详细的设计方案和系统工作原理，对于进一步提高高压输电线路故障定位的方法及其系统的研究、应用，无论是从理论研究还是从实践开发商，都具有很好的指导和推广的意义。

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