输电线路故障定位技术的分析与比较

房雪雷1,朱宁2＊

(1.安徽省电力公司培训中心,安徽合肥230022;2.铜陵供电公司,安徽铜陵244002)

摘　要:本文分析了传统的阻抗测距法存在的问题,介绍行波测距工作原理、优点和关键技术,

并根据近年来现场使用的情况,提出在实际运行维护中若干注意问题。

关键词:故障定位;阻抗法;行波测距

中图分类号:　T M744　　文献标识码:　A　　文章编号:　1672-9706(2008)03-0030-04

A n a l y s i s a n d C o m p a r i s i o n T r a n s m i s s i o nL i n e

B r e a k d o w nL o c a l i z a t i o n T e c h n i q u e s

F A N GX u e-l e i1,Z H UN i n g2

(1.A n h u i E l e c t r i c P o w e r T r a i n i n g C e n t e r,H e f e i230022,C h i n a;

2.T o n g l i n g P o w e r S u p p l y C o m p a n y,T o n g l i n g244002,C h i n a)

A b s t r a c t:T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e e x i s t i n g p r o b l e m s o f t h e t r a d i t i o n a l i m p e d a n c e m e t h o d,a n d d i s c u s s e s

t h ep r i n c i p l e,t h ea d v a n t a g e sa n dt h ek e ya p p l i c a t i o nt e c h n i q u e so f t r a v e l i n gw a v em e t h o d.S o m e p r o b l e m s o f t h ea c t u a l o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e a r ep r o p o s e db a s e do nw o r k i n ge x p e r i e n c e s o ns p o t r e c e n t y e a r s.

K e y w o r d s:b r e a k d o w n l o c a l i z a t i o n;i m p e d a n c e m e t h o d;t r a v e l i n g w a v e m e t h o d

1　引言

电力行业一直都非常重视输电线路故障点定位问题。随着电力系统的不断发展,超高压、长距离输电线路越来越多,线路故障点的准确定位更彰显其重要性。为减少线路寻查的工作量,缩短故障修复时间,节约大量的人力、物力,提高供电可靠性,减少停电损失,加强并提高系统运行管理水平,迫切需要在系统发生故障时能准确查找故障点。对于大多数的能够重合成功的瞬时性故障来说,准确地测出故障点位置,可以区分内外部故障,以及时地发现事故隐患,采取有针对性的措施,避免事故再一次地发生。

长期以来,人们基本上是依赖分析故障录波结果来估算故障点位置,80年代后许多微机线路保护或故障录波装置增加了基于阻抗测量原理的故障测距功能,但受多种因素影响,测距精度仍得不到保障。随着科学技术的发展,尤其进入本世纪后,基于霍尔原理的新型电压、电流信号变换器的出现、G P S 同步时钟信号的商业运用、高速数字信号处理芯片及其它新型技术的发展,为行波信号的获取方法、精确定时问题、信号处理方法、数据处理方法等行波分析方法在电力系统相关技术领域内的运用提供了基本手段,行波故障测距技术取得了重大进展。实践证明,其实际故障测距效果良好,可以说,目前行波测距已成为输电线路故障重要的精确定位方法。

近两年,在我省各供电公司线路工区调研学习期间,发现现场运检人员非常信任行波测距的数据(尤其是220k V等级线路),但是对其工作原理不够清楚。本文首先从分析阻抗测距法存在的问题入手,然后介绍行波测距工作原理、关键技术问题的解决以及近年来实际应用中发现的若干问题。

＊收稿日期:2008-07-20

作者简介:房雪雷(1969-),男,安徽阜南人,主要从事变电和线路方向培训教学工作。

朱　宁(1968-),女,安徽铜陵人,工程师。

2　阻抗测距法及其存在的问题

对于单端电源的供电线路来说,由故障时母线处测量电压、电流计算得到的电抗分量X L 与母线到故障点线路长度成正比,用X L 除以单位长度上电抗值,即可得到故障距离。其是基于如下假设条件:a .三相完全对称;b .工频基波量;c .不考虑传感器特性、过渡电阻、线路参数及系统参数(线路换位方式等)、故障暂态谐波等因数的影响。阻抗测距可以作电力系统中广泛使用的微机保护及滤波装置附加功能,具有投资少的优点,但是存在测距误差大、适应能力差的缺点。

影响阻抗方法测距精度的主要因素有:a .故障点弧光电阻;b .电源阻抗;c .电压、电流互感器的变换误差;d .线路结构不对称(换位)造成故障点到母线之间三相参数不对称;e .长线路分布电容的影响;f .以及线路走廊地形的变化引起的零序参数变化。阻抗测距法另一个缺点是适用性较差,它不适以用于直流输电线路、带串补电容的线路、T 接线路以及部分同杆双回线路的故障测距:

3　行波测距

人们很早就认识到检测电压、电流行波在母线与故障点之间的传播时间可以测量故障距离。由于行波的传播速度接近光速,且不受故障点电阻、线路结构及互感器变换误差等因素的影响,因此有较高的测量精度。行波装置采用基于单端电气量A 型、利用双端电气量的D 型以及利用重合闸信号的E 型测距方法。下面分别简单介绍利用故障电流行波的测距方法的工作原理。

3.1　单端A

型测距方法

在被监视线路发生故障时,故障产

生的电流行波(以下简称行波)会在故障

点及母线之间来回反射。装设于母线处

的测距装置接入来自电流互感器二次侧

的暂态行波信号,使用模拟高通滤波器

滤出行波波头脉冲,形成如图1所示的

电流行波波形。由于母线阻抗一般低于

线路阻抗,电流行波在母线与故障点都

是产生正反射,故故障点反射波与故障

初始行波同极性,而故障初始行波脉冲

与由故障点反射回来的行波脉冲之间的

时间差■t 对应行波在母线与故障点之

间往返一趟的时间,可以用来计算故障

距离。

设线路长度为L ,波速度为v ,故障

初始行波与由故障点反射波到达母线的时间分别为T s 1、T s 2,则故障距离X L 为

　　X L =12v ·■t =12v (T S 2-T S 1)(1)

如考虑故障点透射波的影响。要区分故障点在线路中点以内还是以外的情况,故障点在中点以内时,利用公式(1)来实现测距。当故障点在线路中点以外时,则利用公式(2)实现测距

　　X R =12v ·■t ′=12v (T S 2-T S 1)(2)

T S 2:对端发射波到达时间;　　T S 1:

故障初始行波到达时间3.2　双端D 型测距方法

设故障初始行波波头到达两侧母线的时间分别为T S 和T R ,如图2所示,装于线路两端测距装置记房雪雷,朱　宁:输电线路故障定位技术的分析与比较

录下故障行波波头到达两侧母线的时间,则故障距离可由下式来算出

　　　　　X S =[(T S -T R )

·v +L ]/2(3.a )　　　　　X R =[(T R -T S )·v +L ]/2(3.b

)

两端测距法由于只检测故障产生的初始行波波头到达时间,不需要考虑后续的反射与透射行波,原理简单,测距结果可靠。但是两端测距的实现要在线路两端装设测距装置及时间同步装置(G P S 时钟),并且两侧要进行通信,交换记录到的故障初始行波到达的时间信息后才能测出故障距离来。如不具备自动通信条件,可借用电话联系,人工交换记录到的故障初始行波到达的时间,利用公式(3)计算故障距离。

重合闸E 型行波测距方法,是在线路故障切除后开关重合闸,向线路注入了一个合闸电流脉冲,如果线路存在金属性永久短路故障,则合闸脉冲会在故障点被反射回来,测距公式同式(1)。

4　关键技术问题的解决

从工作原理讲,行波测距技术是可行的且有很多优点。早期由于受当时人们对线路行波现象的认识及技术条件的,这些装置还很不成熟,存在着可靠性差、复杂、投资大等问题,基本上没有得到推广应用。进入90年代,阻碍行波测距技术发展的关键技术问题都有了经济可行的解决方案,行波测距技术已趋向成熟,进入了商业化应用阶段。下面简单介绍行波测距的关键技术及其解决方案。

4.1　利用普通的电流互感器测量电流行波

常规继电保护及测距装置利用的信号频率一般在1k H z 以下,而行波信号频率范围要在300k H z 以上。长期以来,人们认为普通的用于测量工频信号的电压、电流互感器(T V 、T A )是很难传变测距使用的暂态高频行波信号,影响了行波测距技术的推广。

通过对T V 、T A 传变特性的作了大量的仿真分析研究,表明电容式电压互感器不能够有效地传变行波信号,而电流互感器可以很好地传变电流行波信号,可以满足故障测试的要求。具有良好的高频电流信号传变能力,响应速度小于1μs ,对应的行波在线路上往返一趟的距离是150m ,其分辨率完全可以满足行波故障测距的需要。这一发现是推动行波测距技术实用化的关键,利用普通的T A 测量行波信号,行波测距装置可象普通的保护装置那样,可直接接入T A 的二次回路,不需要装设任何附加设备,具有简单、经济、可靠等优点,很容易被现场所接受,有利于行波测距技术的推广应用。

4.2　超高速数据采集

为了保证行波测距精度(分辨率),行波信号数据采集频率一般不应少于500k H z ,即采用时间间隔在2微秒以内,而使用常规的由微处理器直接控制模数转换器A /D 的方式是很难实现这样高速的数据采集。需要专门设计了高速数据采集电路来记录线路故障电流行波数据。在高速数据采集电路捕捉到暂态数据后,C P U 用较慢的速度读去记录下的数据存入它直接控制读写的内存里,解决了这一矛盾。受篇幅,这里不详细阐述高速数据采集电路工作原理。

4.3　时间同步及故障行波脉冲到达时间检测安徽电气工程职业技术学院学报　　　　　　　第十三卷　第三期

对于双端D型测距方法来说,如果要达到不少于500m的测距分辨率,两端装置的时间同步精度应该达到3μs,长期以来由于没有相对经济可靠的时间精确同步技术,双端测距方法没有得到很好地发展。90年代初,美国全球卫星定位系统(G P S)技术对全球商业化应用开放,G P S信号接受模块的价格降至几百美元,是一种理想的时间同步技术,因此,可以利用基于G P S技术的同步时钟的输出来实现两端测距装置的1μs精确同步。

4.4　通信问题的解决及行波测距系统的组成

双端D型测距功能的实现需要知道线路两端的装置记录到的故障电流行波到达的时间,因此,需要解决装置测量数据的通信远传问题。由于不象线路保护装置那样需要在故障后立即动作,因此,不要求为测距装置之间设置常备通信通道,这使得行波测距通信问题相应地容易解决。一般地做法是在控制中心配置一台P C机作为行波测距系统工作站,与辖区内所有的现场行波测距装置构成行波测距系统。

4.5　小波变换技术在行波波形分析中的应用

线路故障行波是一种具有突变性质的、非平稳变化的高频暂态信号,其中包含着丰富的故障信息(如故障距离、故障相等)。小波变换技术是近年来发展起来的一种分析暂态信号有力的数学工具,将它应用于故障行波信号的分析,可以正确地提取和识别这些故障信息,解决单端故障行波波形的自动识别问题。

5　实际运行维护和异常处理的若干问题

定期检查测距系统,如发现异常,应及时处理。检查内容:1.通过显示器显示的软件执行情况及提示,了解测距主站及测距终端的运行情况。2.检查连线有无松动,尤其是C T的二次入线和出线是否连接牢固。3.检查测距终端各机箱面板的指示灯是否显示正常。4.主控制室的测距系统异常光字牌是否亮。

常见异常情况及处理:1.电源指示灯不亮的处理:①检查连线是否接好或机箱保险丝是否已断。②检查指示灯是否已坏。2.信号检测箱的采样指示灯长时间不亮的处理:①检查插件是否插紧。②检查R S485连线头是否插紧。3.信号检测箱的采样指示灯频繁闪动的处理:可能是A D板损坏,请及时通知研制单位有关人员来处理。4.G P S同步指示灯不亮而异常灯亮的处理:①检查G P S天线接口与前台管理箱是否连接;②检查G P S同步指示灯是否长期不亮,若偶尔不亮可能是由于G P S接收卫星信号弱所至。5.测距主站死机的处理:关掉工控机的电源重新开机。

6　结束语

行波测距技术能够实现线路故障的精确定位,特别是双端行波测距方法,具有简单、可靠、易于实现、适用性广的优点,随着G P S时间同步的应用及通信技术的发展,具有很强的生命力,相信行波测距会成为将来输电线路的主要测距方法,为解决长期以来困绕电力行业线路故障查找难的问题发挥重要的作用。

参考文献:

[1]刘新平.输电线路:第四册[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3]韩天行.微机型继电保护及自动装置检验调试手册[M].北京:机械工业出版社,2005.

[责任编辑:朱　子]