架空输电线路故障定位技术研究

陶 军，付子峰，夏 雄，熊 磊，方思剑

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉430050）

0 引言

随着电力系统的不断发展，架空输电线路的分布范围越来越广，然而线路的运行环境受多方面的影响，引起线路跳闸的因素包含很多方面。当输电线路发生故障跳闸后，如何快速准确定位成为电力系统重点关注的方向之一［1-3］。通过快速查找故障位置，排除故障原因是确保电网安全的前提条件［4-6］。针对一些隐蔽故障，运维单位难以在较短时间内查找到故障位置，给运维单位造成很大的压力［7-9］。目前，架空输电线路主要采用在线监测的方式进行故障定位，其中行波法使用范围比较广，该技术较为成熟，使用该技术设计的分布式故障诊断系统，大量应用于架空输电线路，提高了输电线路的故障定位精度［10-12］。

故障行波随着时间和距离的推移，这种输电线路的暂态行波波形会不断降低，并且监测装置之间设置的距离和实际线路长度存在一定的偏差［13-15］。这是由于线路架设过程中，存在一定的弧垂，杆塔之间张力和地形的差别，使得杆塔之间的弧垂大小不一样，并且，随着季节和温度的变化，弧垂处于不断的变化之中［16-18］。同时，架空输电线路的参数和地质、气候有关，不同的地质条件，大地电阻率不同，对于气候恶劣的高寒地区，线路参数低于给定值。由于线路长度与参数的变化，客观上增加了故障定位的难度［19-21］。

当架空输电线路发生故障跳闸时，故障位置形成的行波，沿着线路往两端发展，然而，线路自身的线损和连接点引起行波波头的畸变与衰减，导致行波波头误差，进一步增加了故障定位的难度［22-24］。而且，暂态行波的波速低于真空速度，如果两者的偏差较大，分析时采用真空速度，使得故障定位不准确［25-27］。

1 故障定位装置原理分析

当架空输电线路出现故障时，例如雷击、外破、鸟害等，电力系统中会出现暂态行波，这种行波是沿输电线路向两端发送的电压、电流波［28-30］。分布式故障诊断系统主要采用行波定位技术，依照双端定位法，如图1 所示。在被测线路的两端分别安装一套监测装置，当线路某个位置发生故障跳闸时，故障行波向两端发送故障信号，监测装置得到故障信号后，通过比较两套装置采集故障信号的时间差，计算故障发生位置。

图1 双端行波定位示意图Fig.1 Schematic diagram of double-ended traveling wave positioning

在图1中，当线路发生故障，故障点向线路两端发送故障信号，行波信号发送到监测装置1 所需时间为t1，行波信号发送到监测装置2 所需时间为t2，故障点和监测装置1的距离为L1，故障点和监测装置2的距离为L2，两套监测装置之间的距离为L，则有：

分布式故障诊断系统架构如图2 所示，包括监测终端、数据中心以及客户端3 个部分。监测终端包含取电CT、罗氏线圈电流传感器、GPS授时模块、采集模块、4G通信模块等，监测终端主要技术参数如下：采样率为50 MHz；行波测量范围为0.5 A～2 000 A；带宽为0.5 kHz～1 MHz。

图2 分布式行波监测系统组成示意图Fig.2 Schematic diagram of distributed traveling wave monitoring system

2 故障定位技术优化分析

由于架空输电线路故障定位受线路长度、故障行波波速和故障行波波头的作用，通过设置一种误差模型进行分析，如图3所示。在图3中，假设架空输电线路理论长度为L，实际长度为αL，α为修正参数，该参数和弧垂、波速、波头有关，当输电线路某点发生故障，故障点和监测装置1 的距离为x，则故障点和监测装置2的距离为αL - x。

图3 带误差模型双端定位原理图Fig.3 Schematic diagram of double-ended positioning with error model

式（4）中，Δx为故障位置和监测装置1的实际距离与故障位置和监测装置1 的理论距离差。因此，架空输电线路故障定位和线路长度、波速和波头衰减有关。

2.1 线路长度的影响

假设架空输电线路的弧垂相等，杆塔之间的距离相等为l，线路长度为杆塔距离的α倍，α ＞1，监测装置之间的距离为L，那么输电线路长度是(L l)×αl=αL。如果故障行波波头没有衰减，根据图3，实际故障点和监测装置1的距离x′为：

那么，由于线路长度引起的定位误差为：

于是，如果得到修正系数α，那么架空输电线路故障定位精度和线路走廊长度有关，监测装置距离越远，定位准确度越低。

2.2 波头衰减的影响

由于监测装置采集故障行波的关键是波头，而随着暂态故障行波向两端传输的过程中，行波波头幅值降低，波头变缓，如果监测装置采集行波延迟1 μs，那么，带来的定位精度差距约为300 m，因此，需要提高监测装置的采样精度，避免行波在远距离传送过程中产生的误差，此外，尽量缩短监测装置之间的距离，必要时，架空输电线路中可以多点布置监测装置。

2.3 波速的影响

输电线路中故障行波的波速小于光速C，范围是0.936C至0.987C，假设线路长度准确，并且行波波头没有衰减，根据图3 可得，当架空输电线路发生故障时，故障点和监测装置1之间的理论距离为：

在式（7）中，v 为理论波速，v0为实际波速。于是，理论波速和实际波速的定位误差为：

因此，如果行波波速已知，那么故障定位准确度仅仅受故障位置的影响。当监测装置之间的距离确定，理论波速和实际波速越接近，故障定位越准确。如果行波波速一样，监测装置之间的距离越大，故障定位准确度越低。如果故障发生在线路中间位置，那么故障定位没有误差，故障点离线路中间点越远，定位准确度越低。为了消除波速对于故障定位的影响，通常采用在线波速测量技术，可以有效减少波速和线路长度的影响，提高故障定位精度。

3 结语

本文通过分析线路长度、波头和波速对于架空输电线路故障定位的影响，为了提高故障定位准确度，监测装置之间的距离小于线路实际长度，并且测量在线波速，可以有效减小定位误差。研究发现：

1）当架空输电线路发生故障时，故障点和监测装置距离越近，故障定位准确度越高。

2）采用在线测量波速的方法，可以提高故障定位准确度；如果故障行波没有采用在线测量波速方法，则故障定位存在一定的误差。

3）理论波速和实际波速越接近，故障定位准确度越高，当架空输电线路故障点位于线路中点时，定位误差最小。

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