1、对输电线路故障定位距离测量方法的探讨摘要：随着我国经济的飞速发展，电力需求越来越大，超高压线输电、长距离输电的情况越来愈多，发生故障的概率也越来越大。如何准确的定位故障具体位置是输电线路故障分析中的重要工作，也是及时解决问题、降低故障危害的重要技术手段。本文笔者结合多年从事输电线路运行的工作经验，分析了传统阻抗测距存在的问题并探讨了行波测距方法的工作原理、优缺点，同时就一些关键问题作出了对策，希望能够为我国电力事业的发展提供一些帮助。 关键词：输电线路运行；故障定位；故障分析；阻抗测距；行波测距 Abstract: with the rapid development of our econo
2、my, the power demand is more and more big, more and more super high voltage transmission, long distance transmission, the probability of failure is also growing. The specific location of fault how accurate is an important work in the analysis of transmission line fault, an important technical means
3、damage is reduced is also solve the problem in time. In this paper, the author with many years engaged in power transmission line operation experience, analyses the existing problems of traditional impedance measurement and discusses the principle, the advantages and disadvantages of traveling wave
4、fault location method, also made countermeasures on some of the key issues, hoping to provide some help for the development of electric power in our country. 关键词：输电线路运行；故障定位；故障分析；阻抗测距；行波测距 Keywords: transmission line; fault location; fault analysis; fault location; fault location 中图分类号：TM05 文献标识码：A
5、引言 电力工程一直是国家重点关注的基础建设行业，尤其是近些年伴随着我国经济的飞速发展，全国各地城市化进程的加快，山区建设的增多，超高压、长距离输电工程日益增多，这给输电线路的安全稳定运行提出了更高的要求。故障定位一直是输电线路故障分析中的重要技术手段，它能够帮助工作人员判断出故障发生段，进而针对性的采取补救措施，如果没有进行故障定位，那么需要花费大量的人力进行线路盘查，如此不但浪费时间、人力，而且还会造成故障的扩散引发重大安全事故，由此可见能否准确的定位故障是防治输电线路故障的关键。 一直以来，常规的故障定位方法是采用故障录波技术进行估算定位，自上世纪 80 年代开始，许多线路保护或者录波装置
6、开始使用阻抗测距的方法，但是限于技术水平等多方面的原因，其测量精度无法得到保障，然后随着科学技术的不断发展，尤其是进入 21 世纪后，很多高科技的出现和使用大大的推动了故障定位的发展，尤其是新型电压电流信号交流器、GPS 同步时钟信号、高级处理芯片的出现使得行波测距得到了巨大的进步，成为了当前主流的故障定位技术。下面笔者先简单的介绍了阻抗测距的问题所在，然后重点对行波测距的原理、关键技术进行分析，并分析了其在使用中发现的一些问题。 1 阻抗测距法及其存在的问题 对于单端电源供电的输电线路来说，一旦发生故障，测量母线电压电流后经过计算得出的电抗分量 XL 与故障点位到母线的距离成正比，因此只需要
7、用电抗分量处于单位长度的电抗大小就能够得到故障的距离，进而确定故障位置。但是这种测量有几个前提因素：线路三相对称、忽略掉一些因素影响（传感器、线路和系统参数、过度电阻等） 、必须知晓工频基波大小。阻抗测量的优点在于成本少，其缺点也非常明显，主要包括两个方面： 1）阻抗测量的精度不是很高，主要是因为其受到很多方面的影响：电源阻抗、互感器的变换误差、线路的结构是否对称、输电线路电容的分布情况、零序参数的变化等等； 2）适应性较差：由于前提条件较多，因此不能广泛的推广使用，尤其是一些直流输电线路、串补电容的输电线路以及同杆双回输电线路的故障距离测量。 2 行波测距 行波测距是指通过利用检测电压或者电
8、流流经母线到故障点位所花费的时间来计算故障距离，这种方法因为行波速度快，而且不用考虑故障点位的电阻、线路是否对称、互感器的变换误差等因素，因此测量精度大大提升，适用性也更高。目前，常用的行波测距方法有三种：单端电气量 A 型测量、双端 D 型测量以及重合闸 E 型，下面笔者简单的对它们的工作原理进行了介绍。 2.1 单端 A 型测距方法 输电线路一旦发生故障，相应的就会产生电流行波，该行波会在母线与故障点位之间来回反射，此时装置于母线位置的测量装置接受由电流互感器传来的暂态行波信号，然后模拟高通滤波器过滤出波头的脉冲大小，最终形成行波的波形，如图 1 所示。 图 1 单端 A 型测距波形图 一
9、般来说母线的阻抗要比输电线路的阻抗低，因此行波在母线和故障点之间的反射均为正反射，由故障点来的反射行波就与故障初始产生的电流行波同向同极，所以通过计算故障初始行波脉冲与第一次反射回来的行波脉冲到达母线的时间差t 就能够得出故障的距离。我们假设输电线路长 L，行波波速为 V，故障初始行波脉冲和该行波反射波到达母线的时间分别为 Ts1 、 Ts2，那么故障的距离可以表示为： （1） 如果考虑到透射波的影响，那么则要看故障点的具体位置来选择公式，如果故障点位置在线路的中点内，那么直接运用公式（1）计算，如果在线路中点外，那么则需要用公式（2）计算： （2） 上公式中 Ts1 、 Ts2 分别为故障初
10、始行波到达时间和对端发射波到达时间。 2.2 双端 D 型测距方法 顾名思义就是有两个端头，通过测量行波到两个端头的时间来计算出故障点位到母线的距离，如图 2 所示。 图 2 双端 D 型测距原理图 假设故障初始行波到达双端母线的时间分别为 Ts 和 Tr，那么故障点位到双端母线的距离分别为 Xs、Xr，其计算公式为： （3） 和单端测距相比，两端测距法不需要考虑故障点位的透射波以及后续的反射波，测量更为可靠，方法也简单，但是必须保证两个端头母线的时间测量同步，这就需要采用 GPS 同步时钟装置，而且两端之间也要保持正常通信，互相交换记录初始行波分别到达的时间信号。 2.3 重合闸 E 型测距
11、方法 是指输电线路发生故障后立刻切除故障线路然后开关重合闸向线路注入合闸电流脉冲，如果线路发生永久短路故障，那么电流脉冲会被故障点反射回来，此时按照公式（1）进行计算就可得出故障点位距离。 3 关键技术问题的解决 3.1 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 1 kHz 以下 ,而行波信号频率范围要在 300 kH 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
12、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 。 这种技术具有良好的高频电流信号传变能力 ,响应速度小于 1 s,对应的行波在线路上往返一趟的距离是 150 m ,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 。 3.2 超高速数据采集 为了保证行波测距精度 ( 分辨率
13、 ) ,行波信号数据采集频率一般不应少于 500 kHz,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 , CP 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 。受篇幅限制 ,这里不详细阐述高速数据采集电路工作原理 。 4 在使用过程中出现的一些问题 定期检查测距系统，如发现异常，应及时处理，检查内容为： 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
14、）检查连线有无松动 ,尤其是 CT 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方法： 1）电源指示灯不亮的处理：检查连线是否接好或机箱保险丝是否已断、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：检查插件是否插紧、检查 R S 485 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 AD 板损坏，应当及时通知研制单位有关人员来处理； 4）GPS 同步指示灯不亮而异常灯亮的处理 ：检查 GPS 天线接口与前台管理箱是否连接、检查 GPS 同步指示灯是否长期不
15、亮 ，若偶尔不亮可能是由于 GPS 接收卫星信号弱所至。 5 总结 行波测距方法能够精确的定位故障点位，尤其是双端 D 型测距方法，简单高效，适用性广，随着 GPS 技术的飞速发展，同步时钟信号已经越来越准确，双端测距方法的使用也越来越广泛，势必成为未来故障定位的主流测距方法。本文笔者主要探讨了行波测距方法的原理及其在使用中应当注意的一些关键技术问题，旨在能够为我国输电事业的发展提供一些帮助，同时也希望能够有更多的专业人士分享他们的经验总结，为解决长期以来困扰我国电力事业的输电线路故障问题而努力。 参考文献： 1 王升花,王平. 输电线路单端行波故障测距新算法的仿真研究J.信息与电脑(理论版). 2010(05) 2 丁一,朱春涛,孙贵萍,蔡红丽. 一种基于双端电气量的故障测距方法研究J. 电工电气. 2011(06) 3 邰彬. 行波测距技术在超高压输电线路上的应用J. 自动化应用. 2010(11)
