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基于多点电流测量的输电线路故障
摘要: 输电线路是电力系统的重要组成部分，输电线路的可靠运行关系着国民经济的健康良好发展。输电线路分布面积广、范围大，如何快速准确的分析判断线路故障位置，排除故障，对于保障输电线路的可靠运行是十分关键的，本文主要对根据多点电流测量的输电线路行波故障定位法进行了分析和讨论，该方法相对传统行波分析，对于故障点位置的判断精度有较大改善，对于输电线路的故障定位有一定的参考价值。 关键词：输电线路；故障定位；多点测量
一 概述。
输电线路是电能输送的通道，肩负着电力输送的重要任务。随着我国电网建设的不断推进,距离长、容量大的高电压超高电压等级的输电线路的应用越来越多。由于输电线路长期暴露在外部环境中，很容易受到日照、雨雪、树木接触、以及山体滑坡等外界因素的影响，电力系统输电线路故障时有发生，占据电力系统故障的绝大多数，给电力公司和用户造成大量损失。由于人工巡检费时费力，效率比较低，很难满足电力系统可靠运行的要求。因此，微机线路保护故障定位逐步得到广泛应用，其中根据行波理论的故障定位分析法的应用最为理想，也最为广泛。本文针对现有行波故障定位法准确度低的问题，应用多点测量的方法，使测量精确度得到大幅提高。[1]
二 三点电流测量的输电线路行波故障定位法。
1.行波波速测定的基本原理。
行波故障定位法中,行波的波速是决定定位精度的核心因素。波速取决于线路的参数，当忽略线路参数频率的影响时，波速可通过下面公式计算：
(2-1)
其中，L是线路单位长度电感值，C是线路单位长度电容值。
当线路参数频率的影响也考虑时，波速则可由如下公式计算：
(2-2)
其中，L为线路单位长度电感，C为线路单位长度电容，R为线路单位长度电阻，G为线路单位长度电导，ω为角频率。
从式（2-2）可以看出，要准确得出行波波速,一方面线路参数要精确，另一方面故障行波的中心频率要计算出。然而由于故障行波中心频率的差异，以及复杂环境的影响，使波速的精确计算变得十分困难，主观的取值容易造成误差。若能由故障线路直接测定波速则能使这些问题得到很好的解决。从而三测量点法被提出，即在两端测量点外于线路中间额外加一个测量点，确保行波的波速在故障点和三个测量点间的路段中相同。[2]
图2-1 输电线路示意图
如图2-1所示，假设输电线路的总长为l，测量点A、B、C分别在线路的两端和中间部分，每个测量点都安装了GPS和无线通讯设备。其中，GPS完成测量点同步时钟，从而记录行波波头到达测量点的时间，无线通讯完成数据交换。
在实际应用中，假设故障点处于BC之间，那么故障行波在AC段上的传播时间tAC可以根据行波从故障点分别到达A点的时间tA和到达C点的时间tC得出。
（2-3）
则故障行波波速为：
(2-4)
同理可得故障点在AC段的行波波速。
2.故障定位的流程。
线路故障发生以后，测量点利用无线通讯把带有时间的各相电流相位和故障后的线模电流发送到控制中心。控制中心收到数据后，通过相应的技术手段进行分析，得到各测量点的瞬时能量趋势图，趋势中第一个能量突变点对应的时间即为故障初始行波的到达时间。由电流相位差动原理判断出故障点区间后，即可计算出故障行波的波速。由行波第一次到达A点和B点的时间tA和tB，应用双端行波定位原理计算公式（2-5）求出故障点距离A点的距离lAd。
（2-5）
式中，l是输电线路的总长度，v是故障行波的波速。
则故障定位流程图如下所示：
图2-2 故障定位流程图
三 多点电流测量的输电线路行波故障定位法。
1.多点行波故障定位的特点。
为了进一步提高故障定位的精度，减小由于线路长度误差、行波信号畸变和衰减以及波速的不确定性因素导致的误差，本文讨论了基于多点电流测量的行波故障定位法。该方法有以下特点：
（1）多点测量使故障区间缩短，使线路长度误差减小。尤其在实际应用中，电力部门提供的线路长度往往存在一定误差，有时误差甚至达到20千米，严重影响了故障定位的精度。应用故障区段定位可以使线路长度误差减小到线路误差的一半甚至完全消除。
（2）缩短故障区间，使行波信号的畸变和衰减减小。由于电力线路不可避免的存在线路阻抗，故障行波在线路发送过程中会产生畸变和衰减。如果波形变化过于严重，则必然影响到波头检测的精度，若传输区间缩短，线路阻抗对行波的影响也会随之减小，从而有利于准确检测波头的位置。
（3）故障定位遵循“中间故障区域选择”原则。由于当故障点位于线路的中间位置时，根据系统给定线路计算故障点位置时产生的误差为0，误差的大小和故障点与线路中间位置的距离成正比。为减小误差，应尽量保证故障点接近线路中间部位。[3]
2 多测点行波故障定位的方法。
故障区间确定以后，首先应检验各监测点数据的时刻时序有效性，然后按照“中间故障区域选择”的原则选择定位的检测点，计算出波速，最终由双端行波定位原理计算出故障距离。
2.1波头时刻时序有效性检验。
由于在线路中存在多个检测点，在故障波向线路两端的传播过程中，故障行波波头的到达检测点的时间应与到故障点的距离成正比。
图3-1 多点故障定位输电线路示意图
如图2-1，设定行波到达捡测点MK+1、MK+2、MK+3和MK+4的时间分别为tK+1、tK+2、tK+3和tK+4，则检测点的时序应满足如下条件：
（3-1）
若测得数据不满足式（3-1），则数据无效不能用于故障定位的计算。
2.2波速的测定。
我们把距离故障点两侧最近的检测点称为1级检测点，向两侧延伸依次称为2级检测点至n级检测点。如图（3-1），当故障点确定在MK和MK+1之间时，MK和MK+1就是1级检测点。此时可用1级和2级检测点间的线路计算出行波速度。我们选用检测点MK+1和MK+2进行计算，假设ΔtK是MK+1和MK+2故障行波到达的时间差，MK+1和MK+2间的输电线路长度为lK，则故障行波的波速为：
（3-2）
2.3故障点距离计算。
选取定位线路时，应尽量保证故障区在检测点间输电线路的中间部分，在临近测点的线路长度相近时，可以选用2级检测点完成定位。如图3-1中则可使用MK-1和MK+2分别作为两端进行定位。而在实际应用中相邻测点的线路长度大都差别比较大，此时可以向下级延伸选择用于定位的线路段两端的检测点。若线路长度lK和（lK+2+lK+3）大致相等时，则可将测量点MK-1和MK+3作为两端的检测点完成定位。波速得出以后则可应用双端行波定位原理计算故障距离。当检测点之间距离很近，造成定位出的故障区很短时，定位结果可以直接得出。[4]
3 多测点行波定位的应用。
假设图（3-1）输电线路电压等级为为220kV，线路总长度为180km，线路具体参数和系统阻抗如下表所示：
表3-1 输电线路参数
表3-2 系统阻抗
故障点在120km处，过渡电阻为100Ω，系统在0.2s时A相发生短路故障，检测点之间的距离为5km故障点和1级检测点的距离分别为2km和3km，系统采样频率为2MHz。检测得出初始行波到达各检测点的结果如表3-3所示。
表3-3 初始行波到各检测点的采样点位置
表中的数据符合波头时间的时序原则，数据有效可以用于波速计算。应用MK-1和MK+2进行故障距离计算。首先波速的计算如下所示：
（3-3）
得出波速，带入公式可得故障距离为：
（3-4）
此计算结果为故障点距离检测点MK-1的线路长度。
四结论
输电线路故障的快速准确定位对于电力系统维护人员寻找线路故障点，快速排除线路故障有着重要意义，是电力系统安全可靠运行的重要保障。本文提出的多测点行波故障定位法，相对于传统行波故障定位法，使故障点位置检测精度大大提高，具有一定的实践意义。如今输电线路的故障定位实现还存在很多的问题需要解决，如何更加准确快速的进行故障定位仍然是行波法故障定位研究的重点。更加先进的测量方法和理念还有待研究。
参考文献：
[1]葛耀中.新型继电保护与故障测距的原理与技术(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社,2007: 256-335
[2]周浩.高压输电线路故障定位综述[J].电气应用,2007, 26(4): 6-13
[3]全玉生.高压架空输电线路故障测距新算法的研究[D].西安:西安交通大学博士论文,1999: 2-13
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