1、基于高频暂态的 线路多故障点识别研究罗东萍，薛斐，熊丽，黎林君（海南电力产业发展有限公司，海南 海口 ）摘要：对大电流接地系统和小电流接地系统发生多点接地故障时的电压量和电流量进行分析，利用行波法对各类 线路进行多点故障判定及故障精确定位，最终可知行波法故障测距能够很好地识别出 小电流系统中存在的多故障点情况。多次试验和现场故障定位情况表明行波法对于 线路多故障点定位具有很好的适应性与稳定性。关键词：线路；大电流系统；小电流系统；行波法测距；多故障点中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言 中压线路中性点接地参数直接影响线路的绝缘情况及运行安全性，选用恰当的中性点接地方式可在一定程度上提升电
2、网的供电可靠性，可对瞬时性故障以及永久性故障做出选择，以保证 线路的安全运行。现阶段 线路为了提升供电可靠性，一般情况下采用中心点非有效接地方式，即消弧线圈接地或者不接地，当线路发生单相接地时，由于线路不存在接地回路，因此系统可带故障运行，而线路接地相电压逐渐降为零，非故障相电压上升为线电压，此时绝缘薄弱的地方线路会因过电压而发生故障跳闸，线路接地点和故障点所属区间完全不同，需要同时对线路的接地点以及故障点进行处理才能保证系统供电的稳定性。同时，当 线路发生雷击故障跳闸时，由于线路采用中心点非有效接地方式且线路无避雷线，因此线路避雷能力以及泄流能力大大减弱，雷击可能造成绝缘子击穿，导致绝缘子无
3、法恢复绝缘能力的情况，此时也需要对线路雷击点以及绝缘子闪络点进行故障排查才能对线路恢复供电。发生故障时接地与不接地系统区别 中压线路中性点接地与不接地存在较大差异。若线路采用小电流接地系统，则在线路发生单相接地故障时，线路存在零序回路，无论是过流保护还是零序保护都能使断路器动作，切除线路故障。若线路采用大电流接地系统，则在线路发生单相接地故障时，无论线路采用消弧线圈还是不接地系统，均不存在零序回路，同时线路中性点发生偏移，但仍能够保证三相平衡运行，通过过流保护和零序保护都无法切除线路故障。现阶段，我国电网针对以上情况，采用消弧线圈并联大电阻接地系统的方式进行中性点接地保护，不仅可以将中性点电压
4、偏移量抑制在一定范围内，还能选择性切除线路瞬时性故障。消弧线圈采用过补偿方式，当线路发生瞬时性故障时，线路故障电流较小，利用消弧线圈自动调谐即可实现线路电容电流的补偿，线路保护无需动作，只需利用消弧线圈即可；当线路发生永久性接地故障时，消弧线圈不仅自动灭弧，还利用并联电阻实现零序保护，虽然此时零序电流不大，但是零序保护依然可以启动，从而实现线路永久性故障的自动切除。鉴于现阶段这种接地方式的运行线路不多，本文暂不考虑此类接地方式的运行状态情况，仅讨论 线路小电流接地系统和大电流接地系统在不同故障情况下的电压电流量变化情况。小电流接地系统故障等效电路小电流接地系统保护方案相对较为复杂，所有配电网保
5、护方式基本采用小电流接地系统方式，无论采用不接地方式还是消弧线圈接地方式下，其保护动作原理基本一系统解决方案电工技术 致。下面 以 消 弧 线 圈 接 地 方 式 为 例，介 绍 小 电 流 接 地系统。消弧线圈接地方式某相发生单相接地的等效图如图所示。其中，为直接接地时零序电压；、为三相相电压；、为三相对地电容电流；、为三相对地电导；、为三相对地电纳；点为接地故障点；为接地电流。其线路零序电压为：（）图消弧线圈接地系统故障情况式（）中为各相导纳。将各相参数代入式（）得到：（）（）（）（）式中，为相电压，为对地电导，一般情况下，认定，同时为保证线路三相负载平衡，认定；为电网角频率，一般情况下取
6、 。同时，可求得线路零序电流为：（）（）线路故障点电流为：（）大电流接地系统等效电路大电流接地系统保护方式一般情况下相比小电流接地系统简单，大电流接地系统一般采用直接接地方式或者小电阻接地方式运行，下面以直接接地运行方式为例介绍大电流接地系统。直接接地系统某相发生单相接地的等效图如图所示。其中，为直接接地时零序电压；、为三相相电压；、为 三 相 对 地 电 容 电 流；、为三相对地电导；、为三相对地电纳；点为接地故障点；为接地电流。则线路零序电压为：（）（）图直接接地系统故障情况同时，可求得线路零序电流为：（）（）线路故障点电流依然为：（）系统在经过消弧线圈接地后，线路电压电流变化情况如图所示
7、。当相发生单相接地时，系统中性点由原来的点变化为 点，点在以 为直径的圆弧上移动，此时系统中性点会发生偏移，但无论如何，系统的零序电压永远等同于?，不会发生改变。受到接地电阻的影响，以上电阻的电流与 左右电阻的电流比较变化较大，但零序电流同样等同于?。图 采用消弧线圈接地后电压变化情况对比式（）、式（）可明显发现 线路经过消弧线圈接地后，线路中零序电压发生了明显变化：采用消弧线圈后，线路的零序电压明显相比采用直接接地方式的线路零序电压要小很多，中性点电压偏移得到了限制，零序电流基本变化较小。但是，在消弧线圈模式下，系统发生单相接地或者瞬时性故障时不会跳闸，需要对接地点或者瞬时性故障点进行处理，
8、否则线路会引起多接点跳闸。多故障点判定方法及手段现阶段针对 中压线路尚无明确的距离保护方案，一般情况下一条母线可带多条 出线，当单条线路发生单相接地时，站内通常采用倒闸的方式进行故障隔离。倒闸是指将站内同一条母线上带的所有出线进行断电，通过单一线路送电的方式进行故障线路确认。如果通过倒闸方式无法将线路永久接地点切除，那么只能采用全线巡线的方式进行接地点查找，需要消耗大量的人力物力，甚至效果还不理想。部分变电站采用阻抗法进行故障精确定位，极少数采用行波法进行故障精确定位，以下分别介绍阻抗法故障精确定位和行波法故障精确定位原理。阻抗法判定阻抗法判定是指采用站内录波判定线路是否存在接地，利用站内电压
9、和电流进行故障点精确定位。针对直接接地的情况，将图等效成图所示结构。其中，、分别为两端的自阻抗；为两端总长之和，即，、分别为变电站、变电站到故障点的实际距离；、分别为变电站、变电站的电压；、分别为变电站、变电站的电流；为故障点故障电流。电工技术系统解决方案图双端阻抗法等效原理图根据基尔霍夫电压公式可知：（）（）（）采用变电站端进行线路阻抗测量，可知：（）采用变电站端进行线路阻抗测量，可知：（）联立式（）（）可得出一个单位阻抗和故障阻抗的关系，通过故障阻抗与单位阻抗的比值可以进行故障点精确定位。该故障测距方案是依据线路阻抗稳定不变，且不存在接的情况，能够实现线路的故障精确定位，但是对于多点故障，
10、阻抗法故障测距方式无法进行准确的区分。行波法判定行波故障定位法利用故障时刻线路电流、电压突变所产生的高频暂态行波达到两端的时差来确定故障点的位置。行波法故障测距装置原理如图所示。其中，、为行波监测传感器；为行波到达设备的故障时刻；为行波到达设备的故障时刻；为两设备（和）之间的距离；为故障点与设备的距离；为故障点与设备的距离。在两设备（和）之间的距离固定的情况下，利用行波达到两行波监测传感器的时间差即可进行故障精确定位。图行波法故障测距等效模型（）（）（）行波法进行多故障点识别与精确定位采用阻抗法测距时，测距结果可能受到系统运行方式不同的较大影响，采用行波法测距时，测距结果受系统运行方式及故障点
11、过渡阻抗的影响较小，同时当线路发生多点故障时，阻抗法故障定位计算误差相当大，可能直接导致定位失败，而采用行波法故障定位时，只需要对故障时刻进行双端定位即可计算出故障点。总而言之，阻抗法没办法定位出多个故障点，而行波法可以实现多故障点精确定位。下面以接地点和故障跳闸点不同及雷击落雷点采用行波法进行故障精确定位案例分析。线路概况某 经消弧线圈接地线路采用单电源模式，线路全长 ，其中电缆段长 ，共段电缆，条 接支路，采用行波法故障测距。为保证线路故障测距精度，全线共安装套行波法测距监测装置。线路全线安装行波法故障测距监测装置的情况如图所示。图实验线路行波监测装置分布情况 接地点与跳闸点不同某日，监测
12、系统启动，线路过流一段保护跳闸，导致全线停电。由于系统为消弧线圈接地，因此判定此次故障为永久性短路故障。此次故障中，故障监测装置工频、行波采集情况分别如图、图所示。图 故障时工频电流情况图 故障时行波情况监测系统启动后，通过系统判断此次为故障跳闸。根据工频电流可知相工频只有杆塔存在故障电流，而相工频、杆塔都存在短路电流，因此判定 杆塔之间存在接地情况，而导致线路发生故障跳闸的点在 杆塔之间。通过工频配合高频暂态行波情况得出，在 区间内行波时间差为，在 区间内行波时间差为，将上述时间差和行波监测终端之间的距离代入式（）（），最终可以得出 之间系统解决方案电工技术 故障杆塔为 塔，之间故障杆塔为
13、塔。现场运维人员在接收到行波故障监测装置信号后迅速赶往 塔和 塔，发现 塔出现微弱放电现象，塔出现明显放电现象。雷电落雷情况某日，监测系统启动，系统速断保护跳闸，此时全线停电，雷雨天气，判定此次故障为永久性短路故障，线路基本故障情况为雷击故障，且在 内发生多次闪络，如图所示。图故障时行波情况通过高频暂态行波情况得出，在 区间内行波时间差为，在 区间内行波时间差为，将上述时间差和行波监测终端之间的距离代入式（）（），可以得出 之间故障杆塔为 塔，之间故障杆塔为 塔。现场运维人员在接收到行波故障监测装置信号后迅速赶往 区间，发现该区间内沿线线路绝缘子均有不同程度的闪络与损伤。结语 线路中性点采用消
14、弧线圈接地方式，相比中性点直接接地方式，可大大抑制中性点电压偏移。现阶段 大部分线路采用的过流保护和速断保护没法进行故障点精确定位；极少线路采用阻抗法及行波法精确定位故障，其中阻抗法受到线路结构及系统供电方式的影响，而行波法故障测距具有明显优势。行波法故障测距可实现复杂线路的多故障点精确定位，且可实现接地点与故障跳闸点的精确判定，从而提升了线路运维水平。参考文献 朱云华，艾芊，陆锋 电力电缆故障测距综述 继电器，（）：钱伯 章，李敏能 源 市 场 处 于 转 型 期，长 期 转 变 正 在 进 行中 年世界能源统计年鉴解读 中国石油和化工经济分析，（）：许珉，杨艳伟，申克运，等 基于小波变换的
15、电缆短距离开路故障测距 电力系统保护与控制，（）：张闻勤，江千军，李武龙新能源电力系统振荡问题的广域协调控制方法 电气传动，（）：许珉，白春涛，秦毅男，等电力电缆故障低压脉冲自动测距方法电力系统保护与控制，（）：高淑萍，索南加乐，宋国兵，等基于分布参数模型的直流输电线路故障测距方法中国电机工程学报，（）：金增杰，卫永琴，张琦，等电缆故障测距的模型仿真与系统设计 电气传动：束洪春，田鑫萃，杨毅，等利用故障特征频带和 变换的电缆单端行波测距中国电机工程报，（）：王小彪，刘聪柏，庞丹，等基于的电弧反射电缆故障测距脉冲信 号 提 取 方 法 电子技术与软件工程，（）：蒋海峰，张曼，赵斌炎，等基于改进
16、变换的电网故障诊断电工技术学报，（）：曹朔，李恭斌，于海龙，等风电场集电线路行波故障测距及行波衰减研究电工技术，（）：（上接第 页）的极性结果，可为之后的特高压主变主体变及调压补偿变定校、验收提供帮助。参考文献 舒印彪，张文亮 特高压输电若干关键技术研究 中国电机工程学报，（）：刘振亚 特高压交直流电网 北京：中国电力出版社，刘振亚特高压交流输电技术研究成果专辑北京：中国电力出版社，刘宇特高压变压器主保护及工程应用研究北京：华北电力大学，陈继瑞，邓茂军，樊占峰，等 特高压调压补偿变压器保护方案 电力系统自动化，（）：邓茂军，孙振文，马和科，等 特高压变压器保护方案电力系统自动化，（）：孙多 变压器调压方式选择及运行维护 中国电力，（）：郑涛，陆格野，黄婷，等特高压有载调压变压器差动保护自适应算法 电工技术学报，（）：郭慧浩，付锡年 特高压变压器调压方式的探讨 高电压技术，（）：赵宏飞，陈晓贵，张郭晶，等特高压变压器调压补偿方法对比分析中国电力，（）：邵德军，尹项根，张哲，等特高压变压器差动保护动态模拟试验研究 高电压技术，（）：电工技术系统解决方案
