向 旻饒玉凡

（1.湖南科鑫電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410007；2.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410001）

架空輸電線路跳閘故障智能診斷

向 旻1饒玉凡2

（1.湖南科鑫電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410007；2.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410001）

架空輸電線路跳閘故障對(duì)電力系統(tǒng)整體運(yùn)行威脅很大，因此輸電線路故障診斷就成為了系統(tǒng)保證供電的切實(shí)關(guān)鍵性技術(shù)。文章提出了架空輸電線路跳閘故障智能診斷系統(tǒng)，探討了該系統(tǒng)的故障定位原理與系統(tǒng)基本構(gòu)成，最后闡述了它在架空輸電線路跳閘故障方面的智能診斷技術(shù)應(yīng)用過程。

架空輸電線路；跳閘故障；智能診斷系統(tǒng)；故障定位；雷擊

智能診斷系統(tǒng)一般基于分布式行波監(jiān)測(cè)技術(shù)定位方法來實(shí)現(xiàn)行波電流傳播在線測(cè)量，它能測(cè)量波前畸變、等效波速減小弧垂所引發(fā)的誤差現(xiàn)象，相比于電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)在診斷功能方面及定位方面技術(shù)優(yōu)越性更強(qiáng)。通過它的實(shí)際運(yùn)行觀察結(jié)果也表明，該智能診斷系統(tǒng)對(duì)輸電故障的故障區(qū)間定位更加精確，能夠在防雷分析與架空輸電線路故障定性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 架空輸電線路故障基本概述

架空輸電線在外界空中環(huán)境暴露，很容易遭受污穢、風(fēng)雨、覆冰、雷電等各種自然因素的侵襲影響，進(jìn)而發(fā)生跳閘事故。跳閘事故不但會(huì)對(duì)架空輸電線路系統(tǒng)帶來嚴(yán)重沖擊，也會(huì)直接破壞輸電線路中的導(dǎo)線和絕緣子等主要附屬設(shè)施，為系統(tǒng)運(yùn)行帶來巨大的安全隱患。

當(dāng)前在我國，有關(guān)架空輸電線路的故障原因辨識(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)還并不成熟，特別是高精確度的定位技術(shù)還有待進(jìn)一步實(shí)用化。雖然目前像國內(nèi)比較常用的線路參數(shù)定位技術(shù)與行波定位技術(shù)能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)較高水平的軟件算法故障定位，但其準(zhǔn)確度有限，還不能實(shí)現(xiàn)直接故障原因辨識(shí)。因此本文就提出基于架空輸電線路的故障智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于無線通訊技術(shù)和分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)來構(gòu)建全自動(dòng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)輸電線路故障分析方法，可以說它進(jìn)一步提高了當(dāng)前架空輸電線路的運(yùn)行維護(hù)水平，因?yàn)榧芸蛰旊娋€路一旦發(fā)生故障，該系統(tǒng)就會(huì)準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，最大限度縮短故障點(diǎn)查找和故障修復(fù)的耗時(shí)時(shí)間，為及時(shí)恢復(fù)供電提供了有效保障。另外，它也可以準(zhǔn)確辨識(shí)架空輸電線路中所存在的具體故障原因，指導(dǎo)技術(shù)人員開展相關(guān)的輸電線路技術(shù)改造行為，對(duì)降低線路故障跳閘率也有一定幫助。

2 智能診斷系統(tǒng)的基本運(yùn)作原理分析

針對(duì)架空輸電線路的故障智能診斷系統(tǒng)將遵循故障定位及故障性質(zhì)識(shí)別兩方面科學(xué)原理，針對(duì)上述原理，下文將做出一一分析：

智能診斷系統(tǒng)在架空輸電線路故障精確定位方面所采用的是分布式故障定位技術(shù)，該技術(shù)就是在輸電線路上布置多個(gè)故障電流信號(hào)監(jiān)測(cè)終端裝置，它們將輸電線路本身劃分為若干區(qū)間，且這些監(jiān)測(cè)終端裝置可以記錄工頻故障電流與行波電流運(yùn)行狀態(tài)，主要利用工頻故障電流來確定相應(yīng)故障區(qū)間，基于區(qū)間內(nèi)行波定位來有效提升局部故障定位能力，包括故障定位精確性。從科學(xué)層面來講，它能夠在一定程度上降低輸電線路中所產(chǎn)生的行波波速、波形衰減、弧垂以及其他干擾信號(hào)，有效消除上述因素對(duì)系統(tǒng)故障定位精確度的不利影響，如此才實(shí)現(xiàn)了針對(duì)故障的高精度定位功能。

圖1 工頻電流流向示意圖

如圖1，該輸電線路故障發(fā)生在監(jiān)測(cè)終端之間，具體說就是監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)M＋1之間。此時(shí)故障點(diǎn)同側(cè)的監(jiān)測(cè)終端記錄工頻故障電流信號(hào)方向應(yīng)該相同，而故障點(diǎn)兩側(cè)所記錄的工頻故障電流信號(hào)應(yīng)該方向相反。利用該邏輯判斷原理就能準(zhǔn)確確定故障所發(fā)生的實(shí)際區(qū)間，再通過區(qū)間來精確定位。這里所采用的定位方法就是智能診斷系統(tǒng)工頻短路電流流向法，它對(duì)區(qū)間定位的精確性非常之高。

在確定故障區(qū)間以后，就要展開系統(tǒng)的行波精確定位程序，由于故障點(diǎn)在兩監(jiān)測(cè)終端之間，所以它們的行波電流傳播方向一定是朝相反方向，如圖2所示：

圖2 行波電流流向方向示意圖

此時(shí)監(jiān)測(cè)終端會(huì)記錄電流的波形與GPS時(shí)鐘，再利用下列算式來計(jì)算故障點(diǎn)的實(shí)際位置為：

式中：l代表故障點(diǎn)距中最近的變電站行波傳播距離；Δt代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的故障點(diǎn)行波到最近的變電站反射故障行波時(shí)間差；υ代表故障行波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播速度。根據(jù)以上的故障點(diǎn)定位，智能診斷系統(tǒng)就能快速發(fā)現(xiàn)疑似故障點(diǎn)，并順利進(jìn)入下一階段的故障性質(zhì)識(shí)別。

2.2 智能診斷系統(tǒng)的故障性質(zhì)識(shí)別基本原理分析

采苦菜，采苦菜，在首陽山之下。 人們所傳的話，暫且不要參合。 拋開吧，拋開吧，暫且不要附和它。 那么人們傳的話，怎么能產(chǎn)生作用呢？

一般來說，架空輸電線路的故障性質(zhì)識(shí)別都圍繞雷擊與非雷擊兩種故障辨識(shí)展開。以雷擊故障為例，它還包括反擊與繞擊兩種故障辨識(shí)。其中反擊故障包括兩個(gè)過程，它們分別為雷擊桿塔分流與絕緣子串擊穿，考慮到絕緣子擊穿過程前導(dǎo)線中一定會(huì)產(chǎn)生與雷電流極性相反的耦合電流，所以此時(shí)絕緣子串被擊穿以后其導(dǎo)線電流一定與雷電電流的極性相同。再看繞擊，繞擊的幅值一般都偏大，代表了雷電流直接接入導(dǎo)線，此時(shí)導(dǎo)線對(duì)地電勢(shì)會(huì)快速升高，絕緣子串也會(huì)在此時(shí)承受超過沖擊閃絡(luò)電壓的超負(fù)荷電壓，導(dǎo)致架空輸電線路瞬間發(fā)生閃絡(luò)故障。在繞擊過程中，導(dǎo)線行波電流會(huì)流入大量雷電流，但卻沒有反向電磁耦合電流流入。

總體來說，繞擊與反擊故障都會(huì)導(dǎo)致絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)，瞬間讓導(dǎo)線中電流呈現(xiàn)波前波尾部分的陡度增大。相比而言，非雷擊故障則多由污穢閃絡(luò)、鳥閃、冰閃、大風(fēng)舞動(dòng)等問題引起，該閃絡(luò)過程實(shí)際上與交流電流變化關(guān)系密切，所以相比于雷擊故障它的暫態(tài)行波電流頻率偏低，危害也不如雷擊故障大。為了盡可能規(guī)避這兩種架空輸電線路故障，為其建立輸電線路故障人工專家診斷系統(tǒng)是非常有必要的，該系統(tǒng)也是基于智能診斷系統(tǒng)而形成的，它主要記錄行波電流在兩種故障中所呈現(xiàn)的主要特征，進(jìn)而區(qū)分雷擊與非雷擊故障，特別是繞擊與反擊故障。

3 架空輸電線路故障智能診斷系統(tǒng)的基本構(gòu)成及應(yīng)用

3.1 智能診斷系統(tǒng)的基本構(gòu)成

智能診斷系統(tǒng)基本構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，它按照分層分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、工作站以及數(shù)據(jù)中心三大部分共同組成。這里數(shù)據(jù)中心能夠提供WEB服務(wù)查詢功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端中數(shù)據(jù)傳輸與工作站之間的有效廣域網(wǎng)銜接。本文以系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端為例展開探討?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端能夠在每一次故障發(fā)生后都完整記錄它的瞬態(tài)行波電流，并通過分析故障瞬態(tài)行波差異來確定故障類型，看其是否是雷擊故障還是非雷擊故障。如果是雷擊故障還要進(jìn)行進(jìn)一步的故障類型確定，看其是繞擊故障還是反擊故障?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端為了監(jiān)測(cè)行波數(shù)據(jù)還特別設(shè)置了GPS時(shí)鐘數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，它能夠?qū)σ汛嬖诠收宵c(diǎn)進(jìn)行計(jì)算并精確確定故障點(diǎn)的位置，所以總體來看該智能診斷系統(tǒng)屬于開放型、學(xué)習(xí)型系統(tǒng)，能夠在長期的故障判斷實(shí)踐行為中積累經(jīng)驗(yàn)，最終形成針對(duì)各類故障的識(shí)別能力體系。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端作為智能診斷系統(tǒng)的核心部分，它就包括了負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)工頻負(fù)荷電流、工頻故障電流以及實(shí)現(xiàn)行波電流信號(hào)檢測(cè)的傳感器線圈檢測(cè)單元；能夠?qū)鞲衅魉鶛z測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集、分析與診斷的數(shù)據(jù)采集分析單元；能夠上傳采集信號(hào)處理結(jié)果的通信單元。上述分支部分幫助現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)線路故障電流與雷擊電流，并將這些威脅因素快速遠(yuǎn)程通知給智能診斷監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端也接受來自于監(jiān)控系統(tǒng)所下傳的各種參數(shù)設(shè)置與命令，確?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端與遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于軟件功能的雙向數(shù)據(jù)通信行為，以完成對(duì)故障的定位及識(shí)別。

3.2 智能診斷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

智能診斷系統(tǒng)能夠指導(dǎo)架空輸電線路開展相應(yīng)防雷措施，保證輸電線路安全，避免出現(xiàn)跳閘故障。

智能診斷系統(tǒng)所開展的架空輸電線路防雷措施主要以差異化防雷為主，這種防雷措施消耗成本較低，卻能顯著提升輸電線路本身的運(yùn)行可行性。在系統(tǒng)中，就存在雷電定位子系統(tǒng)，它能夠有效評(píng)估輸電線路的走廊落雷密度，預(yù)判線路跳閘故障發(fā)生的可能性。但考慮到架空輸電線路走廊相對(duì)復(fù)雜且綿長，所經(jīng)歷的地形及氣候類型也相對(duì)復(fù)雜多變，所以智能診斷系統(tǒng)就會(huì)啟用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷擊避雷線耦合電流與繞擊導(dǎo)線未跳閘電流，基于上文所述的故障定位原理來進(jìn)行針對(duì)雷擊故障的雷擊點(diǎn)定位，精確判斷可能出現(xiàn)的雷擊角度，與雷擊定位判斷結(jié)果形成技術(shù)互補(bǔ)，提高整體判斷結(jié)果精確度。在雷電定位系統(tǒng)輔助下，智能診斷系統(tǒng)對(duì)架空輸電線路的故障定位、識(shí)別與排查等環(huán)節(jié)相對(duì)緊湊，其中主要針對(duì)架空輸電線路的防雷薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)加強(qiáng)，將其作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域來進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)整。另外，架空輸電線路的跳閘故障原因識(shí)別主要根據(jù)輸電線路暫態(tài)行波監(jiān)測(cè)技術(shù)展開，系統(tǒng)能通過故障提取來確定閃絡(luò)通道行波電流特征，基于此來實(shí)現(xiàn)對(duì)閃絡(luò)通道中不同故障類型及故障原因的有效識(shí)別，這也證明了智能診斷系統(tǒng)在故障定位及識(shí)別過程中的高效率性與智能化。

4 案例分析

4.1 架空輸電線路跳閘故障案例概述

2016年，某省內(nèi)大型架空輸電線路出現(xiàn)跳閘故障，其中A相掉閘，重合成功，縱聯(lián)差動(dòng)測(cè)距10.11km，故障錄波器測(cè)距19km。故障前設(shè)備運(yùn)行正常，其供電負(fù)荷為5000MW，線路在2016年未進(jìn)行過任何檢修作業(yè)，只在春季對(duì)線路耐張絕緣子進(jìn)行了憎水性測(cè)試并噴涂RTV防污閃涂料。該故障出現(xiàn)于大雨雷電天氣，其架空線路的線路絕緣子處有異物懸掛，同時(shí)在左邊緣絕緣子A相部位出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。技術(shù)檢修人員申請(qǐng)登塔排查故障，主要對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行了詳細(xì)檢查，根據(jù)故障時(shí)刻配合智能故障點(diǎn)位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了高頻行波分量與工頻分量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)A相監(jiān)測(cè)終端與多處桿塔監(jiān)測(cè)終端記錄都存在故障電流，可判定故障點(diǎn)位就在A相與桿塔之間。

4.2 故障原因分析

設(shè)置雷電流幅值超過I1與I2的概率分別為P1和P2，并展開計(jì)算得出雷擊架空輸電線路繞機(jī)率Pa為：

式中：h表示架空輸電線路桿塔實(shí)際高度。繼續(xù)計(jì)算雷擊的跳閘率n應(yīng)該為：

式中：hb表示架空輸電線路避雷線的平均高度；η表示建弧率；g表示擊桿率。

根據(jù)上述計(jì)算分析得知，雷擊桿塔頂部的耐雷水平相對(duì)較高，最高可以達(dá)到160kA，但它的繞擊耐雷水平偏低，只有13kA，繞擊耐雷水平概率相當(dāng)之高（72.82%）。由于反擊耐雷水平高于故障時(shí)最大雷電流值，因此排除雷擊塔頂?shù)目赡苄?。所以可能是由于電流通過架空輸電線路鐵塔橫擔(dān)位置，擊穿空氣，造成下均壓環(huán)，形成短路電流，最后造成跳閘，是典型的直擊雷繞閃絡(luò)故障。

4.3 跳閘故障智能診斷對(duì)策

考慮到直擊雷繞閃絡(luò)故障的危害影響性，可以考慮在雷擊塔頂絕緣子串閃絡(luò)前判別行波電流在起始區(qū)間是否出現(xiàn)了反極性電流，以此來獲取仿真計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。同時(shí)還可以考慮架設(shè)耦合地線，配合分流耦合雷擊電流分析，最大限度降低絕緣子串上承受電壓，提高線路整體耐雷水平，同時(shí)降低繞擊跳閘率。

5 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要探討了當(dāng)前架空輸電線路的跳閘故障診斷對(duì)策，主要是基于智能診斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障的精確定位與內(nèi)因識(shí)別，評(píng)價(jià)其是否是雷擊故障?？傮w來看，該系統(tǒng)在智能化與技術(shù)化表現(xiàn)方面都做到了精確到位，具有較高的智能化水平，基本能夠滿足當(dāng)前架空輸電線路的運(yùn)行維護(hù)與防雷技術(shù)需求。

[1]張璐，楊勇．架空輸電線路跳閘故障智能診斷系統(tǒng)與實(shí)踐應(yīng)用[J]．中國電業(yè)（技術(shù)版），2015，（2）.

[2]孫鑫，楊超．架空輸電線路跳閘故障智能診斷的研究[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（29）.

[3]李俠．對(duì)架空輸電線路跳閘故障實(shí)施的智能診斷分析[J]．大科技，2017，（3）.

（責(zé)任編輯：秦遜玉）

TM755

1009-2374（2017）12-0239-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.122

向旻（1985-），男，湖南科鑫電力設(shè)計(jì)有限公司工程師，研究方向：架空輸電線路故障智能診斷技術(shù)的理論和應(yīng)用等。

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