架空輸電線路跳閘故障智能診斷

向 旻饒玉凡

（1.湖南科鑫電力設計有限公司，湖南 長沙 410007；2.長沙電力職業技術學院，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.湖南科鑫電力設計有限公司，湖南 長沙 410007；2.長沙電力職業技術學院，湖南 長沙 410001）

架空輸電線路跳閘故障對電力系統整體運行威脅很大，因此輸電線路故障診斷就成為了系統保證供電的切實關鍵性技術。文章提出了架空輸電線路跳閘故障智能診斷系統，探討了該系統的故障定位原理與系統基本構成，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應用過程。

架空輸電線路；跳閘故障；智能診斷系統；故障定位；雷擊

智能診斷系統一般基于分布式行波監測技術定位方法來實現行波電流傳播在線測量，它能測量波前畸變、等效波速減小弧垂所引發的誤差現象，相比于電網雷電定位系統在診斷功能方面及定位方面技術優越性更強。通過它的實際運行觀察結果也表明，該智能診斷系統對輸電故障的故障區間定位更加精確，能夠在防雷分析與架空輸電線路故障定性方面發揮關鍵作用。

1 架空輸電線路故障基本概述

架空輸電線在外界空中環境暴露，很容易遭受污穢、風雨、覆冰、雷電等各種自然因素的侵襲影響，進而發生跳閘事故。跳閘事故不但會對架空輸電線路系統帶來嚴重沖擊，也會直接破壞輸電線路中的導線和絕緣子等主要附屬設施，為系統運行帶來巨大的安全隱患。

當前在我國，有關架空輸電線路的故障原因辨識監測技術還并不成熟，特別是高精確度的定位技術還有待進一步實用化。雖然目前像國內比較常用的線路參數定位技術與行波定位技術能夠在一定程度上實現較高水平的軟件算法故障定位，但其準確度有限，還不能實現直接故障原因辨識。因此本文就提出基于架空輸電線路的故障智能診斷系統，該系統基于無線通訊技術和分布式監測技術來構建全自動準確監測輸電線路故障分析方法，可以說它進一步提高了當前架空輸電線路的運行維護水平，因為架空輸電線路一旦發生故障，該系統就會準確定位故障點，最大限度縮短故障點查找和故障修復的耗時時間，為及時恢復供電提供了有效保障。另外，它也可以準確辨識架空輸電線路中所存在的具體故障原因，指導技術人員開展相關的輸電線路技術改造行為，對降低線路故障跳閘率也有一定幫助。

2 智能診斷系統的基本運作原理分析

針對架空輸電線路的故障智能診斷系統將遵循故障定位及故障性質識別兩方面科學原理，針對上述原理，下文將做出一一分析：

智能診斷系統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，該技術就是在輸電線路上布置多個故障電流信號監測終端裝置，它們將輸電線路本身劃分為若干區間，且這些監測終端裝置可以記錄工頻故障電流與行波電流運行狀態，主要利用工頻故障電流來確定相應故障區間，基于區間內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。從科學層面來講，它能夠在一定程度上降低輸電線路中所產生的行波波速、波形衰減、弧垂以及其他干擾信號，有效消除上述因素對系統故障定位精確度的不利影響，如此才實現了針對故障的高精度定位功能。

圖1 工頻電流流向示意圖

如圖1，該輸電線路故障發生在監測終端之間，具體說就是監測點1與監測點M＋1之間。此時故障點同側的監測終端記錄工頻故障電流信號方向應該相同，而故障點兩側所記錄的工頻故障電流信號應該方向相反。利用該邏輯判斷原理就能準確確定故障所發生的實際區間，再通過區間來精確定位。這里所采用的定位方法就是智能診斷系統工頻短路電流流向法，它對區間定位的精確性非常之高。

在確定故障區間以后，就要展開系統的行波精確定位程序，由于故障點在兩監測終端之間，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

此時監測終端會記錄電流的波形與GPS時鐘，再利用下列算式來計算故障點的實際位置為：

式中：l代表故障點距中最近的變電站行波傳播距離；Δt代表監測點所監測到的故障點行波到最近的變電站反射故障行波時間差；υ代表故障行波在介質中的實際傳播速度。根據以上的故障點定位，智能診斷系統就能快速發現疑似故障點，并順利進入下一階段的故障性質識別。

2.2 智能診斷系統的故障性質識別基本原理分析

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，怎么能產生作用呢？

一般來說，架空輸電線路的故障性質識別都圍繞雷擊與非雷擊兩種故障辨識展開。以雷擊故障為例，它還包括反擊與繞擊兩種故障辨識。其中反擊故障包括兩個過程，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線中一定會產生與雷電流極性相反的耦合電流，所以此時絕緣子串被擊穿以后其導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線，此時導線對地電勢會快速升高，絕緣子串也會在此時承受超過沖擊閃絡電壓的超負荷電壓，導致架空輸電線路瞬間發生閃絡故障。在繞擊過程中，導線行波電流會流入大量雷電流，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導致絕緣子出現閃絡，瞬間讓導線中電流呈現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、鳥閃、冰閃、大風舞動等問題引起，該閃絡過程實際上與交流電流變化關系密切，所以相比于雷擊故障它的暫態行波電流頻率偏低，危害也不如雷擊故障大。為了盡可能規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是非常有必要的，該系統也是基于智能診斷系統而形成的，它主要記錄行波電流在兩種故障中所呈現的主要特征，進而區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的基本構成及應用

3.1 智能診斷系統的基本構成

智能診斷系統基本構成相對復雜，它按照分層分布式體系結構設計，并由現場監測終端、工作站以及數據中心三大部分共同組成。這里數據中心能夠提供WEB服務查詢功能，滿足現場監測終端中數據傳輸與工作站之間的有效廣域網銜接。本文以系統中的現場監測終端為例展開探討?，F場監測終端能夠在每一次故障發生后都完整記錄它的瞬態行波電流，并通過分析故障瞬態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行進一步的故障類型確定，看其是繞擊故障還是反擊故障?，F場監測終端為了監測行波數據還特別設置了GPS時鐘數據計算模塊，它能夠對已存在故障點進行計算并精確確定故障點的位置，所以總體來看該智能診斷系統屬于開放型、學習型系統，能夠在長期的故障判斷實踐行為中積累經驗，最終形成針對各類故障的識別能力體系。

現場監測終端作為智能診斷系統的核心部分，它就包括了負責監測工頻負荷電流、工頻故障電流以及實現行波電流信號檢測的傳感器線圈檢測單元；能夠對傳感器所檢測信號進行采集、分析與診斷的數據采集分析單元；能夠上傳采集信號處理結果的通信單元。上述分支部分幫助現場監測終端第一時間發現線路故障電流與雷擊電流，并將這些威脅因素快速遠程通知給智能診斷監控系統。同時現場監測終端也接受來自于監控系統所下傳的各種參數設置與命令，確?，F場監測終端與遠方監測系統能夠實現基于軟件功能的雙向數據通信行為，以完成對故障的定位及識別。

3.2 智能診斷系統的實際應用

智能診斷系統能夠指導架空輸電線路開展相應防雷措施，保證輸電線路安全，避免出現跳閘故障。

智能診斷系統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行可行性。在系統中，就存在雷電定位子系統，它能夠有效評估輸電線路的走廊落雷密度，預判線路跳閘故障發生的可能性。但考慮到架空輸電線路走廊相對復雜且綿長，所經歷的地形及氣候類型也相對復雜多變，所以智能診斷系統就會啟用現場監測終端來實時監測雷擊避雷線耦合電流與繞擊導線未跳閘電流，基于上文所述的故障定位原理來進行針對雷擊故障的雷擊點定位，精確判斷可能出現的雷擊角度，與雷擊定位判斷結果形成技術互補，提高整體判斷結果精確度。在雷電定位系統輔助下，智能診斷系統對架空輸電線路的故障定位、識別與排查等環節相對緊湊，其中主要針對架空輸電線路的防雷薄弱環節進行技術加強，將其作為重點防護區域來進行監測調整。另外，架空輸電線路的跳閘故障原因識別主要根據輸電線路暫態行波監測技術展開，系統能通過故障提取來確定閃絡通道行波電流特征，基于此來實現對閃絡通道中不同故障類型及故障原因的有效識別，這也證明了智能診斷系統在故障定位及識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，某省內大型架空輸電線路出現跳閘故障，其中A相掉閘，重合成功，縱聯差動測距10.11km，故障錄波器測距19km。故障前設備運行正常，其供電負荷為5000MW，線路在2016年未進行過任何檢修作業，只在春季對線路耐張絕緣子進行了憎水性測試并噴涂RTV防污閃涂料。該故障出現于大雨雷電天氣，其架空線路的線路絕緣子處有異物懸掛，同時在左邊緣絕緣子A相部位出現異?，F象。技術檢修人員申請登塔排查故障，主要對導線進行了詳細檢查，根據故障時刻配合智能故障點位檢測系統進行了高頻行波分量與工頻分量測試，發現A相監測終端與多處桿塔監測終端記錄都存在故障電流，可判定故障點位就在A相與桿塔之間。

4.2 故障原因分析

設置雷電流幅值超過I1與I2的概率分別為P1和P2，并展開計算得出雷擊架空輸電線路繞機率Pa為：

式中：h表示架空輸電線路桿塔實際高度。繼續計算雷擊的跳閘率n應該為：

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。

根據上述計算分析得知，雷擊桿塔頂部的耐雷水平相對較高，最高可以達到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之高（72.82%）。由于反擊耐雷水平高于故障時最大雷電流值，因此排除雷擊塔頂的可能性。所以可能是由于電流通過架空輸電線路鐵塔橫擔位置，擊穿空氣，造成下均壓環，形成短路電流，最后造成跳閘，是典型的直擊雷繞閃絡故障。

4.3 跳閘故障智能診斷對策

考慮到直擊雷繞閃絡故障的危害影響性，可以考慮在雷擊塔頂絕緣子串閃絡前判別行波電流在起始區間是否出現了反極性電流，以此來獲取仿真計算及現場數據驗證結果。同時還可以考慮架設耦合地線，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，同時降低繞擊跳閘率。

5 結語

本文簡要探討了當前架空輸電線路的跳閘故障診斷對策，主要是基于智能診斷系統來實現對線路故障的精確定位與內因識別，評價其是否是雷擊故障?？傮w來看，該系統在智能化與技術化表現方面都做到了精確到位，具有較高的智能化水平，基本能夠滿足當前架空輸電線路的運行維護與防雷技術需求。

[1]張璐，楊勇．架空輸電線路跳閘故障智能診斷系統與實踐應用[J]．中國電業（技術版），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]．科技創新與應用，2014，（29）.

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

（責任編輯：秦遜玉）

TM755

1009-2374（2017）12-0239-02

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

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

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