【摘要】架空输配电线路中安装故障标定系统能够快速确定故障位置，为排除线路故障具有非常重大的意义。但目前故障定位系统是利用原有变电站内录波系统信号，对安装位置具有一定要求和使用局限。非接触式传感器具有信号失真度低，安装灵活，安全系数高，在实际输配电线路中完成故障精确定位具有很高的使用价值，本文对于采用非接触传感器的故障标定系统进行研究，基于此研究结果并在220kV系统中试验挂网运行取得了成功。

【关键词】故障点标定;非接触式传感器;GPS时间同步

1.前言

架空输配电线路是我国电网的主要组成部分，承担着各地区电能输送和供电的重要任务，直接影响到整个电网供电的稳定性和安全性。随着各地区经济的高速发展和电网的强化，许多电网安置在地形复杂区域，而且电网结构愈发变得复杂，一旦线路发生短路故障，故障查找将是一个工难度很大的现场作业，如果采用人工沿线寻查，将会花费较长的抢修时间，工作效率比较低[1-3]。因此有必要采用一種先进的技术手段，故障发生后能够在远程快速地对故障位置进行早期标定，为第一线维护人员提供准确的故障位置信息，及时排除故障尽早恢复供电。传统故障标定是借助安装在变电所内的故障录波器来完成，由于录波设备采用变电所室内的电压电流传感器采集故障信号，信号受制于既有传感器的性能特点，同时对于安装位置有一定要求，对于复杂线路或无变电站的地区就无法进行双端GPS同步标定方式[4-6]。

本次在220kV输电线路中采用的故障标定系统采用最先进的信号采集单元—非接触型电压电流传感器，同时采用先进的信号过滤及补偿方式，具有还原信号好，抗信号干扰，标定精度高的特点，可以满足国内各类电网结构的安装使用，而且故障点标定精度高。

2.背景

目前国内电力系统变电站都装有微机保护或微机故障记录装置，常规定位算法所需要的分析数据可通过系统现有的设备得到，费用低，易于实现。但这些常规定位算法都是建立在一种或几种假设的基础上，这些假设都会与系统的实际情况有所差别，自然会带来一些误差;通过误差补偿或者采用多端线路数据，可以在一定程度上提高算法的精度，但对高阻接地、多电源线路、断线故障、分支线路等许多情况定位效果较差，即使在常规定位算法可以使用的场合，它的实际测量精度也往往超出1km以上[2，4-5]。

近年来，故障行波定位技术得到了较快的发展，涌现了许多双端、单端行波故障定位算法和原理，目前，实用化的行波定位装置主要是利用变电站内故障录波器装置，对电流行波信号进行故障定位计算采用电流行波信号进行故障点标定时，电流行波的采集信号受电晕干扰较大，尤其对小波数据分析时，有时会出现波头定位不准，直接影响标定稳定性、可靠性和准确性。而在非雷击绝缘自然破坏尤其是在非接地系统时，电流行波比较小，对于系统的检测灵敏度要求比较高，造成误差也比较大。而且，现有行波测距装置由于采样率较低，大多不超过1MHz，因此标定精度也较低[1-2，7-8]。

此外，这些设备都必须安装在变电站内，对于安装空间有一定要求，尤其对于精度较高的GPS时间同步的双端标定系统要求，必须要有两个以上的变电站才能构成一个完整的故障标定系统。对于一些复杂的线路，如分支线路多，对方侧没有同一管辖的变电站或变电站内无法安置系统设备，就无法实现GPS时间同步标定，受实际线路限制较多[2，4-8]。

由于采用变电站内的电压传感器和电流传感器，通常这类传感器是用于计量用途，有效值测量精度较高，但高频响应较差，造成波形失真较大，其标定精度也因此受到一定的限制。

本文基于非接触传感技术的输电线路高精度故障定位技术进行研究，采用安装在铁塔上非接触传感器采集行波信号，改变目前仅限于使用变电站内电压电流传感器（PT和CT）采集方式进行故障标定。而且非接触传感器是专为故障定位设计的电压电流型传感器，其具有独特的平板结构通过电磁感应检出线路的电压及电流信号，具有100KHz以上的频率响应能力，对于暂态信号及对干扰信号具有较高处理能力，由于非接触大大提高了线路安全性。而且非接触传感器不依赖变电站，能安装在线路的任何位置，很好解决了复杂线路及变电站内安装困难的问题，具有适应性强易于工程应用的优点[9-10]。

其次，采用国际上最高水准的GPS同步芯片，可将各采集点之间的时间误差控制在10-7之内，大大减少了硬件对计算结果产生的误差;系统采样频率采用5MHz以上高速采样技术，能完好真实地记录故障波形，对于故障点位置标定和今后的故障产生原因分析都将提供准确可靠的依据。采集后的电压电流行波信号，通过无线网络传输至中调计算机内，采用故障波与干扰波分离处理技术，减少电晕等各类外界干扰信号对解析标定故障点的影响，全面实现高精度故障测距，根据各地使用的业绩实际误差基本控制在400M以内，对于电力运行和检修单位降低成本，提高效率，具有重大意义。

本项目适用于35kV～500kV以上输电线路故障标定，不仅消除了传统测距固有的缺陷，而且拥有多个先进的行波测距处理技术，代表着行波测距未来技术的发展方向。因此，本项目不仅具有现实的工程价值，也具有重要的应用前景，对整个电网的安全经济运行具有特殊的工程意义。

图1 故障位置的标定

3.产品原理及研究

3.1 双端行波标定原理

利用故障行波到达故障线路两端的时间差计算出故障距离，关键是准确记录下行波到达线路两端的相对时间，利用接收GPS的卫星信号并配合高精度恒温晶振的使用，可以获取精度在0.1us以内的时间脉冲，因此GPS可作为同步时间单元。由于母线两端都只检测第一个到达的行波，线路过渡电阻的电弧特性、系统运行方式的变化、线路的分布电容以及负荷电流等因素对测距复杂性不会造成大的影响，因此双端行波法比单端行波法测距结果更准确和可靠[7-8]。当两台采集装置之间内发生故障时，通过正确地同步检出故障产生的行波，来标定故障位置，如图1所示。

标定距离可以表示为[6-8]：

（1）

式中：L，线路AB之间的长度，m;V，浪涌信号的传播速度，m/s;Ta，标定装置A浪涌检出时刻;Tb，标定装置B浪涌检出时刻。

3.2 本系统构成

本系统属于双端行波标定系统，如图2所示 。

图2 双端行波标定系统

本故障标定系统根据需要可以同时采用铁塔采集装置方式和变电站采集装置方式作为信号采集方式。

铁塔采集装置采集信号是以非接触传感器为主，变电站装置也可以采用站内的PT和CT器件采集信号。各采集点的信号通过无线或有线方式传输到监测中心的电脑上，通过系统专用解析软件来标定故障发生地点和显示故障波形等信息。

任何在安装采集点之间内的故障位置均能被标定。铁塔采集装置由非接触传感器，带有GPS同步的检出装置，通信装置及太阳能蓄电池电源装置构成（如图3所示）。

图3 铁塔采集装置

3.3 技术要点

（1）以往的电流传感器都采用中心穿过导线，也就是传感器必须围绕在导线外侧，一旦传感器发生故障还会影响到高压导线绝缘，易造成线路故障。非接触传感器也是以电磁场感原理，只是采用特殊结构采集电压电流信号。由于故障定位精度主要取决于故障电流信号的波形采集，而对于信号的数值精度并没有很高要求。所以非接触式传感器能充分发挥其安全的优势，还能如实感应记录故障波形，对于相间短路，单相接地短路，雷击等各类事故均有效。

（2）先进计算方法，可以使得故障波形准确还原，并且能够通过推算，在大量干扰信号中出找出波头（故障波起始点），准确找到波头才能准确计算出故障位置。定位误差大小主要与采样速度，找出波头和还原波形的计算方法，GPS精度等因素有关。

（3）主站软件主要是实现上述的波头寻找，完成故障点定位计算，直观地显示故障具体位置。根据线路系统结构（潮流，变电所特点等）进行设置和更改，还可以对杆上装置测试状态进行调节（感应度，增益等），以及对装置工作状态进行自我检测，发现系统故障即使报警。

3.4 技术方案

3.4.1 高频干扰波的分离处理技术

为了正确地测出行波到达时刻，不能简单地采用检出电平的时间tA（tB）位置作为波头时间，还需要对波形起始位置进行推算。由于故障行波含有大量的固有的高频干扰波，在通过不同时间传输和传感器后，会使得波形发生畸变，如波形B上升速度变慢造成计算误差扩大。采用分散演算方式对干扰杂波和行波分别进行计算，去处干扰波的影响，推算出准确的波头到达时间，才能保障故障定位准确无误。此方法与传统的单纯的微分演算相比，能大大降低固有干扰杂波对演算结果的影响，如图4所示。

图4 高频干扰波的分离处理

3.4.2 高精度时间同步

为了准确地计算出波头到达各检测地点的时间差异，需要高精度的时间同步。为此，采用目前国际上最先进的高性能的GPS芯片，可以实现同步精度约10-7秒。

3.4.3 误动作对策

由于雷电等外部干扰会影响故障判断，如附近地区遭受雷击时，也会在线路上发生类似行波。为了排除干扰防止误判，需要将外部干扰波的高频部分过滤，采用工频频率带域的电压波形判据，可以准确捕捉到线路受损的故障行波。同样对于采用中心点不接地或高阻的线路。

此技术手段还能够检出一些没有达到跳闸的单相接地故障现象，并进行定位，图5所示。

图5 误动作对策

3.4.4 高效率的数据通信

高速采样所得到的波形数据，数据量巨大。故障标定的主要判定依据在于波头前后区间的数据，因此必须对此重要区间数据有选择地进行传送，如图6所示。

4.具体实施

4.1 项目构成

本项目选择220kV输电线路为东村Ⅰ线：线路长度34.7公里。

线路特点：直接接地系统，负荷电流约120A;保护设定：接地故障动作电流为288A，0秒;短路故障动作电流：368A，0秒;

故障标定系统的组成：2个铁塔装置采集点（001杆和109号杆）和一套后台电脑解析软件系统;

每个铁塔装置包括：3个非接触式电压电流传感器（配套电缆）;1台检出装置（内有GPS时间同步单元）;1台通信装置（采用中国移动GPRS方式）;1套太阳能电池板和蓄电池电源系统;配套安装金具。

图6 高效率的数据通信

图7 故障位置（总图）

图8 故障详细位置图

图9 各相电压电流零序电流

图10 故障行波

4.2 故障解析

线路故障发生后，故障行波将沿着输电线路向两方向进行传递。安装在线路两侧（001号杆塔和109号杆塔）的采集装置检测出故障行波信号，同时按照GPS高精度时间记录行波的电压电流信号，并通过GPRS方式向监测中心发出故障发生信息。监测中心根据需要上传故障波型信号并进行解析，最终标定出故障发生的具体位置，如距某杆塔xxx米有接地或短路故障，直观显示故障的位置，以及显示故障波各相关信息（图7～图10），对于今后分析线路运行情况提供第一手材料。

5.结论

目前国内使用的故障定位装置由于在安装设置受到许多地理和场合限制，安全性和准确性都存在不少问题。采用非接触式传感器作为采集信号的手段，大大扩大了故障位置标定系统的使用范围，对于不同的线路能够灵活地应用，而且标定精度也有所提高，具有很高的实际应用意义，对于提高供电可靠性，减少故障寻查时间和作业强度，经济效益是巨大的。

经过一年多对产品的研究改进工作，使得本产品已经基本上满足了国内220kV输变电线路的技术规范和操作上可行性，为今后提高我国输变电线路安全运行提供了一个崭新的解决方案。

参考文献

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致谢：感谢国网山东电力公司专项科技项目对本工作的支持。

作者简介：张宗峰（1979—），男，运维检修部线路专工，现供职于国网山东省电力公司日照供电公司。