贾亦敏

（国网江苏省电力有限公司 仪征市供电分公司，江苏 仪征 211400）

0 引 言

架空线路是当前供电的重要手段，但随着架空线路的不断增加，输电线路的失效问题也越来越多，对电网的正常运行产生了一定的影响。输电线路分布广泛，穿越地形复杂，易发生故障。在架空线路发生故障时，如果逐一进行检查，则不仅效率低下，而且无法及时解决，很可能会引起一系列的连锁效应。采取有效的故障快速诊断方法能促进故障的排除，对保证电网的正常运转起到关键的作用。采用高压架空输电线路的故障定位技术可以迅速地发现故障，便于故障的排除。

1 架空输电线路故障概况及分析

高压架空线路有单相、双相等故障，从发生的次数来看，全部故障中的单相短路占65%，三相概率最低，约为5%[1]。在电力系统中，线路故障是由绝缘子受力及其他原因引起的。此外，由于天气、地理等因素，如雷电、大风等造成线路及电气元件损伤，设备发生故障，同时腐蚀也是造成线路故障的主要原因，实际的线路保护中应注意以下几个问题。

2 高压架空输电线路对故障测距的要求

2.1 故障测距必须能够适应各种结构和配置的电力系统

在高压架空输电线路的故障定位中，通常有单端法和双端法两种方式。其中，单端法主要是用来测量导线一端的电压和电流，不过这种方法会受到很大的阻力，所以在进行测距时必须要有一个假设，才能得出准确的结果。此外，当对端系统的阻力发生改变时，单端方法的计算结果可能会有很大的误差，从而影响精度。然而在实际应用中，单端法也有其优越性，它对下路两端的系统要求不高，能够在系统的弱点处进行有效的定位。而在实际使用中，双端法的电阻、性质以及双端系统均不会对双端方法的测量结果造成任何影响，从而保证了测距精度。随着技术的发展，两个终端的数据也在不断优化，即使是在数据不同步的情况下，也不会因为伪根的存在而产生误差，从而保证了系统的精度。

2.2 故障测距必须考虑采用合适的线路模型

在电力系统的稳态分析中，必须在参数集上合理地运用线路模型。根据这一模型可以发现，当输电线路很短时，采用参数集中的线路模式，测量结果的偏差不会太大，但随着输电距离的增大，测量误差也会随之增大，这就导致了某些远距离传输线的测量精度难以保证。在进行故障定位时，必须充分考虑不同线路模式的线路长度[2]。

2.3 故障测距必须能够适应多种类型的故障

由于各种原因，高压架空输电线路容易产生不同的故障，其中包含了多种类型的故障，如短路故障，其故障类型有单相接地和两相短路等。如果双回线发生了故障，则也会引起一系列复杂的故障，如耦合的双回线跨越。在此基础上，提出了一种基于故障定位的新方法，以保证检测结果的准确性。

3 基于工频量的故障测距方法

基于工作频率的测距技术是一种通过测量到的工频故障电压、电流流量以及线路故障距离与电压、电流变化之间的数学关系来确定其故障位置的一种新测距方法[3]。根据工作频率的不同，采用单端和多端两种方式进行故障定位。

3.1 单端法故障测距

单端检测是指当设备出现故障时，根据电压、电流等参数的变化，判断出线路的阻抗，以实现对故障点进行检测和识别。基于单端故障定位原理，本文介绍了实时对称分量法、傅里叶变换法、零序电流相位修正法、零序电流修正法以及解二次方程法等多种测距技术。

单端故障定位技术由于不受通信技术限制，具有较好的理论分析和较好的物理含义，因此被广泛用于国内外高压线路的故障定位，但在实践中存在着一定的缺陷，即无法保证测量的准确率，导致单端测量的精度不能得到保证。当导线与其他介质发生接触时，所产生的过渡电阻将达到数百欧姆，严重影响了测量的准确性。在进行单端故障定位时，必须先了解对端系统的阻抗参数，由于对端的阻抗参数经常发生变化，如果使用预先估计的参数来进行计算，则必然会产生误差[4]。当线路出现故障时，分布电容中的电流会有较大的改变，且这种改变无法控制，如果不能合理地计算出分布电容的电流，就会产生一定的误差。

3.2 多端法故障测距

多端法故障测距就是为了解决单端法测距误差的问题，它的数学公式是确定的、冗余的，可以实现精确定位。但是由于多端法在不同侧面上的信号采集不能同时精确地进行，因此目前还处在理论上。随着全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术在民用领域的广泛应用，为多端法测距提供了技术依据，可以确保数据的同步。目前，在GPS技术和计算机技术的基础上，多终端测距技术已在实际应用中取得了很好的效果。多端测距技术有两种，一是基于多端同步，二是基于多端非同步。采用同步采样数据的方法虽然简单，但是需要GPS技术和计算机技术的支持，可以精确地测量出故障点[5]。在不同步的情况下，采用非同步的方法进行故障定位，对数据的同步性要求不高，但是对硬件系统的要求很高。尽管多端法测距技术可以达到精确测距，但其硬件建设成本高，难以推广和使用。

4 高压架空输电线路的时域测距法

高压架空输电线路的时域测距法是利用时域微分方程建立线路模型，实现对线路的故障定位。由于时域法可以同时对任何一段数据进行测量，因而有较强的实用价值，成为今后高压输电系统发展的一个趋势。当前，常见的测距技术包括单回线时域测距、双回线耦合时域测距以及直流输电线路时域测距等，采用电感、电容、电阻等作为识别参数，利用导线上的电感、电容、电阻以及电荷量等获得电压分布，并对其进行分析。直流输电线路的时域测距技术是根据两端电压和电流的大小计算出各个端子的电压分布，并根据故障点的电压分布对其进行定位。

5 高压架空输电线路的行波测距法

行波测距是高压架空输电线路的常规测量手段，利用行波传输的基本原理，通过电子、计算机、通信等技术准确确定由故障产生的行波、电流行波信号。虽然20世纪40年代就出现了行波测距法，但在实践中仍然存在着许多问题。首先，在距离检测端较近的情况下，行波测距方法无法很好地识别故障。其次，行波设备具有一定的时延分布，从而极大地影响了系统的定位精度[6]。另外，由于地面电阻、架空线路布置、天气等因素的影响，在传输线路中的行波率会有不同程度的变化，这会对测量的准确性造成不利的影响。为保证测量的精确度，需要在较大的范围内实现微秒同步，这就需要在特定的区域进行精确的测量。

5.1 行波波头的识别

传统的行波波头探测技术包括导数法、相关法、匹配滤波法等，但由于其局限性，尤其是单端行波法的故障点反射波难以探测和识别，使得行波波头的测距精度受到了很大影响。此外，由于行波信号中存在着大量的噪声，因此不能很好地捕获。

5.2 行波法存在的问题

5.2.1 线路两端非线性元件的动态时延

电流互感器是一种用来抽取电流行波信号的耦合装置，其二次侧的时间常数一般在100 μs左右，但是由于铁芯饱和和残余磁场的存在，会使变压器的动态延时增大，无论有无接触，启动装置均有一定的分配时滞。新的B型测距方法中，1 μs的误差最大可达到300 m，而由于耦合、起动等非线性因素，导致了离散动态延迟对测量精度的影响，至今还没有定量分析。

5.2.2 参数的频变和波速的影响因素

在对参数的频谱特征进行分析时，低质量的混渗层是非均一的，而相模变换阵、特性阻抗、衰减常数以及波速等参数都是非线性的。波速是测量线路行波间距的重要参数，但它的计算与地面电阻、架空线路布置等有很大关系。由于高压线路的地质情况比较复杂，在不同的地层中，电阻率ρ的取值存在一定的差别，而且与气候关系密切。在输电线中，70%～90%的故障都是由地模成分引起的，频率变化会极大地影响到地面模波的速度。目前，在地模波测距中，还没有选择波速的问题，另外在架空接地中，高频成分的衰减与失真很少被考虑。然而由于频谱的变化以及波速的不确定性，使得其测量精度受到了很大的限制。利用GPS对终端或多个终端进行同步，可使B级定位装置的精度达到1 μs。

6 高压架空输电线路的智能化测距法

随着电力系统的发展，为了实现电力系统的智能化故障定位，测距法在电力系统中的应用越来越广泛。在借鉴其他领域先进技术的基础上，国内外有关学者经过多年的研究开发出了许多新的技术，如神经网络、红外、卡尔曼滤波、模式识别以及光纤测距等。人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）技术是利用电网电压、电流的基频成分作为输入信号，实现对线路故障类型的判定和定位。但是在电网发生故障后，由于对端系统的等值阻抗、对端系统等值电位的变化、近端系统等值阻抗、等值电位变化、故障距离、故障过渡电阻变化等因素的影响，会造成大量的采样量，从而导致训练不能收敛。

7 故障测距方法比较及应用趋势分析

目前，高压架空电线的故障定位方法主要是采用微分方程进行时域分析。（1）通过利用电感、电容、电阻等参数以及线路两侧的电量求出线路上的电压分布，从而达到对故障距离的检测，精确定位高压架空输电线路的故障部位，提高故障诊断的效率，使线路尽早恢复正常工作。（2）计算机编程技术、智能自动化技术以及通信技术的发展为高压线路的故障诊断提供了技术保障和支撑。例如，使用ANN技术可以将下路电压和电流分量作为神经网络输入，从而确定故障的位置和类型。另外，该专家系统还可以通过已有的数据库和各种监控设备采集到的电力数据进行故障类型的判断，为今后的输电线路故障分析和诊断提供了参考。而且智能技术是应用在未来输电线路中的一项重要技术，可以针对不同的线路进行自动报警，从而达到提前排除线路故障的目的。

8 结 论

总之，随着工业的迅猛发展，电能得到了广泛的应用，高压架空线则是一种重要的电力供应方式。由于输电线路的故障，往往会造成电力系统无法正常工作，从而造成严重的电力损耗。因此，文章从实际出发，分析了架空输电线路的故障定位技术，并指出造成故障的主要原因，同时还分析了高压输电线路故障定位技术在今后的发展方向，以期为今后在输电线路故障定位和故障诊断中的应用提供借鉴。