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电缆架空线混合线路故障测距方法的实现

摘要:高压输电线路是电力系统的命脉，它担负着传送电能的重任。同时，它又是电力系统中发生故障最多的地方，并且极难查找。因此，在线路故障后迅速准确地把故障点找到，不仅对及时修复线路和保证可靠供电，而且对电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。课题任务要求理解故障测距的意义、架空线路与电缆输电特点、影响故障测距精度的影响因素及故障测距理论。

关键词：电缆；架空线；故障测距；测距方法
Abstract ：High-voltage transmission line is the lifeblood of power system. At the same time, it is the power system fault most places, and extremely difficult to find. Therefore, finding fault points quickly and accurately after line failure is not only important to repair the line and ensure reliable power supply, but also plays an important role in the safety, stability and economic operation of power system. The task is to understand the significance of fault location, the transmission characteristics of overhead lines and cables, the factors affecting the accuracy of fault location and the theory of fault location.

Key words: cable; overhead line; fault location; location method

1 引言

随着我国经济的发展，电力系统规模逐渐加大，网络结构逐渐复杂，而且，用户对供电稳定的要求也越来越高。这就要求一方面，在系统正常运行过程中要防止故障的发生；另一方面，在系统发生故障后，要快速、准确地找到故障位置，迅速排除故障，确保电力系统安全运行，提高供电可靠性，将损失最小化^[1-3]。

我国大多数配电网均采用中性点非直接接地系统，即小电流接地系统。随着国民经济的发展，在配电网系统中，出现了既有架空线又有地埋电缆，还存在有架空线和地埋电缆混合敷设的情况^[4]。架空线上发生的故障中单相接地故障占80％以上，当小电流接地系统发生单相接地故障时，由于单相接地不形成短路回路，故障线路流过的电流为所有非故障线路对地电容电流之和，故障电流远小于负荷电流，使得故障测距比较困难，不能快速、准确地进行故障测距。虽然由于电力电缆具有比架空线路可靠性高、占用空间少、受恶劣天气影响较小、有利于工厂布局和城市规划等优点，但是由于机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化、水树等因素的影响，长时间运行的电力电缆也会发生故障。再加上由于电力电缆多埋于地下或铺设在电缆沟中，故障发生后，很难迅速、准确地测出故障地点的确切位置，不能及时地排除故障恢复供电，往往会造成停电停产的重大经济损失。因此，如何确保配电网的安全可靠运行，快速有效地查出故障线路及故障点位置，具有非常重要的意义^[5-8]。

2 国内外研究现状

多年来，国内外研究人员及学者对于小电流接地系统故障测距方法的作了许多研究工作，尤其是对单相接地故障测距的研究，也提出了不少使用方法。根据架空线路和电力电缆自身的特点，电缆架空线混合线路故障测距方法主要分为适用于电力电缆的故障测距方法、适用于架空线路的故障测距方法和适用于架空线与电力电缆混合敷设的故障测距方法^[9]。

2.1国外研究现状及发展动态

国内外对数遍带你设备在线监测及带电检测技术的探索和研究已有30多年的历史。由于电气设备种类繁多、结构各异，其在线监测及带电检测项目各有不同。目前，相对成熟应用的在线监测及带电检测技术有变压器、GIS及罐式断路器等设备局部放电监测、变压器油色谱分析、电容性设备电容量及介损带电测试、氧化锌避雷器泄漏电流监测、红外测温、紫外检测等。

变压器是电力系统中最关键的设备之一，其安全稳定运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。目前，变压器在线监测的主要项目有：油中溶解气体测量和分析、局部放电测量和定位、绕组变形、铁芯接地电流监测及振动频谱监测等。

1）变压器油中溶解气体在线监测

监测变压器油中特征气体量—油中溶解气体分析(Dissolved Gases Analysis，DGA)已被证明对于发现油浸变压器内部潜伏性故障，特别是过热性、电弧性、绝缘破坏性故障相当有效和可靠。现场试验和模拟试验表明，不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体见表2-1。

表2-1 不同故障类型产生的气体

安装油中特征气体传感器对油中气相色谱实施在线监测，就可监测那些发展周期较短的故障。目前，技术相对比较成熟的油中气相色谱在线监测装置有美国Servemn公司T8变压器在线监测仪，其除了监测油中H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂和O₂8种气体外，还可对油中水份和变压器油温进行在线监测，所采集数据经处理后可使用三比值、四比值、谱图法等进行分析和故障诊断。英国Kelman有限公司TRANSFIX新一代油中气体及微水在线监测系统首次将光声光谱(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)技术应用于绝缘油中溶解气体及水份分析领域，监测8种气体及微水。加拿大BravTech公司TAM-VI变压器油色谱在线监测系统可同时检测H₂、CO、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂6种故障特征气体。国内产品有宁波理工MGA2000变压器色谱在线监测系统，其采用特制的纳米晶半导体检测器检测H₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆、总烃；采用微水检测单元检测H₂O。

2）变压器局部放电在线监测

局部放电是变压器常见故障的主要原因。据统计，中国110kV及以上电力变压器事故中，有50%属于正常运行电压下发生匝间短路，其原因大多是局部放电所致。目前，变压器局部放电在线监测方法很多，常用的方法主要有：脉冲电流法、射频检测法、放电能量检测法、声测法、超高频法。其中，射频检测法和超高频法由于信号频率高、抗干扰性能好，随着数字滤波技术、信号采集技术、选频技术的发展，得到了越来越多的应用。

3）变压器绕组变形在线监测

变压器绕组变形在变压器事故中占有很高的比例，绕组变形检测已引起了电力部门的高度重视。目前，国内主要采用频率响应分析法(Frequency Response Analysis，FRA)和低压脉冲法(Low Voltage Impulse，LVI)2种离线测试手段进行绕组变形检测。为了提高FRA诊断的准确率，测量频率范围被分为几段，在整个频率范围内及每一分段的相关系数和标准偏差都被作为诊断用的特性参数。与FRA相比，LVI具有对其他非试验绕组的变形不敏感、便于实现故障定位的优点；但也存在间隔时间较长时、重复性差的缺点。

近年来，基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线监测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术逐渐得到重视。现场试验证明这种测量方法具有较高的准确性和稳定性；但是，由于它只是一个外在表征量，存在对绕组的变形类型不敏感的缺点。

4）变压器铁芯接地电流在线监测

电力变压器正常运行时，铁芯必须一点可靠接地，否则铁芯对地产生悬浮电压或铁芯多点接地产生发热故障，严重威胁变压器以及电网的安全。目前，国内外都把铁芯接地电流作为诊断大型变压器铁芯短路故障的特征量。铁芯或夹件接地电流主要是容性电流，常利用穿心电流传感器取样测量。

5）变压器振动频谱在线监测

在线监测变压器油箱表面振动可反映绕组、铁芯、有载调压开关、油泵等机械性缺陷。

20世纪80年代中期起，美国、俄罗斯和加拿大等国开始在试验室中利用振动信号对离线状态变压器的绕组和铁芯状况进行检测。检测结果表明，与正常运行的变压器相比，发生绕组或铁芯故障的变压器的器身振动信号有很大差异。变压器振动频谱的在线监测始于20世纪90年代中后期。在中国，振动法监测变压器的起步较晚，现仅有西安交通大学、上海交通大学等少数科研机构进行了这方面的研究目前，国内外在变压器振动在线监测研究主要有以下几方面：

（1）利用传感器、数据采集卡以及计算机组建振动测试系统，并对监测到的振动数据进行研究和分析。

（2）根据影响变压器振动的因素，将这些因素转化为各个参数建立数学模型，根据数学模型来研究变压器的振动状况。

（3）由于在运行变压器的振动会产生噪声，因此，可以从噪声方面来研究变压器的振动。

2.2 国内研究现状及发展动态

目前，输电线路在线监测的重点在线路运行与周边环境的适应性上，主要有雷电定位系统、微气象监测系统、输电线路覆冰在线监测（监测覆冰重量等）、微风振动监测（监测导线与线夹最后接触点外一定距离处导线相对于线夹的弯曲振幅和频率等）、导线舞动监测(监测振动半波数、摆动频率和摆动幅度等）、风偏在线监测（监测绝缘子串导地线出口处或转角塔跳线最低点的风偏角和仰角等)、导线温度监测、绝缘子污秽度监测及杆塔倾斜监测等。

目前，带电检测技术主要包括红外线成像法、紫外线成像法和超声波检测法等。

红外线成像法主要用来检测电气设备由于介电损耗或电阻损耗等引起的局部温度升高，目前已得到广泛应用红外检测的技术局限性在于，由于红外辐射在固体中的穿透能力极其微弱（对金属导体的穿透厚度只有微米数量级，对于大多数非导电材料的穿透厚度也小于1mm）。因此，对于大型复杂电力设备内部的某些故障，若其故障发热功率太小，或故障部位距设备表面太远，由于热量的横向传递，会使得故障发热不能在设备表面产生明显的特征性响应。或者由于设备内部的热交换过程特别复杂，致使内部的故障发热无法在设备表面形成特征性热场分布。在这些情况下，红外成像法就难以从设备外部检测到内部的运行状态。

紫外线成像法主要用来检测设备表面由于局部放电而形成的碳化通道和电蚀损，检测导线外伤、高压设备的污染程度及绝缘缺陷检测等紫外成像检测的技术局限性在于，检测光子数量受检测距离、增益、气压、温度、湿度等因素影响，目前尚无正式的紫外检测标准规程可供参考。

超声波检测法是利用超声波在绝缘介质交界面发生反射、折射的原理，检测绝缘介质内部的裂纹缺陷。其优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感。其缺点在于，通常需要耦合介质使声能透入被检物；需要有参考评定标准；显示的检测结果不直观，对操作人员的技术水平有较高要求。

纵观输变电设备在线监测及带电检测技术的发展趋势，目前输变电设备监测状态量以绝缘状态量为重点，并逐步发展到机械量、化学量等有助于设备状态全面监测的状态量。在线监测技术的发展还呈现出一种综合趋势，即将设备的各种实时状态量通过网络集中起来，结合其他的非实时状态量，对设备的状态进行综合、全面分析，为设备的状态评价提供依据。

2006年初，国家电网公司对各网省公司在线监测装置应用情况进行了调查统计。统计结果表明：华北、华东电网的在线监测装置最多，西北电网的在线监测装置相对较少。在变压器本体、电容型设备、氧化物避雷器、开关类设备、GIS设备、综合监测6类在线监测装置中，金属氧化物避雷器在线监测装置应用最多；电容型设备和变压器本体在线监测装置次之。这也说明金属氧化物避雷器、电容型设备和变压器本体的在线监测技术相对比较成熟。开关类设备、GIS设备的在线监测装置应用较少，这是因为开关类设备，特别是断路器的结构区别较大，安装在线监测装置的空间难度和技术难度都很大。GIS设备都是按照免维护的要求设计的，因此很少安装在线监测装置。

此外，绝缘子泄漏电流在线监测、外绝缘污秽在线监测等装置，在中国电网系统也有应用，但应用数量较少。而红外成像仪、紫外成像仪和超声波检测仪等带电检测设备，随着技术的不断成熟，在中国电网系统应用越来越普遍。

3发展趋势

输电线路故障测距的研究具有十分辉煌的前景，不管是在国内还是在国外对这个方面的研究都有广泛的重视。20世纪90年代初，我国提出了利用故障暂态电流的高压输电线路行波故障测距技术，从而推动了现代行波故障测距的蓬勃发展，这些装置的误差在实际运用中不会超过500m，基本可以实现两杆塔之间的定位。今年来，随着小波交换理论的不断成熟，和人工智能技术在电力系统各领域的广泛应用，在其故障测距领域的研究，应用也取得了很大的进展。随着小波理论的技术日益成熟，行波故障定位的数据基础也逐渐成熟起来，精度也得到了大大的提高^[25]。

4总结

国内外已有大量探讨输电线路故障测距的文章发表，有些测距装置已投入现场运行。而且随着通信技术和数字计算机的发展，故障测距已经能够方便的获得对侧的信息并且测量装置的硬件计算处理能力大大增强，能够满足复杂的运算。在一些发达国家，如美国和加拿大拥有较为成熟的测距装置和技术。特别是在阻抗法、 行波法测量故障距离上，值得我们新一代输电线路人去学习、探索。

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