输电线路短路故障定位系统的研究

输电线路短路故障定位系统的研究

刘群1赵旭飞1胡美玲1徐世勇2张鹏程2周

1国网山西省电力公司忻州供电公司山西省034000；

2国网山西省电力公司定襄县供电公司山西省035400

摘要：现代社会中，无论是工业实用还是民用，都要求更优质的、可靠性更高的、稳定性能更好的电能。然而，输电线路不像其它电力系统组件，它暴露在环境中，所发生故障的几率要大于其它电力系统中其它组成部分。而在所有可能发生的输电线路故障中，短路故障占到很大比重，当线路中发生这样的故障时，瞬时线路中的电流将成倍增长，引起线路发热，造成不必要的损失。为了降低故障所带来的人员伤害及经济损失，能够快速定位发生故障的精确地点，帮助检修人员快速的到达故障发生地点进行抢修，因此，迅速的对短路故障发生位置进行定位，对整个电力系统安全运行是非常有必要的。

关键词：输电线路；短路故障；定位系统

随着电力系统的发展，输电线路已经越来越多地出现在电力系统中。输电线路具有输电功率大、负荷重等特点，一旦线路发生故障，可能会造成大面积停电事故，产生不良的社会影响。因此，针对输电线路，快速准确的故障定位显得尤为重要。

1输电线路的故障及其定位原理的分析

输电线路故障主要分为开路故障和短路故障。由于输电线路发生的故障一般是短路故障，本文提出的输电线路故障系统主要针对短路故障。图1是一个双端电源短路故障的示意图，当输电线路发生短路故障后，短路点前端线路的电流Ia方向保持不变，短路点后端的电流Ib变为反向。根据电磁场的基本理论，磁场和电流是一个线性的关系，磁场的方向会随着电流方向的改变而改变。所以，通过测量输电线路中两个点的磁场方向，从而对短路故障的区间进行定位。

图1双端电源系统短路故障示意图

2高压输电线路故障定位最为常用的方法

2.1阻抗法和行波法

在故障定位过程中，最常用的方法有两种：一种是阻抗法；二是行波法。阻抗法主要是利用故障中测量的电压和电流，计算故障线路的阻抗。此时，大地的电容和电导在很大程度上被忽略，断层的阻抗与断层之间的距离成正相关。因此，可以得到故障点和测量点之间的距离。由于阻抗过大等因素，阻抗法一般不能满足测距精度的要求。而所谓的行波法（见图2）主要是通过传播速度，通过测量/记录线路故障发生的具体问题，从故障点所产生的暂态行波实现精确的故障定位。行波法又被分为以下两种方法：①单端法；②双端法。双端测距法有效克服了单端法的不足之处，但是双端测法对信息传输的实时性要求比较高，所以在双端算法的早期发展中带来很大的挑战和困难。

图2故障行波测距研究

2.2GPS定位法

加拿大HarryLee领导的BritishColumbiaHydro电站已研制出基于全球卫星定位系统（以下简称GPS）的行波故障定位装置，已成功运行于500kV的高压线路上。为满足输电线路故障测距的迫切需要，根据电力系统的实际需要，提出了一种快速、准确、可靠的线路故障测距方法。采集两个终端数据的方法，并通过GPS对两端信号进行同步，并根据统一的故障测距方法推导出集总参数模型，不受故障类型以及故障过渡电阻大小等因素的影响。该方法定位精度高，运行性能稳定，具有广阔的应用前景。建立跨区直流输电线路中间某段线路模型，假如某单位负责线路中间段某8基杆塔的运维工作在各杆塔的同一侧同一根地线上安装统一规格的电流传感器，当线路某点发生接地故障时，故障点的故障电流在地线上往两边的杆塔地线上分流，可以根据相邻电流传感器的电流方向作为判据依据实现故障区段定位：若某时刻相邻传感器检测到故障电流方向一致，则为非故障区间，该定位区间未发表接地故障；若相邻传感器测到故障电流方向相反，则可判定为故障区间，故障位于该相邻电流传感器之间杆塔上或该相邻档内。3基于磁探测技术的系统的总体方案输电线路故障定位系统的整体设计原理如图3所示，系统主要由磁传感器、数据处理器、GPS终端和监控中心等几部分组成。

图3故障定位系统原理图

结合实际考虑，将故障定位系统的磁场探测点设置在输电线路的杆塔上。通过高精度且高灵敏度的隧道磁电阻传感器完成对输电线路探测点磁场信号的测量，然后通过数据处理器对传感器采集到的磁场信号进行处理，并通过GPS终端对故障进行定位，最后通过北斗卫星的通信功能把故障信息发给监控中心的服务器。

3实验验证

为了测试磁电阻传感器用于检测输电线路故障条件下磁场信号的性能，把传感器放在亥姆赫兹线圈的均匀区域，通过使用信号源给亥姆赫兹线圈施加交流信号产生交变磁场，从而通过传感器测量磁场，测试磁电阻传感器恢复信号源输出信号波形的能力。图4给出了信号源产生的信号波形和传感器测量的磁场波形。表明本文所设计的磁电阻传感器可以恢复信号源输出信号的波形，因此可以用于对输电线路故障的定位。

图4实验测试结果

综上所述，本文设计的输电线路故障定位系统，通过基于磁探测技术可以实现非接触测量。并且能够准确及时地定位输电线路发生故障的位置，有利于提高电力系统的供电可靠性。设计了一种可以测量三维磁场的磁电阻传感器。通过实验验证，可以用于输电线路发生故障时的磁场测量。

参考文献：

[1]李阳.输电线路短路故障定位系统的研究[D].安徽理工大学，2017.

[2]吴仁炜.一起500kV输电线路相间短路故障的原因分析[J].电力与电工，2013，33（04）：105-106.