孫迎雪 趙海龍 秦 力 龐松嶺 林桃貝

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院 2.東北電力大學）

0 引言

輸電線路長期處于露天環(huán)境運行，受外部環(huán)境的影響較大，經常面臨各種故障的困擾，2017年海南電網110kV及以上輸電線路故障跳閘總計156次，強迫停運53次，嚴重影響供電可靠性。輸電線路常見故障類型主要有雷擊、外力破壞、風偏閃絡、樹閃、鳥害、山火等。

目前輸電線路故障原因的辨識主要還是依靠人工巡檢的方法來實現［1-2］，該方法不僅需要大量的人力物力，并且故障原因預判斷在很大程度上依靠工作人員的經驗，巡檢時需攜帶大量工具，加上受巡視現場地形條件限制，效率并不高，可能無法及時發(fā)現并修復輸電線路上的故障點，遠遠不能滿足電網智能化管理水平要求。

為保證線路的安全運行，故障在線監(jiān)測技術應運而生。目前，行波法是輸電線路故障監(jiān)測廣泛應用的方法之一［3］。當線路發(fā)生故障時，會從故障點產生向兩側以接近光速傳播的暫態(tài)電流行波，這種行波信號包含了豐富的信息，分析行波對于判斷線路故障的具體原因及定位有著重要的意義［4-6］。

1 線路分布式故障行波監(jiān)測系統(tǒng)

海南電網的分布式故障行波監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、數據中心和工作站三部分組成，通過廣域網連接。將監(jiān)測終端裝置安裝于導線上，監(jiān)測故障發(fā)生時刻的故障行波電流與工頻故障電流及諧波電流，同時將這些信號上傳到數據中心進行分析。監(jiān)測終端是故障行波監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，兩個終端之間距離不宜超過30km，否則行波電流會明顯衰減，丟失一些關鍵特征。監(jiān)測終端安裝位置與變電站保持一定距離，盡量避免變電站對行波的影響。本系統(tǒng)自安裝以來，收集了大量的故障電流行波，為輸電線路故障原因研究提供了豐富的資源。

目前用于行波處理的方法有很多，包括小波分析、傅里葉分析、多小波理論、小波包能量譜、數學形態(tài)學、支持向量機、分形幾何理論、神經網絡等方法［7-8］。快速傅里葉算法FFT是離散傅里葉變換的特殊情況，FFT可以大大降低算法的復雜度，節(jié)約運算量［9-11］。本文針對大量的故障行波樣本，運用FFT進行頻譜分析，對比時域特征和頻譜分析結果，能有效地識別故障電流行波特征。

2 電流行波時域特征和頻譜分析

輸電線路最常見的是單相接地故障，占到故障總數的90%以上，其中非雷擊故障占比很大，這類故障的電流行波波尾時間較長［12］。為了進一步確定非雷擊故障的電流行波特征，本文分析了外力破壞、山火、樹閃三種典型故障。

2.1 外力破壞故障電流行波

輸電線路外力破壞是人們有意或無意造成的線路部件的非正常狀態(tài)，如毀壞線路設備、線路走廊內違章作業(yè)、車輛沖撞等。其中以因違章施工導致吊車、塔吊及運輸車輛等大型機械碰撞帶電導線對輸電線路的危害最大［13］。據統(tǒng)計，海南電網近五年110kV及以上線路發(fā)生外力破壞共計136次，占總數的20%左右，并呈逐年上升趨勢。裝置監(jiān)測到的外力破壞典型電流行波如圖1。

圖1 外力破壞典型電流行波

2.2 山火故障電流行波

山火的發(fā)生主要有環(huán)境及人為兩大因素，春秋兩季氣候干燥，受村民燒荒煉山和清明祭祖活動影響，極易引發(fā)山火。一般認為山火使周圍空氣溫度升高，造成空氣熱游離，空氣間隙被擊穿使得導線對地面物體或桿塔放電［14-15］。據統(tǒng)計，海南電網近五年110kV及以上線路發(fā)生山火共計62次，約占總數的9%左右。裝置監(jiān)測到的山火故障典型電流行波如圖2。

2.3 樹閃故障電流行波

形成樹閃的主要原因是由于架空輸電線路經過的樹林茂密地區(qū)中的樹木生長過快，部分樹木距離線路較近，因此導致了線路對樹木放電，引起線路故障跳閘。樹閃故障典型電流行波如圖3。

2.4 波形分析

通過MATLAB對大量的外力破壞、山火和樹閃故障行波進行頻譜分析，將諧波分量求平均值，得到諧波分量對比結果如圖4所示。

圖3 樹閃故障典型電流行波

圖4 不同故障類型的諧波含量

圖中橫坐標為各次諧波，縱坐標為各次諧波分量與基波分量的比值，從圖中可見不同類型故障的諧波分量有很大差異，樹閃的諧波分量全部高于外力破壞，其中三次諧波和七次諧波較為突出，山火的七次諧波明顯高于其他類型故障。

通過分析可知，非雷擊故障行波的頻率主要集中在低頻，而且故障電流的波尾時間較長，這是因為監(jiān)測的是暫態(tài)行波電流，遠遠小于工頻周期，可以認為采樣時間段內電源電壓保持恒定。單相接地故障時，故障暫態(tài)行波電流主要取決于該故障時刻的電源電壓，而電源電壓基本不變，所以故障暫態(tài)電流應呈現階躍狀，在采樣時間內，由零突增至峰值后衰減很慢，因此其行波波尾時間較長，一般遠大于40μs。故障電流行波特征對比見表1。

表1 故障電流行波特征對比

（續(xù)）

由電流行波和頻譜分析結果可區(qū)分外力破壞、山火、樹閃故障，另外分布式故障行波監(jiān)測系統(tǒng)為故障原因辨識提供了自動化手段，實現了對故障樣本的開放式自學習。故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動分析此次電流行波特征和閃絡前后高次諧波的頻譜特征，利用統(tǒng)計判別分析法與指紋庫中數據進行對比，判斷此次故障原因，待工作人員巡線后確認或修改此次判斷結果，并將此次相關數據錄入指紋庫。隨著樣本的累積，將逐步清晰隱含層特征量的判據，修正誤差函數，構建故障原因自動識別系統(tǒng)，逐步實現故障原因的全面識別。

3 實際應用情況

監(jiān)測設備試掛網運行以后，成功監(jiān)測到了大量故障行波并判斷故障原因，工作人員可根據平臺指導，攜帶相應工具及時進行故障搶修工作。下面分別列舉了外力破壞、山火和樹閃三種故障的案例，其對應的故障現場及故障行波如圖5所示。

圖5 故障現場及故障行波圖

2015年12月，110kV南保創(chuàng)線C相故障跳閘，重合成功，平臺通過分析故障電流行波圖5（b），診斷為35號塔附近發(fā)生外力破壞，經巡視發(fā)現35-36號桿塔之間導線有明顯放電痕跡，導線跨越三亞市某路橋施工區(qū)，有一輛大型挖掘機停在導線下方，如圖5（a）所示。

2017年3月，220kV大昌Ⅱ線A相故障跳閘，重合不成功，平臺通過分析故障電流行波圖5（d），診斷為193號塔附近發(fā)生山火故障，經巡視發(fā)現193-194號塔走廊內植被有大面積燃燒痕跡，如圖5（c）所示。

2016年4月，220kV鵝成Ⅲ線故障跳閘，重合成功，平臺通過分析故障電流行波圖5（f），診斷為94號塔附近發(fā)生山火故障，實際巡視發(fā)現94-95號塔之間C相導線弧垂下降與刺樹安全距離不足產生放電，如圖5（e）所示。

分布式故障行波監(jiān)測系統(tǒng)對海南電網的可靠運行提供了幫助，能快速地進行故障識別，為故障搶修節(jié)約了大量的人力物力，在搶修保電中，發(fā)揮了不可替代的重要作用。

4 結束語

本文基于海南電網的分布式故障行波監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對三種典型輸電線路故障，通過時域特征和頻譜分析相結合的方法，對其故障電流行波特征進行了研究，以達到辨識故障原因的目的，主要結論如下：

（1）采用故障電流行波特征分析與統(tǒng)計判別分析相結合的方法，可以有效辨識外力破壞、山火、樹閃三種故障原因，正確率約在85%左右。

（2）通過對故障電流行波進行快速傅里葉變換，將頻譜分析結果與時域特征相結合，可以為原因辨識增加判斷依據，提高了辨識準確率。

（3）目前系統(tǒng)對其他故障原因的辨識準確率有待提高，仍需要逐步積累故障電流行波樣本，完善指紋庫，以加強輸電線路常見故障的辨識能力。