特變電工昭和（山東）電纜附件有限公司 劉 彬 王 振

110kV 輸電線路是電網(wǎng)中的重要組成部分，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。然而，在運(yùn)行過(guò)程中，由于各種原因，可能會(huì)發(fā)生接地故障，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)110kV 輸電線路接地故障進(jìn)行定位技術(shù)研究具有重要的意義。

1 110kV 輸電線路接地故障的概念及其危害

110kV 輸電線路接地故障是指線路中出現(xiàn)了意外接地現(xiàn)象，導(dǎo)致電流通過(guò)接地點(diǎn)流回地面，從而導(dǎo)致線路出現(xiàn)故障。這種故障可能會(huì)引起線路過(guò)載、設(shè)備損壞、電力系統(tǒng)頻率偏差、電壓不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。此外，接地故障還可能引起觸電事故，威脅人身安全。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位接地故障，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。

2 110kV 輸電線路接地故障原因分析

接地故障的原因多種多樣，常見(jiàn)的原因有以下幾種。一是絕緣老化或破損。線路絕緣老化或破損是導(dǎo)致接地故障的主要原因之一。在使用過(guò)程中，線路絕緣材料會(huì)逐漸老化，變得脆弱。如果長(zhǎng)期處于高溫、高濕等環(huán)境中，絕緣材料會(huì)更加容易老化。此外，線路上的動(dòng)物、植物等也可能導(dǎo)致絕緣材料破損，造成接地故障[2]。

二是電氣設(shè)備故障。線路上的電氣設(shè)備如變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)等，如果發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。例如，變壓器繞組出現(xiàn)短路，會(huì)導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。

三是外界因素。外界因素也是導(dǎo)致接地故障的重要原因之一。例如，雷擊、污閃、桿塔倒塌等自然災(zāi)害，以及施工人員誤操作等人為因素都有可能導(dǎo)致接地故障。

四是設(shè)計(jì)缺陷。線路設(shè)計(jì)的缺陷也可能導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。例如，線路接地電阻過(guò)大，接地方式不合理等設(shè)計(jì)問(wèn)題都可能導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。

在110kV 輸電線路中，接地故障是比較常見(jiàn)的一種故障類型，因此需要采用有效的技術(shù)手段進(jìn)行定位和處理。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，要盡可能地避免以上原因的影響，做好線路的維護(hù)和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患。此外，可以采取一些措施來(lái)預(yù)防接地故障的發(fā)生，例如加強(qiáng)絕緣檢測(cè)、加裝接地保護(hù)器、設(shè)置接地巡視制度等。

3 輸電線路接地故障定位技術(shù)分析

3.1 常用接地故障定位技術(shù)

常用接地故障定位技術(shù)包括行波測(cè)距法、阻抗法等，這些方法廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的接地故障定位[3]。

3.1.1 行波測(cè)距法

行波理論。輸電線路發(fā)生故障后，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生電壓和電流的瞬間突變，形成電壓和電流暫態(tài)分量，這些暫態(tài)分量會(huì)以接近光速的速度向輸電線路的兩側(cè)傳播，形成暫態(tài)行波。為了建立該行波的數(shù)學(xué)模型，可以將單根導(dǎo)線看作等效電路，以導(dǎo)線微元的角度分析電路。當(dāng)電壓源接通到輸電線路上時(shí)，靠近電壓源的線路分步電容會(huì)立即充電，并通過(guò)線路分布電感向相鄰的分布電容充電，而線路上遠(yuǎn)處的電容則需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能充上一定量的電荷，并向更遠(yuǎn)的電容放電。逐漸地，電容依次充電，線路沿線逐漸建立電場(chǎng)并形成電壓，即存在電壓行波以一定的速度沿線路方向傳播[4]。

同時(shí)，隨著電流在導(dǎo)線周圍空間建立磁場(chǎng)，因此也會(huì)形成電流行波以同樣的速度沿導(dǎo)線方向傳播。在線路電容的充放電過(guò)程中，電感中儲(chǔ)存的能量隨著電流的變化而發(fā)生變化，從而形成了電流的暫態(tài)分量，即電流行波。行波理論認(rèn)為，由于行波在傳輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生能量損耗和波形失真，因此在行波信號(hào)分析中可以采用非常簡(jiǎn)單的傳輸線模型來(lái)描述輸電線路。

單雙端行波測(cè)距。單端行波法的基本原理是通過(guò)向線路發(fā)送一個(gè)短時(shí)脈沖信號(hào)，并測(cè)量故障點(diǎn)和信號(hào)發(fā)射點(diǎn)之間信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)確定故障點(diǎn)位置。具體步驟包括發(fā)射脈沖信號(hào)、測(cè)量脈沖在線路中的傳播時(shí)間以及計(jì)算故障點(diǎn)位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在線路上實(shí)現(xiàn)故障定位，而且只需要在信號(hào)發(fā)射端附近安裝傳感器。

雙端行波法則需要在線路兩端安裝傳感器。該方法通過(guò)同時(shí)向線路兩端發(fā)送脈沖信號(hào)并測(cè)量信號(hào)在線路中的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算故障點(diǎn)位置，具有使用現(xiàn)有線路設(shè)備進(jìn)行定位和減少定位誤差的優(yōu)點(diǎn)。然而，為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要保證兩端脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)間的完全同步，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以消除噪聲和干擾。因此，在實(shí)際工作中，需要使用同步通信技術(shù)來(lái)保證信號(hào)同步性，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確保定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 雙端行波原理圖

相較于單端行波法，雙端行波法具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，可以利用現(xiàn)有的線路設(shè)備進(jìn)行定位，無(wú)須額外安裝傳感器；其次，由于雙端測(cè)量可以減少誤差，因此定位的準(zhǔn)確度更高。同時(shí)，雙端行波法還可以消除傳感器的安裝誤差，避免測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

3.1.2 阻抗法

阻抗法利用線路在發(fā)生接地故障后的電氣參數(shù)變化來(lái)確定故障位置。該方法基于故障時(shí)線路上的電壓、電流、阻抗等物理量的測(cè)量，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，通過(guò)阻抗比值的變化確定故障點(diǎn)的位置。具體步驟包括：測(cè)量線路上的電壓和電流信號(hào)、計(jì)算線路的阻抗值、通過(guò)測(cè)量的阻抗值比較判斷故障點(diǎn)位置。阻抗法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度較高，不需要對(duì)線路進(jìn)行任何改動(dòng)和干擾，但需要對(duì)線路進(jìn)行在線測(cè)量。

綜上所述，單雙端行波測(cè)距法和阻抗法雖然在電力系統(tǒng)接地故障定位中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是也存在一些缺點(diǎn)。單雙端行波測(cè)距法需要在故障發(fā)生時(shí)才能進(jìn)行測(cè)距，因此其實(shí)時(shí)性受到一定限制。此外，該方法需要在不同位置安裝行波傳感器，并且需要對(duì)傳感器的位置進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，這會(huì)增加測(cè)量的復(fù)雜度和成本。阻抗法雖然具有較高的定位精度和穩(wěn)定性，但是需要對(duì)線路進(jìn)行精確的參數(shù)測(cè)量，并且需要對(duì)線路的等效電路模型進(jìn)行準(zhǔn)確建立，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的難度和限制。此外，阻抗法對(duì)故障點(diǎn)的距離也存在一定的限制，不能精確定位遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn)的故障點(diǎn)。

3.2 基于小波變換的行波測(cè)距法

小波理論的迅速發(fā)展使得小波變換成為行波波頭分析中最為有效的方法之一。小波變換具有嚴(yán)密、堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并且擁有獨(dú)特的多分辨率分析思想和優(yōu)秀的時(shí)頻局部變換奇異分析功能。在行波波頭檢測(cè)方面，小波變換表現(xiàn)出良好的效果。

3.2.1 小波變換理論

小波變換是一種時(shí)頻分析方法，可將信號(hào)分解成不同的頻率和時(shí)間分辨率的小波基函數(shù)。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解和重構(gòu)，可以在不同時(shí)間和頻率上分析信號(hào)的特征和局部細(xì)節(jié)。在故障檢測(cè)和定位中，小波變換可以應(yīng)用于分解和重構(gòu)故障行波信號(hào)，以精確識(shí)別檢測(cè)出信號(hào)奇異點(diǎn)的位置，并結(jié)合行波測(cè)距算法進(jìn)行故障定位。小波變換可以通過(guò)時(shí)域分析法和頻域分析法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 基于小波變換的行波測(cè)距

基于小波變換的行波測(cè)距是利用小波分析技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)中行波信號(hào)進(jìn)行處理和提取的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的快速定位。該方法的核心思想是將小波變換應(yīng)用于行波信號(hào)的處理，通過(guò)小波變換將原始行波信號(hào)分解為多個(gè)子帶，提取出不同頻率范圍內(nèi)的信號(hào)特征，并且可以通過(guò)小波重構(gòu)技術(shù)恢復(fù)原始信號(hào)?；谛〔ㄗ儞Q的行波測(cè)距法通常包括以下步驟。

采集行波信號(hào)。在故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)安裝在輸電線路兩端的傳感器采集行波信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心進(jìn)行處理。

小波分解。通過(guò)小波分解，原始信號(hào)被分解成多個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含不同頻率的信號(hào)成分。在行波測(cè)距中，主要關(guān)注高頻子帶，因?yàn)楣收闲胁ㄊ且环N高頻信號(hào)。因此，可以選擇一個(gè)高通小波濾波器，將原始信號(hào)分解成多個(gè)子帶，然后保留高頻子帶，對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)，得到一組濾波后的信號(hào)。

行波重構(gòu)。行波重構(gòu)是通過(guò)小波反變換將分解后的行波信號(hào)子帶進(jìn)行合成，以得到原始行波信號(hào)的過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，行波信號(hào)首先進(jìn)行小波分解，得到多個(gè)尺度和不同頻率范圍內(nèi)的小波系數(shù)，然后通過(guò)小波反變換，將這些小波系數(shù)合成為原始行波信號(hào)。在行波重構(gòu)的過(guò)程中，可以選擇不同的小波基函數(shù)來(lái)重構(gòu)信號(hào)。

小波分解和重構(gòu)可以使用離散小波變換（DWT）或連續(xù)小波變換（CWT）實(shí)現(xiàn)。DWT 使用不同尺度和位置的小波基函數(shù)，將信號(hào)分解為多個(gè)頻帶，其中高頻細(xì)節(jié)部分和低頻近似部分可以被進(jìn)一步分解。CWT 使用可變尺度的小波基函數(shù)，分解出的頻帶寬度隨尺度變化而變化。

時(shí)域分析法的小波變換公式如下：

其中，x（t）為原始信號(hào)，a 和b 分別表示尺度伸縮參數(shù)和平移參數(shù)，φ＊（t）為小波基函數(shù)的共軛。

頻域分析法的小波變換公式可以通過(guò)傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體可以采用以下公式：

其中，φ＊（t）表示小波函數(shù)的共軛，ω 是傅里葉變換的頻率變量，a 是尺度參數(shù)，b 是位移參數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)和分解層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效分解和重構(gòu)。常用的小波基函數(shù)包括Daubechies 小波、Haar 小波、Symlet 小波等。

圖2 常用的幾種小波

奇異點(diǎn)檢測(cè)。在行波信號(hào)重構(gòu)完成后，需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，以便準(zhǔn)確檢測(cè)出信號(hào)中的奇異點(diǎn)。常用的方法包括一階差分法、二階差分法和三階差分法等。這些方法通過(guò)對(duì)重構(gòu)信號(hào)的微分來(lái)檢測(cè)信號(hào)中的奇異點(diǎn)，即信號(hào)波形發(fā)生了突變的位置。在確定奇異點(diǎn)的位置后，可以通過(guò)結(jié)合行波測(cè)距算法來(lái)快速定位故障點(diǎn)。

總之，基于小波變換的行波測(cè)距法相對(duì)于傳統(tǒng)的行波測(cè)距法和阻抗法具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，小波變換的多分辨率分析思想和良好的時(shí)頻局部變換奇異分析功能能夠提取信號(hào)的高頻部分，從而更容易檢測(cè)行波波頭。其次，小波變換具有壓縮性，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)量，從而能夠更快速地開(kāi)展信號(hào)處理。最后，小波變換具有較好的抗噪性能，能夠有效地去除信號(hào)中的噪聲，提高定位精度。

4 結(jié)語(yǔ)

110kV 輸電線路接地故障定位技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其中行波測(cè)距法、阻抗法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，基于小波變換的行波測(cè)距法也成為研究的熱點(diǎn)[5]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，110kV 輸電線路接地故障定位技術(shù)的精度和效率將得到進(jìn)一步提高，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的保障。